医用空气加压氧舱电磁兼容现场测试方法的研究

朱成科，李庆雨，刘美丽，徐志洲

山东省医疗器械产品质量检验中心 电磁兼容室，山东 济南 250101

引言

大型医用电气设备或系统的电磁兼容现场检测是目前研究的热点问题之一。医用空气加压氧舱（以下简称氧舱）为大型永久安装系统，安装调试后交付使用，其组成和安装位置不再变化。医用空气加压氧舱通常由舱体、供排气系统、供排氧系统、空调系统和电气系统组成，一般涉及的分布式系统单元主要包括控制台、空气压缩机和空调等，结构相对复杂且各单元间互连电缆较多。由于永久安装、结构复杂等原因造成其无法在实验室进行检测。

氧舱符合YY0505-2012中所定义的大型设备或系统，即：不能在2 m×2 m×2.5 m空间内安装的设备或系统，其中不包括电缆，但包括分布式系统。由于大型医疗设备或系统的永久安装、体积过大、使用环境等原因，不能进入实验室进行型式试验，根据GB 4824-2013/CISPR 11:2010和YY 0505-2012/IEC 60601-1-2:2004等标准的规定，结构上不能进行子系统模拟运行的大型永久安装设备或系统可在其使用场所进行现场测试[1-2]。

但是，目前国际国内标准主要规定了在实验室条件下的型式试验，而对电磁兼容现场测试的要求和方法都不同程度存在一些问题。本文主要结合现行标准和现场环境对氧舱的电磁兼容现场测试项目及其试验方法进行了介绍。

1 发射试验

1.1 传导发射

GB 4824-2013中规定在现场测试的条件下，不要求传导发射的评估[3]。但是氧舱通常结构复杂、且运行功率较大，产生较大传导骚扰值的概率高，鉴于风险分析方面的考虑，此类设备的传导发射应符合实验室标准测试的限制要求。

试验时将接地参考平面靠近氧舱放置，人工电源网络置于接地参考平面上并良好接地，距离氧舱最近表面0.8 m，因实际配备电源线长度不固定，为规范测试均采用1 m长电源线进行试验。

1.2 辐射发射

如何做好辐射发射现场测试，使得测试方法更加科学规范，是目前电磁兼容现场测试的难点[4-6]。天线的选取与布置、环境噪声的影响、测试位置的选择和测试距离的选取是辐射发射现场测试需要重点注意的问题。

天线的选取与布置。辐射发射现场测试频率范围包括150 kHz～30 MHz 和 30 MHz～1 GHz。150 kHz～30 MHz 测试辐射发射的磁场分量，采用环形天线在1 m高度（小环天线底部距离地面）测量，环形天线垂直放置，测试时天线沿轴线旋转寻找最大的骚扰发射，对于额定功率≤20 kVA的氧舱不进行此频段测试，且关于此频段磁场分量的测量实验室型式试验并不做要求。30 MHz～1 GHz测试辐射发射的电场分量，分别采用双锥天线和对数周期天线固定在（2±0.2）m高度，在水平和垂直两个极化方向上分别进行测量。

环境噪声的影响。氧舱主要安装于大型医院，其周围往往存在着大量的动态或静态环境辐射源，如各种广播信号电台、移动基站、雷达、电视塔、高压输电线和各类大功率设备等。这些辐射源的电磁特性是非常复杂的，有的环境噪声电平远大于被测设备的辐射信号。为了满足标准要求，同时避免骚扰过大对测试设备造成损坏，现场试验时首先应尽量关停附近的大功率电气设备，测试点远离基站、广播电视塔、变电站等强辐射源，测试时间尽量选择夜间非工作时间段，以此最大限度的减少测试时的环境噪声，其次可通过缩短测试距离提高限值的方法来达到环境噪声比限值低6 dB的要求。

当环境噪声电平和氧舱辐射发射电平的合成电平数据不超过规定限值时，可以认为氧舱的辐射发射满足规定限值的要求；而当两者的合成数据结果超过规定限值时，如果在超过规定限值所对应的每一频率点上都能表明同时满足环境噪声电平比合成电平至少低6 dB且环境噪声电平至少比规定限值低4.8 dB，则认为发射不符合要求[7-9]。150 kHz～30 MHz测试磁场分量时，如果环境噪声电平超过了标准规定的限值，氧舱产生的发射使环境噪声电平抬高不超过3 dB，则认为发射是符合要求。

测试位置的选择。对于现场测试应尽可能选取较多的测量点，至少应在正交的四个方向上测量，见图1，还应在任何可能对无线电系统产生有害影响的方向上进行测量。如果由于现场环境原因无法满足，测试时可根据氧舱设备结构特性在怀疑的位置进行快速预扫描，找到几个最大发射方向后再进行完整测试。

图1 辐射发射3 m距离测试图

测试距离的选取。GB 4824-2013仅规定了30 m测试距离的限值，在环境噪声电平过高或测量场地条件无法满足的情况下，可按每10倍距离20 dB的反比因子对距离和限值进行调整，考虑到氧舱设备尺寸较大，距离较近可能存在不确定的近场效应，测量距离应不能小于3 m。

通过现场测量的数据分析发现，距离建筑物外墙30 m，由于建筑物隔离防护等因素测得的骚扰信号基本为环境噪声，所以仅通过对距离建筑物外墙30 m的辐射发射测试不能充分反映氧舱的发射特性，尤其是安装于医院的大型医疗设备或系统，鉴于风险分析方面的考虑，应对距离医用空气加压氧舱3 m或10 m的位置进行测试评估。

2 抗扰度试验

氧舱适用的抗扰度项目涉及静电放电、辐射抗扰度、电快速瞬变脉冲群、浪涌、传导抗扰度、电压暂降及短时中断和工频磁场。

2.1 静电放电

氧舱的静电放电试验要求：接触放电为±6 kV（包括与金属外壳部分的直接接触放电和垂直耦合板的间接放电），空气放电为±8 kV。

现场试验布置与试验室型式试验主要的不同是接地参考平面的尺寸和摆放位置。现场测试为了便于放电回路电缆的连接，接地参考平面铺设在地面上并保持与氧舱0.1 m的距离，其尺寸大小为2 m×0.3 m[10]。

氧舱的静电防护薄弱点常见的有控制台的显示器、测氧仪、温度仪、对讲通讯设备和多媒体系统，试验中应重点关注。

2.2 辐射抗扰度

YY0505-2012规定结构上不可实现子系统模拟运行的大型永久安装设备和系统，可免于GB/T17626.3规定的试验要求，如果使用该豁免条件，那么其应在安装现场或开阔试验场，利用出现在典型健康监护环境中的射频源（如无线电话、对讲机和其他合法发射机）进行型式试验，试验频率应是80 MHz～2.5 GHz上受ITU支配的工科医设备频段。

为模拟实际环境的干扰，通常有两种方法：第一种方法是用手机、对讲机、无线路由器等能产生辐射干扰的常规电子设备对氧舱各部件依次进行近场干扰，但此类方法存在的问题是，首先典型射频源比较多，存在模拟不全面的情况；其次手机和对讲机等产品较多，它们的辐射频率和辐射强度等特性不一致，因此较难实现统一且具有代表性的规范，因此，该方法不是首选方法。第二种方法是参照IEC 60601-1-2:2014标准的RF无线通信设备邻近场辐射抗扰度测试[11]，见表1。通过近场干扰测试设备模拟常规对讲机、移动通讯、蓝牙和Wi-Fi等频段的干扰测试。该方法具有覆盖频段多、重复性高、可规范化、可操作性强等优点，因此是首选方法。

2.3 电快速瞬变脉冲群

氧舱的电快速瞬变脉冲群试验电平：±2 kV对电源线，±1 kV对长度不小于3 m的信号电缆和互连电缆。

表1 IEC 60601-1-2:2014 RF无线通信设备邻近场辐射抗扰度测试

由于氧舱为大型永久安装系统且在安装后试验，采用尺寸最小为1 m2的接地参考平面靠近氧舱放置，接地参考平面进行良好接地，测试仪器放置于接地参考平面上，对于电源线的测试，耦合装置与氧舱间采用（0.5±0.05）m长度的电源线。

电源端脉冲群信号的注入可使用33 nF电容直接注入的方法，尤其针对较大额定电流工作设备，例如氧舱组件的空气压缩机，可直接通过33 nF的耦合电容将干扰信号耦合至电源线端口处。

为尽可能逼近的模拟实际的电磁环境，在进行安装后现场试验时应该不用去耦网络。但考虑到试验本身不仅可能对受试设备有破坏性，对位于同一地点或同一供电网下的其他设备也可能造成损伤或不可接受的影响。为避免造成其他影响，一般经用户和制造商双方同意后，试验仍可使用去耦网络[12]。

2.4 浪涌

氧舱的浪涌试验要求为：交流电源线线对线±0.5 kV和±1 kV，交流电源线线对地±0.5、±1和±2 kV。

对浪涌试验的现场测试试验布置目前无特别要求。接地参考平面和测量仪器的布置可参照上述电快速瞬变脉冲群试验，耦合/去耦装置和氧舱之间电源线长度不超过2 m[13]。

2.5 传导抗扰度

氧舱的传导抗扰度试验要求：频率150 kHz～30 MHz，试验电平3 V。

对传导抗扰度试验的现场测试试验布置目前无特别要求。接地参考平面和测量仪器的布置可参照上述电快速瞬变脉冲群试验。耦合/去耦装置距离氧舱0.1～0.3 m。

现场测试环境通常无法满足共模阻抗要求，当对氧舱信号线和互连线缆的试验参照不满足共模阻抗要求时的钳注入程序[14]，采用电流监测探头配合电流注入钳进行试验测试。

2.6 电压暂降及短时中断

对每相额定输入电流超过16 A的氧舱免于此项试验，对于不超过16 A的设备进行此项试验。

对电压暂降及短时中断试验的现场测试试验布置目前无特别要求。对于三相供电的氧舱逐相进行试验，因具有内部电源，适用于电压暂降及短时中断试验的氧舱在规定的试验后还需验证其仅在网电源供电时继续工作的能力。

2.7 工频磁场

氧舱的工频磁场试验要求：3 A/m。因氧舱体积太大，无法采用浸入法进行试验，现场测试采用邻近法[15]对氧舱的不同位置进行试验。

3 结论

氧舱是较典型的大型永久性安装系统，本文从标准出发并结合对较多氧舱的实际测试情况，主要探讨了发射与抗扰度等电磁兼容项目现场测试的方法。为了严谨规范的完成对氧舱的现场测试，一定程度确保试验的可行性和可靠性，检测前期一定要做好充分的现场环境情况分析，明确氧舱实际安装情况，制定规范的现场试验计划[16-17]。