หม้อแปลงสำหรับโรงพยาบาล: วิธีกำหนดขนาดระบบจ่ายไฟ 11 kV สำหรับโรงพยาบาล 300 เตียง เหตุใดระบบไอทีทางการแพทย์และการสำรองข้อมูลแบบ N+1 จึงเปลี่ยนข้อกำหนดจำเพาะ

คำตอบก่อน: โรงพยาบาล 300 เตียงมีโหลด 4,249 kW หรือ 4,828 kVA และใช้หม้อแปลง 2,000 kVA 11/0.415 kV จำนวนสี่ลูกในการรองรับ — N+1 ในระดับหม้อแปลง และ 2N เฉพาะในส่วนปลายน้ำ

สร้างตัวเลขจากตารางโหลดแทนที่จะใช้ค่ากำลังไฟฟ้าต่อตารางเมตร: โหลดต่อเนื่อง 6,380 kW กลายเป็น 4,249 kW ที่ค่าพีค 15 นาทีหลังหักค่าความหลากหลาย ซึ่งที่เพาเวอร์แฟกเตอร์ 0.88 เท่ากับ 4,828 kVA และชุดหม้อแปลงที่รองรับโหลดนี้อย่างสมเหตุสมผลคือหม้อแปลง 2,000 kVA 11/0.415 kV Dyn11 จำนวนสี่ลูกบนฟีดเดอร์อิสระสองเส้นพร้อมบัสไทด์แบบปกติเปิด — โหลด 60% ในการทำงานปกติ และ 87% ของพิกัดที่ลดกำลังแล้วเมื่อมีหม้อแปลงหนึ่งลูกหยุดทำงาน ความซ้ำซ้อนที่โรงพยาบาลถกเถียงกันจริง ๆ ไม่ได้อยู่ที่หม้อแปลง: แต่อยู่ที่ 2N บนสาขาวิกฤต ซึ่งหมายถึง UPS 600 kVA สองชุด, ATS แบบสี่ขั้วสองชุด และตู้จ่ายแรงดันต่ำสองตู้ที่แต่ละตู้มีขนาดรองรับโหลดห้องผ่าตัดและ ICU ทั้งหมด และการตัดสินใจนี้ — ไม่ใช่ตัวเลข kVA — คือสิ่งที่ทำให้สวิตช์เกียร์แรงดันต่ำเพิ่มเป็นสองเท่าและเขียนระบบกราวด์ใหม่ สามสิ่งแยกข้อกำหนดโรงพยาบาลออกจากข้อกำหนดโรงงานขนาดเดียวกัน: พื้นที่ทางการแพทย์กลุ่ม 2 ต้องการระบบ IT ทางการแพทย์แบบเฟสเดียว 18 ระบบพร้อมการตรวจสอบฉนวน, โหลดแบบพัลส์ของ MRI และ CT เป็นตัวกำหนดการออกแบบแรงดันต่ำมากกว่าจำนวนเตียง และอาคารที่ไม่เคยปิดทำการประเมินค่าสูญเสียของหม้อแปลงที่ 4,050 ชั่วโมงโหลดเต็มที่เทียบเท่าต่อปี ซึ่งทำให้แกน S13 คุ้มค่ากว่า S11 อยู่ USD 2,600 และทำให้แกนอสัณฐานไม่มีคุณค่าเลย

ประเด็นสำคัญ

• โหลดต่อเนื่อง 6,380 kW × ค่าความหลากหลาย 0.67 = ความต้องการ 4,249 kW = 4,828 kVA ที่ PF 0.88; หม้อแปลง 2,000 kVA สี่ลูกอยู่ในภาวะโหลด 60% ตามปกติ และ 87% ของพิกัดที่ 45 °C เมื่อมีหนึ่งลูกหยุดทำงาน ดังนั้นตัวสำรองจึงเป็นของจริงไม่ใช่แค่ในนาม
• โหลดแฟกเตอร์ของโรงพยาบาลคือ 0.68 ไม่ใช่ 0.35–0.45 ของโรงงาน: ค่าสูญเสียไม่มีโหลดคิดเป็น USD 1,051 ต่อ kW ต่อปี และค่าสูญเสียโหลด USD 444 ต่อ kW ต่อปี ดังนั้นหม้อแปลงสี่ลูกใช้ไฟฟ้าคิดเป็น USD 44,800 ต่อปี — 20% ของราคาซื้อ ทุกปี
• 2N ใช้กับสาขาวิกฤต ไม่ใช่กับหม้อแปลง: UPS 600 kVA สองชุด, ATS แบบสี่ขั้วพร้อมนิวทรัลสวิตช์สองชุด และตู้จ่ายแรงดันต่ำสองตู้ที่แต่ละตู้มีพิกัดรองรับโหลดห้องผ่าตัด/ICU ทั้งหมด ความซ้ำซ้อนระดับหม้อแปลงคือ N+1 และการแสร้งว่าเป็นอย่างอื่นจะเพิ่มสวิตช์เกียร์มูลค่า USD 700,000 โดยไม่มีความพร้อมใช้งานที่วัดได้เลย
• IEC 60364-7-710 กำหนดให้มีระบบ IT ทางการแพทย์ 18 ระบบขนาด 8 kVA สำหรับห้องผ่าตัด 12 ห้อง, ห้องสวนหัวใจ 2 ห้อง และกลุ่ม ICU 4 กลุ่ม แต่ละระบบมีอุปกรณ์ตรวจสอบฉนวนที่ต้องแจ้งเตือนที่ 50 kΩ, ระบบเชื่อมสมศักย์ที่ 0.2 Ω หรือต่ำกว่า และการคืนกำลังไฟภายใน 0.5 s ซึ่งมีเพียง UPS เท่านั้นที่ทำได้เพราะเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต้องใช้เวลา 10 s
• กระแสฮาร์มอนิกจากวงจรเรียงกระแสของ UPS, อุปกรณ์ถ่ายภาพ และ VFD ของชิลเลอร์อยู่ที่ 9.1% TDD ที่จุดเชื่อมต่อร่วม 11 kV เทียบกับเพดาน IEEE 519 ที่ 8.0%; รีแอคเตอร์แบบอนุกรม 4% พร้อมแอกทีฟฟิลเตอร์ 300 A ลดลงเหลือ 5.6% ด้วยงบประมาณประมาณ USD 92,000 และการปล่อยไว้จะสร้างความเสียหายจากตัวเก็บประจุเสียและนิวทรัลร้อนเกินกว่าต้นทุนของฟิลเตอร์

โรงพยาบาล 300 เตียงดึงกำลังไฟฟ้าเท่าไรจริง ๆ และทำไมวัตต์ต่อตารางเมตรจึงเป็นจุดเริ่มต้นที่ผิด?

สำนักงานออกแบบในแต่ละประเทศอ้างอิงความต้องการไฟฟ้าของโรงพยาบาลตั้งแต่ 40 ถึง 120 W/m² และช่วงที่ต่างกันนี้ไม่ใช่ความแตกต่างของสภาพอากาศ — แต่เป็นความแตกต่างของขอบเขตงาน อาคาร 45,000 m² ที่ 90 W/m² เท่ากับ 4,050 kW ซึ่งบังเอิญใกล้เคียงกับคำตอบที่ถูกต้องสำหรับโรงพยาบาลบริการครบวงจรที่มีอุปกรณ์ถ่ายภาพหนัก และผิดอย่างสิ้นเชิงสำหรับอาคารเดียวกันที่ไม่มี MRI ไม่มีห้องสวนหัวใจ และเช่าพืชทำความเย็น ตารางโหลดด้านล่างคือเวอร์ชันที่อยู่รอดได้เมื่อขอบเขตงานเปลี่ยน เพราะทุกบรรทัดสามารถ traced กลับไปยังห้อง เครื่องจักร หรือแบบก่อสร้าง และเพราะผู้ผลิตที่เสนอราคาตามตารางนี้สามารถเห็นได้ว่าค่าความหลากหลายมาจากไหน

สิ่งsecond ที่ต้องเข้าใจก่อนดูตารางคือพีคของโรงพยาบาลไม่ใช่พีคของกะ โรงงานมีพีคที่ 10:00 น. และลดลง 40% ในเวลากลางคืน; โรงพยาบาลมีพีคในช่วงบ่ายแก่เมื่อชิลเลอร์ ห้องผ่าตัด และโหลดผู้มาเยี่ยมช่วงเย็นทับซ้อนกัน และลดลงเพียงประมาณ 55% ของพีคที่ 03:00 น. เพราะหอผู้ป่วย ICU อุปกรณ์ถ่ายภาพที่พร้อมเรียกใช้ IT และโรงฆ่าเชื้อยังทำงานอยู่ โปรไฟล์ที่แบนราบนี้คือเหตุผลที่หม้อแปลงในโรงพยาบาลได้รับการประเมินแตกต่างจากหม้อแปลงในโรงงานที่มี kVA เท่ากัน

มีข้อสังเกตสองประการจากตารางนี้ ประการแรก ระบบโรงงานกลางเป็นบล็อกเดี่ยวที่ใหญ่ที่สุดที่ 944 kW และเป็นบล็อกที่มักถูกละเลยจากการประเมินของผู้ว่าจ้างเองบ่อยที่สุด เพราะอยู่ในสัญญาแยกต่างหาก — ซึ่งเป็นสาเหตุที่โรงพยาบาลมักได้ชุดหม้อแปลงที่ sized สำหรับตัวอาคารเท่านั้น ไม่ใช่สำหรับอาคารบวกชิลเลอร์ ประการที่สอง กลุ่มงานภาพวินิจฉัยมีความต้องการเพียง 333 kW หรือ 8% ของทั้งหมด แต่กลับเป็นตัวกำหนดข้อกำหนดแรงดันต่ำ (LV) มากกว่ากลุ่มอื่นใดที่เป็น 8% ในอาคาร ด้วยเหตุผลที่อธิบายด้านล่าง

การใช้พลังงานรายปีคำนวณจากโปรไฟล์โหลด: 4,249 kW ที่โหลดแฟกเตอร์ 0.68 ให้ค่าเฉลี่ย 2,889 kW หรือ 25.3 GWh ต่อปี และที่ USD 0.12/kWh คิดเป็นค่าไฟฟ้า USD 3.0 ล้าน — เมื่อเทียบกับค่าสูญเสียของหม้อแปลงเองที่ 373,000 kWh หรือประมาณ USD 44,800 คิดเป็น 1.5% แม้จะเป็นเปอร์เซ็นต์เล็กน้อย แต่ก็เป็นจำนวนที่มากในแง่ค่าสัมบูรณ์ และคงที่ไปยี่สิบปี การคำนวณขนาดเองก็เหมือนกับอาคารทั่วไป; หากต้องการสูตรบรรทัดเดียวที่แปลง kVA และโหลดแฟกเตอร์เป็นตัวเลขงบประมาณ อยู่ในคู่มือสูตรการคำนวณขนาดและงบประมาณ

ทำไมชุดหม้อแปลงจึงเป็น N+1 เมื่อสาขาวิกฤตเป็น 2N?

เพราะความซ้ำซ้อนทั้งสองแบบให้สิ่งที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง หม้อแปลงที่เสียใช้เวลาแปดชั่วโมงในการเปลี่ยน และหน่วยเคลื่อนที่ใช้เวลาสองวันกว่าจะมาถึง ดังนั้นสิ่งที่ต้องการในระดับหม้อแปลงคือเส้นทางกำลังไฟฟ้าสำรอง ไม่ใช่เส้นทางที่ทำซ้ำ: สี่เครื่องโดยที่สามเครื่องสามารถรับโหลดได้ UPS ที่เสีย หรือ ATS ที่สลับไม่สำเร็จ ทำให้ห้องผ่าตัดมืดลงในระดับมิลลิวินาที และไม่มีสิ่งทดแทนแบบเคลื่อนที่ได้สำหรับโต๊ะผ่าตัดที่กำลังใช้งาน — ดังนั้นสาขาวิกฤตจึงต้องการเส้นทางที่สองที่เป็นอิสระ มีพิกัดเต็ม และมีไฟเลี้ยงและจ่ายกระแสอยู่ตลอดเวลา นั่นคือ 2N และเป็นสิ่งที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง

ผลในทางปฏิบัติคือเงินลงไปที่สวิตช์เกียร์แรงดันต่ำ ไม่ใช่หม้อแปลงลูกที่ห้า การออกแบบที่ใช้ที่นี่มีฟีดเดอร์ 11 kV สองเส้นจากสถานีย่อย 110/11 kV สองแห่งที่แตกต่างกัน หม้อแปลง 2,000 kVA สี่ลูก แผงจ่ายหลักแรงดันต่ำ 3,200 A สองแผง และบัสไทสี่ขั้ว 3,200 A ที่ปกติเปิดอยู่และปิดโดยอัตโนมัติเมื่อฟีดเดอร์เส้นใดเส้นหนึ่งขาดหาย เหนือสิ่งนั้นขึ้นไปคือองค์ประกอบ 2N: สแตติก UPS 600 kVA สองชุด แต่ละชุดสามารถรับภาระวิกฤตทั้งหมด 467 kVA ได้ สวิตช์ถ่ายโอนอัตโนมัติ (ATS) สี่ขั้วสองชุดทางฝั่งเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และฟีดเดอร์คู่จากเอาต์พุตของ UPS ไปยังแผงไอทีทางการแพทย์ของทุกห้องผ่าตัด เพื่อให้ UPS ชุดใดชุดหนึ่งสามารถถูกถอดออกเพื่อเปลี่ยนแบตเตอรี่ได้โดยไม่มีห้องผ่าตัดใดดับลงแม้แต่ห้องเดียว

สิ่งที่ 2N เปลี่ยนไปในข้อกำหนดนั้นคุ้มค่าที่จะกล่าวอย่างตรงไปตรงมา เพราะเอกสารประกวดราคามักระบุว่า "2N" แล้วกลับซื้อฮาร์ดแวร์แบบ 1N:

แถวสุดท้ายคือประเด็น ชุดหม้อแปลงแบบ 2N ทำให้เงินลงทุนในหม้อแปลงเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ทำให้กำลังสูญเสียขณะไม่มีภาระเพิ่มเป็นสองเท่า และทำให้พื้นที่ใช้สอยเพิ่มเป็นสองเท่า โดยได้ความพร้อมใช้งานที่ชุด N+1 มอบให้อยู่แล้ว เพราะโหมดความล้มเหลวที่มันป้องกัน — การสูญเสียหม้อแปลงสองลูกพร้อมกัน — ไม่ใช่สถานการณ์ที่เป็นไปได้ในอาคารที่มีฟีดเดอร์อิสระสองเส้น จงใช้เงินแบบ 2N กับสาขาที่ความล้มเหลวเกิดขึ้นในทันทีทันใด นี่คือเหตุผลที่โรงพยาบาลที่มีชุดหม้อแปลงสำรองที่สวยงามแต่มี ATS เพียงชุดเดียวจึงมีความน่าเชื่อถือน้อยกว่ากรณีตรงกันข้าม และเป็นเหตุผลที่กฎการทำงานแบบขนานมีความสำคัญในที่นี้เพียงชั่วขณะสั้น ๆ ที่บัสไทปิด: หม้อแปลงสองลูกที่ลงเอยแบบขนานกันนั้นต้องมีอิมพีแดนซ์ที่เข้าคู่กันและตำแหน่งแทปเดียวกัน มิฉะนั้นบัสไทจะรับกระแสหมุนเวียนก่อนที่จะรับภาระใด ๆ

ทำไมหน่วยจึงต้องมีพิกัดที่ 45 °C เมื่อ IEC 60076-2 สมมติฐานที่ 40 °C?

เพราะ IEC 60076-2 กำหนดกำลังพิกัดที่อุณหภูมิแวดล้อมสูงสุด 40 °C ค่าเฉลี่ยรายเดือน 30 °C และค่าเฉลี่ยรายปี 20 °C และห้องเครื่องของโรงพยาบาลในลากอส จาการ์ตา เจนไน หรือเจดดาห์ต้องเผชิญอุณหภูมิสูงกว่า 40 °C ปีละสี่เดือน หม้อแปลงที่สั่งซื้อที่ 2,000 kVA และติดตั้งในห้อง 45 °C นั้นแท้จริงคือหม้อแปลง 1,860 kVA ที่มีแผ่นป้ายบอกเป็นอย่างอื่น และช่องว่างนี้จะปรากฏเฉพาะในวันที่หน่วยที่สองถูกถอดออกเพื่อบำรุงรักษา

การลดพิกัดไม่เป็นเชิงเส้นและไม่เหมือนกันสำหรับทุกคลาสการระบายความร้อน ซึ่งเป็นเหตุผลที่ข้อกำหนดควรระบุพิกัดที่อุณหภูมิแวดล้อมของสถานที่ติดตั้ง แทนที่จะใช้กฎง่าย ๆ ภายหลัง สำหรับหน่วย ONAN ที่มีอุณหภูมิขดลวดเพิ่มขึ้นเฉลี่ย 105 K และอุณหภูมิน้ำมันด้านบนเพิ่มขึ้น 78 K อุณหภูมิแวดล้อมที่เพิ่มขึ้นทุกองศาเหนือ 40 °C จะทำให้กำลังพิกัดลดลงประมาณ 1.2% ที่จุดร้อนคงที่ ตัวเลขด้านล่างคือสิ่งที่ต้องใส่ในเอกสารประกวดราคา และการคำนวณเดียวกันนี้ได้อธิบายไว้สำหรับความสูงจากระดับน้ำทะเลในคู่มือการลดพิกัดตามความสูงและอุณหภูมิ

ที่ 50 °C การออกแบบล้มเหลว: พิกัดที่ลดลงเหลือ 94% หลังจากการล้มเหลวเพียงครั้งเดียวไม่เหลืออะไรให้กับการเติบโตของโหลด ไม่เหลืออะไรให้กับชิลเลอร์เพิ่มเติมที่ติดตั้งในปีที่สี่ และไม่เหลืออะไรให้กับการเติบโต 3–5% ต่อปีที่การอัปเกรดระบบภาพนำมา นั่นคือเหตุผลในการระบุ 45 °C และการระบุขั้นตอนการระบายความร้อนที่สอดคล้องกัน — ONAN ที่ 1,860 kVA พร้อม ONAF ที่ใช้ได้ที่ 2,325 kVA พัดลมเชื่อมโยงกับอุณหภูมิขดลวดแทนที่จะเป็นสวิตช์แบบแมนนวล ความแตกต่างระหว่างพิกัด ONAN และ ONAF และสิ่งที่แต่ละแบบส่งผลต่อเสียงรบกวนและความเสี่ยงจากการล้มเหลวของพัดลม มีอธิบายไว้ใน คู่มือวิธีการระบายความร้อนและการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ; ในที่นี้เพียงพอที่จะกล่าวว่าพัดลมเป็นความจุ 25% ที่ถูกที่สุดที่คุณสามารถซื้อได้ และพวกมันจะช่วยได้ก็ต่อเมื่อรูปแบบการควบคุมเริ่มทำงานจริง ๆ

คำถามด้านความร้อนข้อที่สองคือคำถามที่ไม่มีใครถามในเอกสารประกวดราคา: ห้องเครื่องจะร้อนแค่ไหนเมื่อการระบายอากาศล้มเหลว? การสูญเสีย 35 kW ของหม้อแปลงในห้องที่ไม่มีการไหลเวียนของอากาศจะเพิ่มอุณหภูมิอากาศอย่างไม่มีขีดจำกัดจนกระทั่งเครื่องตัดการทำงานจากอุณหภูมิขดลวด และโรงพยาบาลก็จะสูญเสียแหล่งจ่ายไฟครึ่งหนึ่งกลางการผ่าตัด การแก้ไขเป็นเรื่องทางกลมากกว่าทางไฟฟ้า — ห้องที่มีการระบายอากาศแบบบังคับ 10,500 m³/h ช่องรับอากาศที่ระดับต่ำ ช่องระบายอากาศที่ระดับสูงเหนือหม้อน้ำ และสัญญาณเตือนอุณหภูมิสูงที่แจ้งเตือนในห้องวิศวกรรมแทนที่จะเป็นบนตัวหม้อแปลงเอง

ระบบ IT ทางการแพทย์ต้องการอะไรจากหม้อแปลง และทำไมจึงไม่สามารถใช้เพียง RCD ได้?

IEC 60364-7-710 จัดประเภทสถานที่ทางการแพทย์ออกเป็นกลุ่ม 0, 1 และ 2 และกลุ่ม 2 — ห้องผ่าตัด ห้องสวนหัวใจ หอผู้ป่วยวิกฤต และห้องใด ๆ ที่การล้มเหลวของแหล่งจ่ายไฟหลักระหว่างการทำหัตถการแบบรุกล้ำเป็นอันตรายถึงชีวิต — ต้องจ่ายไฟผ่านระบบ IT ทางการแพทย์ ระบบ IT ไม่มีการเชื่อมต่อโดยตรงระหว่างตัวนำที่มีไฟกับดิน ดังนั้นความผิดพลาดครั้งแรกต่อดินจึงไม่มีกระแสไหล ไม่ตัดการทำงานใด ๆ และไม่ทำให้ห้องผ่าตัดตกอยู่ในความมืด แทนที่จะเป็นเช่นนั้น อุปกรณ์ตรวจสอบฉนวนจะวัดความต้านทานต่อดินและแจ้งเตือนที่ 50 kΩ ให้เวลาบุคลากรในการทำหัตถการให้เสร็จและเคลื่อนย้ายผู้ป่วยก่อนที่ความผิดพลาดครั้งที่สองจะเปลี่ยนครั้งแรกให้กลายเป็นการดับไฟ

สถาปัตยกรรมนั้นเปลี่ยนหม้อแปลงจากอุปกรณ์ขนาดใหญ่เป็นอุปกรณ์เฟสเดียวขนาดเล็กที่แยกโดยเจตนา แต่ละห้องหรือกลุ่มห้องกลุ่ม 2 จะมีหม้อแปลงเฟสเดียว 8 kVA ของตัวเองที่สร้างตาม IEC 61558-2-15 พร้อมขดลวดแบบมีฉนวนป้องกัน กระแสรั่วไหลต่ำพอที่จะไม่ทำให้การตรวจสอบฉนวนอิ่มตัว และลักษณะกระแสกระชากที่ไม่มีตัดการทำงานของ MCB 16 A ทุกครั้งที่จ่ายไฟให้ห้องผ่าตัด — กระแสกระชากเป็นสาเหตุปกติของการตัดการทำงานโดยไม่จำเป็นของระบบ IT ทางการแพทย์ และเป็นปัญหาในการเลือกหม้อแปลง ไม่ใช่ปัญหาเบรกเกอร์ ดังที่ คู่มือกระแสกระชากของหม้อแปลง อธิบายไว้

การออกแบบนี้ใช้ 18 ระบบ: หนึ่งระบบต่อห้องผ่าตัด (12) หนึ่งระบบต่อห้องสวนหัวใจ (2) และสี่ระบบให้บริการกลุ่ม ICU ขนาด 12 เตียง ข้อกำหนดอื่น ๆ ตามมาจากข้อกำหนดเดียวกันและเป็นสิ่งที่ผู้ตรวจสอบระบบไฟฟ้าของโรงพยาบาลจะทดสอบจริง:

• การเชื่อมสมศักย์ที่ 0.2 Ω หรือน้อยกว่า วัดระหว่างชิ้นส่วนนำไฟฟ้าที่เปิดเผยใด ๆ สองชิ้นในห้อง รวมถึงเตียงผ่าตัด เครื่องดมยาสลบ และโครงโลหะ — ค่าที่ออกแบบง่ายแต่ทำได้ยากหากการเชื่อมต่อเป็นแบบต่ออนุกรมแทนที่จะเป็นแบบดาวไปยังแถบอ้างอิงเดียว
• การแจ้งเตือนสัญญาณเตือนในตำแหน่งที่มีเจ้าหน้าที่ ไม่ใช่แค่ที่หม้อแปลง: IMD ต้องส่งสัญญาณเตือนและปุ่มทดสอบซ้ำที่โต๊ะควบคุมห้องผ่าตัดและที่ห้องวิศวกรรม เพราะจุดประสงค์ทั้งหมดคือคำเตือนที่ใครบางคนลงมือทำ
• การคืนแหล่งจ่ายไฟภายใน 0.5 วินาที สำหรับบริการด้านความปลอดภัยในสถานที่กลุ่ม 2 เครื่องกำเนิดไฟฟ้าใช้เวลา 10 วินาทีในการรับโหลด ดังนั้น 0.5 วินาทีจึงบรรลุได้ด้วย UPS และหม้อแปลง IT ทางการแพทย์ตั้งอยู่ปลายน้ำของ UPS — ซึ่งหมายความว่า UPS ไม่ใช่ความซ้ำซ้อนที่เป็นทางเลือกแต่เป็นอุปกรณ์ที่ต้องเป็นไปตามข้อกำหนด และการจัดวางแบบ 2N คือสิ่งที่ช่วยให้บำรุงรักษาแบตเตอรี่ได้โดยไม่ต้องปิดห้องผ่าตัด
• ไม่มี RCD ฝั่ง IT RCD 30 mA ในวงจรห้องผ่าตัดเป็นตัวสร้างการตัดการทำงานโดยไม่จำเป็นและขัดต่อจุดประสงค์ RCD ควรอยู่ในวงจรกลุ่ม 1 ที่เต้ารับนอกโซน IT และที่สายป้อนระบบภาพที่ผู้ผลิตกำหนดให้มี

ผลกระทบอีกประการในระดับหม้อแปลง: หม้อแปลงระบบไอทีทางการแพทย์ทั้ง 18 ลูกเป็นแบบเฟสเดียวและกระจายอยู่ทั่วอาคาร โหลดของหม้อแปลงเหล่านี้จึงไม่สมดุลโดยธรรมชาติ การออกแบบแผงแรงดันต่ำต้องกำหนดการเชื่อมต่อแต่ละลูกเข้ากับเฟสอย่างตั้งใจ — โหลดของแต่ละห้องผ่าตัดอยู่ที่ประมาณ 8 kW ดังนั้นหกห้องต่อเฟสจึงถือว่าสมดุล ห้าห้องจะเกิดความไม่สมดุล 1.6 kW ซึ่งกลายเป็นกระแสในสายนิวทรัลและองค์ประกอบลำดับลบขนาดเล็กที่หม้อแปลง ไม่ใช่เรื่องอันตราย แต่สามารถวัดได้ และเป็นสิ่งประเภทที่ทำให้รายงานการทดสอบรับมอบดูไม่รอบคอบ

ทำไม MRI และ CT จึงกำหนดการออกแบบแรงดันต่ำมากกว่าจำนวนเตียง?

MRI ขนาด 3T ดึงกำลังประมาณ 45 kW อย่างต่อเนื่องสำหรับคอมเพรสเซอร์ ชิลเลอร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ จากนั้นดึง 90–120 kVA เป็นเวลาสองถึงห้าวินาทีระหว่างลำดับการสแกน CT ดึง 50–80 kVA เป็นพัลส์ครึ่งวินาที หกสิบครั้งต่อชั่วโมง ห้อง DR ดึง 30–50 kVA เป็นเวลา 100 ms ไม่มีตัวเลขใดในนี้ที่ใหญ่เมื่อเทียบกับโรงพยาบาลขนาด 4,249 kW และทั้งหมดล้วนใหญ่เมื่อเทียบกับอิมพีแดนซ์ของเส้นทางที่จ่ายไฟให้ ซึ่งเป็นเหตุผลที่ห้องถ่ายภาพถูกกำหนดสเปกด้วยแรงดันตกไม่ใช่ด้วย kVA

การคำนวณนี้คุ้มค่าที่จะทำสักครั้ง หม้อแปลง 2,000 kVA ที่มีอิมพีแดนซ์ 6% มีอิมพีแดนซ์แหล่งจ่าย 0.0052 Ω ที่ 415 V และกระแสพิกัดคือ 2,782 A พัลส์ของ CT ที่ 80 kVA ที่เพาเวอร์แฟกเตอร์ 0.9 คือ 124 A ดังนั้นแรงดันตกที่เกิดจากหม้อแปลงเพียงอย่างเดียวคือ (124/2,782) × 6% = 0.27% เพิ่มสายเคเบิล 4 × 185 mm² ยาว 60 m ที่ 0.08 Ω/km แรงดันตกจะกลายเป็น 0.6% หากจ่าย CT เดียวกันจากแผง 400 A ที่รับโหลดลิฟต์สองตัว ห้องครัว และห้องซักรีดด้วย แรงดันตกที่วัดได้ระหว่างการสแกนจะสูงถึง 2.4% เพราะโหลดอื่น ๆ ก็เป็นพัลส์เช่นกัน — และผู้จำหน่ายอุปกรณ์ถ่ายภาพที่กำหนดสเปกว่า "แรงดันตกชั่วขณะน้อยกว่า 3%" ตอนนี้ห่างจากการเรียกช่างเพียงการสตาร์ทลิฟต์หนึ่งครั้ง

ข้อกำหนดที่ตามมาจึงสั้นและต่อรองไม่ได้: ทุกห้องถ่ายภาพได้รับฟีดเดอร์เฉพาะจากแผงจ่ายหลักแรงดันต่ำ ไม่ใช่จากแผงจ่ายประจำชั้น MRI ได้รับหม้อแปลงแคสต์เรซิน 250 kVA ของตัวเองหรือฟีดเดอร์ 400 A เฉพาะที่มีพิกัด K-13; ค่า K-factor มีความสำคัญเพราะกระแสของวงจรเรียงกระแสในอุปกรณ์ถ่ายภาพอุดมไปด้วยฮาร์มอนิกอันดับ 5 และ 7 และการสูญเสียจากกระแสไหลวนของหม้อแปลงมาตรฐานจะเพิ่มขึ้นเร็วกว่าพิกัดกำลัง ซึ่งเป็นสิ่งที่คู่มือการเลือก K-factorหาปริมาณไว้อย่างแม่นยำ; สายนิวทรัลถูกกำหนดขนาดไว้ที่ 200% ของเฟส เพราะวงจรเรียงกระแสเดียวกันผลิตฮาร์มอนิกทริเพลนที่บวกเพิ่มในสายนิวทรัลแทนที่จะหักล้างกัน

ข้อกำหนดทางกายภาพสองประการมักถูกลืมจนกระทั่งอุปกรณ์มาถึง MRI ต้องมีท่อ quench ระบายสู่อากาศภายนอก ซึ่งกำหนดขนาดโดยผู้จำหน่ายและต้องเดินท่อก่อนเทแผ่นพื้นโครงสร้าง และต้องมีเขตปลอดภัย 3 m สำหรับสนามแม่เหล็กที่ห้ามมีหม้อแปลง UPS หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเข้าไปอยู่ในนั้น ห้อง CT และ DR ต้องให้หม้อแปลงและฟีดเดอร์อยู่ภายนอกเปลือกป้องกัน เพราะเกราะป้องกันความถี่วิทยุเป็นกรงฟาราเดย์ขนาดเท่าห้อง และสายเคเบิลที่เข้าสู่ภายในต้องผ่านจุดทะลุที่มีตัวกรอง สิ่งเหล่านี้เป็นประเด็นในแบบก่อสร้าง แต่เป็นตัวกำหนดว่าสถานีไฟฟ้าย่อยจะอยู่ที่ใด และสถานีไฟฟ้าย่อยที่จบลงห่างออกไป 40 m มากกว่าที่วางแผนไว้มีต้นทุนสายเคเบิลสูงกว่าต้นทุนหม้อแปลงทั้งหมด

โรงพยาบาลผลิตความเพี้ยนฮาร์มอนิกมากแค่ไหนจริง ๆ และเกิน IEEE 519 จริงหรือ?

ใช่ และสิ่งที่น่าประหลาดใจคือมันมาจากไหน โรงพยาบาลไม่ใช่เตาอาร์กไฟฟ้า ความเพี้ยนคือผลรวมของสามสิ่งธรรมดา — วงจรเรียงกระแสของ UPS วงจรเรียงกระแสของอุปกรณ์ถ่ายภาพ และ VFD ของชิลเลอร์ — ซึ่งแต่ละอย่างยอมรับได้เมื่อแยกกัน แต่เมื่อรวมกันแล้วเกินขีดจำกัด ที่ 415 V กระแสพื้นฐานทั้งหมดที่ความต้องการสูงสุดคือ 6,717 A ในจำนวนนี้ประมาณ 2,578 A (38%) ไหลผ่านส่วนหน้าของวงจรที่ไม่เป็นเชิงเส้น และแต่ละประเภทมีลายเซ็นฮาร์มอนิกของตัวเอง

ที่จุดเชื่อมต่อร่วม 11 kV กระแสพื้นฐานคือ 253 A และกระแสลัดวงจรคือ 13.1 kA อัตราส่วน I_sc/I_L เท่ากับ 52 IEEE 519-2014 ตารางที่ 2 อนุญาตให้มีความเพี้ยนของความต้องการรวม 8.0% สำหรับระบบ 1–69 kV ในช่วงอัตราส่วนนั้น ดังนั้น 9.1% จึงเป็นการเกินขีดจำกัดจริง — ไม่ใช่ข้อผิดพลาดจากการปัดเศษ และไม่ใช่สิ่งที่การไฟฟ้าจะเพิกเฉยหากเริ่มเกิดความเสียหายของแบตเตอรี่คาปาซิเตอร์บนฟีดเดอร์เดียวกัน

วิธีแก้ไขนั้นถูกกว่าเมื่อเทียบกับทางเลือกอื่นอย่างตั้งใจ รีแอคเตอร์ไลน์ 4% บน VFD ทุกตัวช่วยลดการมีส่วนร่วมของไดรฟ์จาก 35% เหลือ 22% ของกระแสไดรฟ์ และตัวกรองแบบแอคทีฟ 300 A บนแผงหลักแรงดันต่ำแต่ละแผงจะกำจัดฮาร์มอนิกที่ 5 และ 7 ที่เหลืออยู่ที่ต้นทาง ผลที่วัดได้คือ TDD 5.6% ซึ่งอยู่ในขีดจำกัด 8.0% อย่างสบาย และที่มีประโยชน์กว่าคืออยู่ภายใน 5% ที่ผู้จำหน่ายอุปกรณ์ถ่ายภาพส่วนใหญ่กำหนดไว้อย่างเงียบๆ แบงก์ตัวเก็บประจุ หากโรงพยาบาลต้องการแก้ไขตัวประกอบกำลัง (และที่ 0.88 ก็ควรทำ) จะต้องดีจูนที่ 7% — แบงก์ธรรมดาบนโหลดไม่เชิงเส้น 38% จะเกิดเรโซแนนซ์กับฮาร์มอนิกที่ 5 และเสียหายภายในสองปี ซึ่งเป็นหนึ่งในบทเรียนที่แพงที่สุดในแพ็กเกจไฟฟ้าทั้งหมด และครอบคลุมจากด้านหม้อแปลงในคู่มือฮาร์มอนิก

ตัวเลขหนึ่งที่ต้องเพิ่มในเอกสารประกวดราคาซึ่งแทบไม่เคยมี: การลดพิกัดของหม้อแปลงเองภายใต้โหลดที่ไม่ใช่ไซน์ ตาม IEEE C57.110 หน่วย 2,000 kVA ที่รับ TDD 9.1% ไม่จำเป็นต้องลดพิกัดที่ระดับนั้น แต่หน่วย 2,000 kVA ที่รับโหลดอุปกรณ์ถ่ายภาพเพียงอย่างเดียว — ภาระ K-13 ปริมาณฮาร์มอนิก 40% — จำเป็น และผู้ผลิตควรระบุค่า K-factor แทนที่จะปล่อยให้โรงพยาบาลสมมติว่าเป็น 1.0

เกิดอะไรขึ้นกับหม้อแปลงเมื่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเข้ามารับภาระ?

ไม่มีอะไรรุนแรง หากการถ่ายโอนได้รับการออกแบบก่อนที่จะซื้อสวิตช์เกียร์ โหลดที่จำเป็นในที่นี้คือ 1,560 kW — 380 kW เป็นความปลอดภัยต่อชีวิต (ปั๊มดับเพลิง ระบบระบายควัน ไฟทางหนีไฟ สัญญาณเตือน) และ 1,180 kW เป็นโหลดวิกฤต (ห้องผ่าตัด ICU อุปกรณ์ถ่ายภาพบนระบบจำเป็น IT ธนาคารเลือด NICU) — และให้บริการโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล 1,000 kW สามเครื่องในแบบ N+1 โดยแต่ละเครื่องรับภาระ 52% ในสแตนด์บายปกติ และ 78% เมื่อเครื่องหนึ่งออกไปซ่อมบำรุง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าไม่ได้จ่ายให้ชิลเลอร์: ชิลเลอร์ 700 kW คือโหลดมอเตอร์ 630 kW ซึ่งจะทำให้ขนาดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นสองเท่าสำหรับโหลดที่โรงพยาบาลอยู่ได้โดยไม่มีเป็นเวลาสองชั่วโมง ดังนั้นจึงมีเพียงชิลเลอร์สกรอลล์ 250 kW หนึ่งเครื่องบนบัสจำเป็น เพียงพอสำหรับห้องผ่าตัดและ ICU

ลำดับการถ่ายโอนคือสิ่งที่กำหนดว่าห้องผ่าตัดจะยังมีไฟสว่างหรือไม่ เมื่อสายป้อนทั้งสองขาด ATS ที่แผงหลักแรงดันต่ำจะถ่ายโอนภายใน 10 วินาที ซึ่งเป็นสิ่งที่ NFPA 110 Type 10 กำหนด และเป็นสิ่งที่เครื่องดีเซลต้องการในการสตาร์ท ไปถึงความเร็วพิกัด และรับภาระ สิบวินาทีเป็นเวลาที่ยาวนานมากสำหรับเครื่องช่วยหายใจ ดังนั้น UPS จึงจ่ายให้สาขาวิกฤตในช่วงสิบวินาทีนั้นและในช่วง 10 นาทีที่ใช้ในการยืนยันว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเสถียร — แบตเตอรี่ 2 × 600 kVA ขนาดสำหรับ 10 นาทีที่โหลด 78% เพราะนานพอที่จะสตาร์ทเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและสั้นพอที่จะทำให้ห้องแบตเตอรี่มีขนาดเล็ก จากนั้นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะรับภาระบล็อก 1,560 kW: ที่ 52% ของกำลังติดตั้ง นี่คือการรับภาระแบบขั้นตอนเดียวสำหรับชุดที่มีเอ็กไซเตอร์แบบแม่เหล็กถาวร และเป็นการรับภาระแบบสองขั้นตอนหากชุดมีอายุมากกว่าหรือโหลดรวมถึงชิลเลอร์ 250 kW ที่สตาร์ทแบบต่อตรง

รายละเอียดสามประการเป็นตัวกำหนดว่าสิ่งนี้จะทำงานได้หรือไม่:

• ATS แบบสี่ขั้วพร้อมนิวทรัลแบบสวิตช์ ระบบ IT ทางการแพทย์เป็นแหล่งกำเนิดที่แยกได้โดยอิสระ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าก็เป็นอีกแหล่งหนึ่ง หากนิวทรัลไม่ถูกสวิตช์ กระแสนิวทรัลของทั้งสองระบบจะใช้เส้นทางร่วมกัน การตรวจสอบฉนวนจะเห็นความผิดพลาดลงดินที่ไม่มีอยู่จริง และห้องผ่าตัดจะส่งสัญญาณเตือนตอนตี 3 โดยไม่มีสาเหตุ ขั้วนี้มีราคา 4,000 USD และการเรียกกลับมามีราคาแพงกว่า
• ห้ามป้อนไฟย้อนกลับเข้าหม้อแปลง ATS ต้องอยู่ทางด้านแรงดันต่ำและมีการอินเตอร์ล็อกเชิงกล เพื่อให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าไม่สามารถจ่ายไฟให้หม้อแปลงที่การไฟฟ้าตัดแยกไว้ได้ — การป้อนย้อนกลับเข้าสายป้อน 11 kV เป็นเหตุการณ์ที่ทำให้อาชีพจบลง และการอินเตอร์ล็อกเป็นอุปกรณ์เชิงกล ไม่ใช่บรรทัดลอจิก PLC
• การต่อลงดินที่คงเป็น TN-S ตลอดการถ่ายโอน แท่งเชื่อมสมศักย์หลักของโรงพยาบาลเป็นจุดอ้างอิงสำหรับระบบ IT ทางการแพทย์ UPS และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า หากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต่อลงดินแยกและนิวทรัลถูกสวิตช์ แท่งเชื่อมสมศักย์ยังต้องเชื่อมระบบดินทั้งสองเข้าด้วยกันที่จุดเดียวเท่านั้น มิฉะนั้นข้อกำหนดสมศักย์ 0.2 Ω ในห้องผ่าตัดจะไม่สามารถบรรลุได้ การจัดวางและข้อควรระวังระบุไว้ในคู่มือระบบต่อลงดินแรงดันต่ำ

เชื้อเพลิงคือการตัดสินใจเรื่องขนาดครั้งสุดท้ายและเป็นสิ่งที่มักถูกตัดในการวิศวกรรมคุณค่า 1,560 kW เป็นเวลา 72 ชั่วโมงที่ 0.21 kg/kWh คือดีเซล 23.6 ตัน หรือประมาณ 28,000 ลิตร ซึ่งหมายถึงถัง 15,000 ลิตรสองถังในห้องที่มีกำแพงกั้นและมีอัตราการทนไฟ ไม่ใช่ถังประจำวัน 5,000 ลิตรกับคำสัญญา โรงพยาบาลที่น้ำมันหมดในชั่วโมงที่เก้าก็ได้ซื้อเหตุการณ์ไฟดับแบบเดียวกับที่พยายามหลีกเลี่ยง

แบบจุ่มน้ำมันหรือแบบแห้งหล่อเรซินสำหรับโรงพยาบาล?

โดยแทบทุกกรณีจะใช้ชนิดหล่อเรซินแห้ง และเหตุผลคือสถานที่ติดตั้งมากกว่าสมรรถนะทางไฟฟ้า ศูนย์โหลดของโรงพยาบาลอยู่ในชั้นใต้ดินและชั้นสี่ ใกล้ห้องผ่าตัดและหอผู้ป่วย และหม้อแปลงชนิดเติมน้ำมันที่ติดตั้งภายในอาคารต้องมีห้องกันไฟ บ่อกักเก็บน้ำมัน ผนังกันไฟ 3 ชั่วโมง และในเขตอำนาจส่วนใหญ่ต้องมีระบบดับเพลิง — ทั้งหมดนี้มีต้นทุนสูงกว่าส่วนต่างราคาระหว่างสองเทคโนโลยี และยังกินพื้นที่ใช้สอยที่โรงพยาบาลไม่มี หน่วยหล่อเรซินตาม IEC 60076-11 ที่มีระดับการป้องกันไฟ F1 ระดับสิ่งแวดล้อม E2 และระดับภูมิอากาศ C2 จะไม่ลุกลามไฟ ทนต่อการควบแน่นที่ความชื้น 100% และทำงานที่ −25 °C ซึ่งเป็นเหตุผลที่มันเป็นตัวเลือกเริ่มต้นสำหรับการติดตั้งภายในอาคาร

ด้านเศรษฐศาสตร์จะเอื้อต่อชนิดน้ำมันก็ต่อเมื่อสามารถติดตั้งหม้อแปลงภายนอกอาคารได้ สำหรับการออกแบบนี้ หน่วยในห้องเครื่องเป็นชนิดหล่อเรซิน 2,000 kVA ที่ 11/0.415 kV และการเปรียบเทียบที่พิกัดดังกล่าวให้ข้อคิดที่เป็นประโยชน์: หน่วยน้ำมัน ONAN ที่ค่าสูญเสียระดับ S13 มีราคาประมาณ USD 54,600 และหน่วยหล่อเรซินที่มีค่าสูญเสียเท่ากันมีราคาประมาณ USD 92,000 ดังนั้นส่วนต่างราคาของชนิดแห้งคิดเป็นประมาณ USD 150,000 สำหรับสี่หน่วย เมื่อเทียบกับทางเลือกชนิดน้ำมันที่ต้องมีอาคารสถานีย่อยแยกต่างหาก กำแพงกันไฟ บ่อน้ำมันที่มีคันกั้น และแนวเดินสายแรงดันต่ำที่ยาวกว่า — โดยทั่วไปอยู่ที่ USD 180,000–250,000 ในงานก่อสร้าง — ชนิดแห้งจึงชนะในแง่ต้นทุนรวม ขณะเดียวกันก็ตัดรายการบำรุงรักษาเกี่ยวกับการจัดการน้ำมันออกจากสถานที่ที่ไม่มีทีมบำรุงรักษาไฟฟ้าของตนเอง หากโรงพยาบาลมีลานและสามารถวางชุดหม้อแปลงภายนอกอาคารได้ การคำนวณจะพลิกกลับและชนิดน้ำมันเป็นตัวเลือกที่ดีกว่า กฎการตัดสินใจคือสถานที่ติดตั้ง ไม่ใช่ความชอบทางเทคโนโลยี คู่มือการเลือกชนิดน้ำมันเทียบกับชนิดแห้ง อธิบายการแลกเปลี่ยนแบบเดียวกันนี้สำหรับอาคารอุตสาหกรรม

มีข้อควรระวังสองประการที่ต้องระบุในข้อกำหนด หน่วยหล่อเรซินมีความทนทานต่อกระแสลัดวงจรต่อหน่วยราคาต่ำกว่าและมีค่าความคลาดเคลื่อนของอิมพีแดนซ์สูงกว่า ดังนั้นพิกัดกระแสลัดวงจรผ่านต้องระบุเทียบกับกระแสลัดวงจรที่ใช้ได้ 46.4 kA ที่ขั้วต่อ 415 V — ไม่ใช่การสันนิษฐาน และหม้อแปลงหล่อเรซินมีเสียงดังต่อ kVA มากกว่าหน่วยน้ำมันที่ความหนาแน่นฟลักซ์เท่ากัน ซึ่งเป็นคำถามถัดไป

หม้อแปลงดังได้แค่ไหนก่อนที่จะรบกวนหอผู้ป่วย?

เงียบกว่าที่มาตรฐานอนุญาต หน่วยน้ำมัน ONAN ขนาด 2,000 kVA วัดได้ประมาณ 62 dB(A) ที่ระยะ 1 m ส่วนหน่วยหล่อเรซินที่เทียบเท่ากันจะสูงกว่า 3–5 dB ที่ 66 dB(A) แนวทางของ WHO สำหรับหอผู้ป่วยในโรงพยาบาลคือ 35 dB(A) ในเวลากลางคืน และ 30 dB(A) ในห้องที่ผู้ป่วยนอนหลับ ดังนั้นจึงไม่สามารถปฏิบัติต่อหม้อแปลงเสมือนอุปกรณ์โรงงานภายนอกอาคารที่มีพิกัดที่ 1 m แล้วลืมไปได้ ระยะทางและมวลเป็นตัวทำงาน: ระดับความดันเสียงลดลง 6 dB ทุกครั้งที่ระยะทางเพิ่มเป็นสองเท่า และผนังคอนกรีตหนา 200 mm ระหว่างห้องเครื่องกับหอผู้ป่วยให้การลดทอน 40–45 dB ซึ่งเปลี่ยน 66 dB(A) ที่แหล่งกำเนิดให้ต่ำกว่าระดับเสียงพื้นของระบบระบายอากาศ

สิ่งที่หมายถึงในทางปฏิบัติคือกฎการเลือกสถานที่ติดตั้งมากกว่าข้อกำหนดของผลิตภัณฑ์: ห้ามมีหม้อแปลงอยู่ใต้หรือข้าง ICU, NICU หรือห้องผู้ป่วยโดยตรง ห้องเครื่องต้องอยู่บนพื้นโครงสร้างที่มีรายละเอียดการแยกเสียง ใช้ข้อต่อแบบยืดหยุ่นและตัวรองรับแบบสปริงใต้หน่วย เพราะการสั่นสะเทือนที่ส่งผ่านโครงสร้างที่ 100 Hz เดินทางผ่านโครงคอนกรีตได้ไกลกว่าเสียงในอากาศที่ผ่านผนัง และข้อกำหนดที่เรียกร้อง 58 dB(A) ที่ 1 m แทนขีดจำกัด IEC 60076-10 ซึ่งเป็นค่าสูงสุดไม่ใช่ค่าเป้าหมาย วิธีการวัด ผลของความหนาแน่นฟลักซ์ในแกน และความแตกต่างระหว่างกำลังเสียงกับความดันเสียงมีอธิบายไว้ในคู่มือระดับเสียง ส่วนสิ่งที่เพิ่มเติมเฉพาะโรงพยาบาลคือข้อร้องเรียนเรื่องเสียงในโรงพยาบาลมาจากเจ้าหน้าที่ในกะกลางคืน และหม้อแปลงที่ยอมรับได้ตอน 10:00 น. ก็ไม่ใช่สิ่งที่ยอมรับได้ตอน 03:00 น.

การระบายอากาศและเสียงจึงขัดแย้งกัน: ห้องเครื่องต้องการ 10,500 m³/h เพื่อระบายความร้อนจากการสูญเสีย 35 kW ที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 10 K และเส้นทางการไหลของอากาศขนาดนั้นคือจุดรั่วของเสียง แนวทางแก้คือใช้เพลนัมบุวัสดุซับเสียงที่มีข้องอ 90° สองจุดและตัวลดเสียงที่ออกแบบตามพัดลม ไม่ใช่ใช้บานเกล็ดที่เปิดตรงสู่ทางเดิน — รายละเอียดที่ต้องใช้เงิน USD 15,000 ตอนก่อสร้าง และ USD 150,000 หากต้องแก้ไขย้อนหลัง

การทำงานตลอด 24 ชั่วโมงส่งผลต่อการประเมินค่าสูญเสียอย่างไร?

มันทำให้ค่าสูญเสียขณะไม่มีโหลดกลายเป็นพจน์หลัก และทำให้คำแนะนำทั่วไปที่ว่า "แกนอสัณฐานประหยัดพลังงาน" กลายเป็นคำแนะนำที่ผิด โรงพยาบาลทำงาน 8,760 ชั่วโมงต่อปีที่ตัวประกอบโหลด 0.68 ดังนั้นชั่วโมงเทียบเท่าโหลดเต็มพิกัดสำหรับค่าสูญเสียขณะมีโหลดคือ 8,760 × 0.68² = 4,050 ขณะที่ค่าสูญเสียขณะไม่มีโหลดเกิดขึ้นทุกชั่วโมงตลอด 8,760 ชั่วโมง ที่ USD 0.12/kWh ค่าสูญเสียขณะไม่มีโหลดมีมูลค่า 8,760 × 0.12 = USD 1,051 ต่อ kW ต่อปี และค่าสูญเสียขณะมีโหลด USD 444 ต่อ kW ต่อปี — อัตราส่วน 2.4:1 ที่ไม่มีโรงงานใดเทียบได้

อ่านแถวที่สองและแถวที่สามประกอบกัน เพราะเป็นส่วนที่ขัดกับสัญชาตญาณ S13 ประหยัดค่าสูญเสียขณะไม่มีโหลดได้ 0.45 kW และค่าสูญเสียขณะมีโหลดได้ 0.7 kW เมื่อเทียบกับ S11 คิดเป็นมูลค่า USD 813 ต่อหน่วยต่อปี ซึ่งชดเชยส่วนต่างราคา USD 2,600 ได้ภายใน 3.2 ปี — เป็นการซื้อที่คุ้มค่าอย่างชัดเจน แกนอสัณฐานประหยัดค่าสูญเสียขณะไม่มีโหลดได้อีก 0.6 kW คิดเป็นมูลค่า USD 631 ต่อหน่วยต่อปี แต่เพิ่มค่าสูญเสียขณะมีโหลดขึ้น 1.4 kW ซึ่งที่ชั่วโมงการทำงานเทียบเท่า 4,050 ชั่วโมง คิดเป็น USD 680 — ขาดทุนสุทธิ USD 49 ต่อหน่วยต่อปี ในโรงพยาบาล ส่วนต่างราคาของแกนอสัณฐานที่ USD 5,500 ต่อหน่วยไม่สามารถชดเชยคืนได้เลย เพราะโหลดแฟกเตอร์สูงพอที่ค่าสูญเสียขณะมีโหลดจะมีความสำคัญเท่ากับค่าสูญเสียขณะไม่มีโหลด ในสถานีย่อยที่จ่ายไฟให้สายป้อนที่พักอาศัยที่โหลดแฟกเตอร์ 0.25 คำตอบจะกลับกัน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการเปรียบเทียบระดับการสูญเสียจึงต้องคำนวณใหม่สำหรับโหลดโปรไฟล์แต่ละแบบ แทนที่จะคัดลอกจากโบรชัวร์

ถ้อยคำในเอกสารประกวดราคาที่รองรับเรื่องนี้คือข้อกำหนดการประเมินค่าสูญเสีย ไม่ใช่ระดับชั้นประสิทธิภาพ: ระบุค่าที่ใช้คิดเป็นตัวเงิน (USD 1,051/kW สำหรับค่าสูญเสียขณะไม่มีโหลด, USD 444/kW สำหรับค่าสูญเสียขณะมีโหลด) แล้วให้ค่าสูญเสียของผู้ยื่นข้อเสนอแต่ละรายถูกตีเป็นราคา ผู้ยื่นข้อเสนอที่เสนอแกนราคาถูกกว่าก็จะแพ้การประเมินด้วยตัวเลข ไม่ใช่ด้วยความเห็น และผู้ซื้อไม่ต้องโต้เถียงว่าระดับชั้นประสิทธิภาพใดจึงจะ "เพียงพอ" วิธีการเดียวกันนี้ เมื่อนำไปใช้กับระยะเวลาครอบครองเต็มรูปแบบแทนที่จะพิจารณาเฉพาะค่าสูญเสีย อยู่ในคู่มือต้นทุนรวมความเป็นเจ้าของ

ข้อกำหนดหม้อแปลงควรระบุอะไรบ้าง?

สิบสองบรรทัด แต่ละบรรทัดมีเหตุผล และไม่มีบรรทัดใดเป็นการคัดลอกข้อกำหนดมาตรฐานมาใส่เพื่อความสวยงาม ข้อกำหนดที่เขียนในลักษณะนี้ยังสั้นพอที่ผู้ยื่นข้อเสนอจะไม่สามารถตอบด้วยโบรชัวร์ได้

สองข้อกำหนดที่ไม่เกี่ยวกับตัวหม้อแปลงแต่ควรอยู่ในเอกสารเดียวกัน: ทั้งสี่เครื่องต้องใช้แทนกันได้ ซึ่งหมายถึงอิมพีแดนซ์ที่จับคู่กันและช่วงแทปที่เหมือนกัน และสายเคเบิล 11 kV ต้องเลือกขนาดให้รองรับกระแสของไท ไม่ใช่ขนาดตามพิกัดของหม้อแปลงแต่ละเครื่อง — เพราะในขณะที่บัสไทปิดวงจร สายป้อนหนึ่งเส้นจะรับภาระของสามเครื่องผ่านสายเคเบิลที่สั่งซื้อสำหรับหนึ่งเครื่อง ข้อผิดพลาดนี้จะปรากฏขึ้นตอนทดสอบระบบ เมื่อทดสอบไทภายใต้โหลดแล้วอุณหภูมิสายเคเบิลเพิ่มขึ้นเร็วกว่าที่การคำนวณระบุไว้

ชุดงานระบบไฟฟ้ามีต้นทุนเท่าไร และสี่ข้อผิดพลาดใดมีต้นทุนสูงที่สุด?

สำหรับโรงพยาบาลขนาด 300 เตียงในขอบเขตนี้ โครงสร้างพื้นฐานระบบไฟฟ้าทั้งหมด — หม้อแปลง, สวิตช์เกียร์ 11 kV, ตู้จ่ายแรงดันต่ำ, เครื่องกำเนิดไฟฟ้า, UPS, ระบบไอทีทางการแพทย์, ฟิลเตอร์ และงานเดินสาย — มีมูลค่ารวมประมาณ USD 1.45–1.60 ล้าน หรือประมาณ 1.2% ของงบประมาณก่อสร้าง USD 120 ล้าน ตารางด้านล่างคือเวอร์ชันที่ลูกค้าสามารถตรวจสอบได้ทีละรายการ

ข้อผิดพลาดสี่ประการที่สร้างความเสียหายมากที่สุดไม่ใช่เรื่องแปลกประหลาด และสามในนั้นมองไม่เห็นจนกว่าอาคารจะเปิดใช้งาน:

• การเลือกขนาดที่ 40 °C ดูเหมือนจะประหยัดต้นทุนหม้อแปลงได้ 7% และลดความจุลง 140 kVA ต่อเครื่อง ซึ่งเป็นระยะเผื่อที่การจัดแบบ N+1 ต้องการพอดี ในห้องเครื่องที่อุณหภูมิ 45 °C การออกแบบที่ทำงานที่ 87% เมื่อเครื่องหนึ่งเสีย จะกลายเป็นการทำงานที่ 94% และทริปในบ่ายที่อากาศร้อนจัด
• ฟีดเดอร์ 11 kV เพียงเส้นเดียว ฟีดเดอร์เส้นที่สองจากสถานีย่อยอื่นมีค่าใช้จ่าย 250,000–400,000 ดอลลาร์สหรัฐ ขึ้นอยู่กับระยะทาง และเป็นสิ่งเดียวที่ป้องกันความผิดพลาดของสายเคเบิลจากการไฟฟ้า โรงพยาบาลที่มีฟีดเดอร์เส้นเดียวและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามเครื่อง คือโรงพยาบาลที่ต้องทดสอบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจริงตอนตี 02:00 กลางการคลอด
• ATS หนึ่งตัวที่มีนิวทรัลแบบสามขั้ว การประหยัด 22,000 ดอลลาร์สหรัฐตรงนี้ก่อให้เกิดสัญญาณเตือนฉนวนรบกวนในทุกห้องผ่าตัด ช่างไฟฟ้าที่หาจุดผิดพลาดไม่พบ และสุดท้ายก็มีการบายพาสสัญญาณเตือน ซึ่งเป็นผลลัพธ์ที่แย่ที่สุด เพราะสัญญาณเตือนระบบ IT ทางการแพทย์ที่ถูกบายพาสจะเปลี่ยนระบบที่มีการเฝ้าระวังให้กลายเป็นระบบที่ไม่มีการเฝ้าระวัง
• ชุดตัวเก็บประจุแบบธรรมดา เมื่อมีโหลดไม่เป็นเชิงเส้น 38% ชุดตัวเก็บประจุ 600 kVAr ที่ไม่ได้ติดตั้งดีทูนนิ่งจะกลายเป็นวงจรเรโซแนนซ์ที่ปรับใกล้ฮาร์มอนิกที่ 5 มันจะเสียหาย จะเสียหายในสองฤดูร้อนแรก และจะพาคอนแทคเตอร์และฟิวส์ไปด้วย รีแอคเตอร์ดีทูนมีราคาแพงกว่า 12% และเปลี่ยนชุดตัวเก็บประจุให้กลายเป็นฟิลเตอร์

ไม่มีข้อใดเป็นปัญหาการผลิต และไม่มีข้อใดแก้ไขได้ด้วยการซื้อหม้อแปลงที่ดีกว่า ทั้งหมดเป็นการตัดสินใจในช่วงสี่สัปดาห์ที่มีการเขียน single-line diagram ซึ่งเป็นเหตุผลว่าสิ่งที่มีประโยชน์ที่สุดที่โรงพยาบาลทำได้คือส่ง load schedule และ redundancy statement ให้ผู้ผลิต แทนที่จะส่งตัวเลข kVA — และเป็นเหตุผลว่าทำไมคำถามใน รายการตรวจสอบการตรวจประเมินผู้จัดจำหน่าย จึงควรถามก่อนออกใบสั่งซื้อ ไม่ใช่หลังการทดสอบรับรองจากโรงงาน

การออกแบบในบทความนี้จงใจอนุรักษ์นิยม: สี่เครื่องในขณะที่สามเครื่องก็รับโหลดได้ การรับพิกัดที่ 45 °C ในขณะที่มาตรฐานอนุญาต 40, UPS ที่ใหญ่กว่าโหลดวิกฤต และฟิลเตอร์ที่มีราคาแพงกว่าที่ขีดจำกัดฮาร์มอนิกกำหนด ทุกทางเลือกเหล่านั้นซื้อสิ่งที่โรงพยาบาลไม่สามารถซื้อได้ในภายหลัง — นั่นคือเวลา ชุดหม้อแปลงที่ทำงานที่ 60% และสาขาวิกฤตที่สามารถสูญเสียองค์ประกอบใดก็ได้เพียงชิ้นเดียวโดยไม่ทำให้ห้องผ่าตัดมืดลง ไม่ใช่การออกแบบเกินความจำเป็น แต่เป็นโครงแบบขั้นต่ำสำหรับอาคารที่ไม่ได้รับอนุญาตให้ปิด

Sources / 资料来源

ที่มา: IEC 60076-1 — หม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง: ทั่วไป (พิกัด ค่าความคลาดเคลื่อน การทดสอบตามปกติ)
ที่มา: IEC 60076-2 — หม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง: การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิสำหรับหม้อแปลงชนิดจุ่มในของเหลว (อุณหภูมิแวดล้อมสูงสุด 40 °C อ้างอิงรายเดือน 30 °C อ้างอิงรายปี 20 °C)
ที่มา: IEC 60076-3 — หม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง: ระดับฉนวน การทดสอบไดอิเล็กทริก และระยะห่างภายนอกในอากาศ
ที่มา: IEC 60076-5 — หม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง: ความสามารถในการทนต่อกระแสลัดวงจร
ที่มา: IEC 60076-7 — หม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง: แนวทางการโหลดสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังชนิดจุ่มในน้ำมันแร่
ที่มา: IEC 60076-10 — หม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง: การหาค่าระดับเสียง
ที่มา: IEC 60076-11 — หม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง: หม้อแปลงชนิดแห้ง (ระดับการป้องกันอัคคีภัย F1 ระดับสิ่งแวดล้อม E2 ระดับภูมิอากาศ C2)
ที่มา: IEC 60076-20 — หม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง: ประสิทธิภาพพลังงาน
ที่มา: IEC 60364-7-710 — การติดตั้งระบบไฟฟ้าแรงดันต่ำ: ข้อกำหนดสำหรับการติดตั้งหรือสถานที่พิเศษ — สถานที่ทางการแพทย์ (การจำแนกกลุ่ม 0/1/2 ระบบ IT สำหรับการแพทย์ การตรวจสอบภาวะฉนวน การเชื่อมต่อศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน)
ที่มา: IEC 61558-2-15 — ความปลอดภัยของหม้อแปลงไฟฟ้า: ข้อกำหนดเฉพาะและการทดสอบสำหรับหม้อแปลงแยกสำหรับการจ่ายไฟให้สถานที่ทางการแพทย์
ที่มา: IEC 60909-0 — กระแสลัดวงจรในระบบไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟส: การคำนวณกระแส
ที่มา: IEC 61000-3-6 — ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า: การประเมินขีดจำกัดการปล่อยสำหรับโหลดที่บิดเบือนในระบบไฟฟ้าแรงกลางและแรงสูง
ที่มา: IEEE 519-2014 — แนวปฏิบัติและข้อกำหนดที่แนะนำสำหรับการควบคุมฮาร์มอนิกในระบบไฟฟ้ากำลัง (ตารางที่ 2, 1 kV < V ≤ 69 kV)
ที่มา: IEEE C57.110 — แนวปฏิบัติที่แนะนำสำหรับการกำหนดความสามารถของหม้อแปลงเมื่อจ่ายกระแสโหลดที่ไม่ใช่ไซน์
ที่มา: IEEE 602 — แนวปฏิบัติที่แนะนำสำหรับระบบไฟฟ้าในสถานพยาบาล
ที่มา: NFPA 99 — ประมวลข้อกำหนดสถานพยาบาล (ระบบไฟฟ้าจำเป็น การจัดวางแบบ type 1 และ type 2)
ที่มา: NFPA 110 — มาตรฐานสำหรับระบบไฟฟ้าฉุกเฉินและระบบไฟฟ้าสแตนด์บาย (Type 10, การถ่ายโอน 10 วินาที)
ที่มา: WHO Guidelines for Community Noise — ขีดจำกัดที่แนะนำสำหรับเวลากลางคืนที่ 35 dB(A) ในหอผู้ป่วยโรงพยาบาล
ที่มา: ประสบการณ์ในอุตสาหกรรม — ความหนาแน่นของโหลดต่อเนื่องที่ 4–6 kW ต่อเตียง และ 55–70 kW ต่อห้องผ่าตัด สำหรับโรงพยาบาลที่ให้บริการครบวงจรในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้และตะวันออกกลาง ปี 2019–2025
ที่มา: ประสบการณ์ในอุตสาหกรรม — ค่าแรงดันไฟฟ้าตกชั่วขณะที่วัดได้ 2.0–3.0% บนตู้จ่ายไฟแรงดันต่ำร่วมที่จ่ายให้โหลด CT และลิฟต์ เทียบกับ 0.5–0.8% บนสายป้อนเฉพาะสำหรับเครื่องถ่ายภาพ จากบันทึกการทดสอบ commissioning ของโรงพยาบาลในอินโดนีเซีย เวียดนาม และซาอุดีอาระเบีย ปี 2021–2025
ที่มา: ประสบการณ์ในอุตสาหกรรม — ส่วนต่างราคาระหว่างชนิดหล่อเรซินและชนิดจุ่มน้ำมัน และมูลค่าการประเมินการสูญเสียของโครงการที่ USD 400–1,100 ต่อ kW จากการประกวดราคาหม้อแปลงสำหรับโครงการด้านสุขภาพ ปี 2024–2026
ที่มา: ทีมวิศวกรรม QDTB — ตารางโหลดของโรงพยาบาล ผังสถานีไฟฟ้าย่อย และข้อกำหนดหม้อแปลงสำหรับโครงการด้านสุขภาพในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ ตะวันออกกลาง และแอฟริกา ปี 2019–2026