談醫療建筑X射線設備供電的問題

郭勇

摘要：隨著近年來國內醫療事業的蓬勃發展，X射線診療設備作為醫生診斷及患者治療輔助手段得到廣泛應用，本文從X射線診療設備的組成結構，運行工況等角度剖析X射線設備供電問題及其工作時產生的諧波原因和諧波的處理措施。

關鍵詞：醫療建筑 有緣濾波器 諧波

引言

自1895年德國物理學家倫琴發現了X光射線，直至1982年，采用逆變方式的X射線高壓發生裝置實用化，逆變頻率的不斷提高，加之計算機技術的應用，促使其在醫療領域得以快速發展。至今已經衍生出X光機、CR、DR、CT、DSA等診療設備。大致可分為三類：X射線治療設備；X診斷設備；X攝線計算機斷層攝像設備；

在國內特別是近10年醫療診斷設備數量更是以爆炸式增長。由于其X射線球管需要脈沖高壓直流電源，使其在運行中產生大量的高次諧波，而其本身對電源質量要求又較高，就X射線設備而言在醫療建筑設計中我們要注意哪些問題呢？

1 X射線設備的結構屬性

X射線設備主要由X光球管和X射線電源裝置以及控制電路等組成，X射線電源裝置主要功能是為X光球管提供高壓直流脈沖電源；其結構組成見圖1。

由圖1可知X射線設備含有多相換流設備，而多相換流設備是電力系統中數量最大的諧波源。其諧波電流含有率取決于以下三個因素：

1）換流設備的脈動數P；

2）換流設備導通的延遲角α及換相重疊角γ；

3）換流設備的控制形式：分相控型、半控型、全控型；

X射線設備的換流設備中整流電路濾波阻抗足夠大，為便于計算，不計換相重疊角且延時角為零時（全控型），特征諧波次數nc為：

①六相及十二相時的諧波含量 分別 為29.9%和14.2%；

②六相及十二相時的負荷電流 分別 為104.4%和101.0%；

③In/I1為諧波電流含有率；

由表1可以看出整流電路相數P為12時的X射線設備工作時負荷電流諧波次數及負荷電流諧波含量明顯低于的整流電路相數P為6的X射線設備。由此可見在采購時盡量選用前者是有效控制諧波的有效措施。

2 X射線設備的運行屬性

X射線設備運行是對電源的要求：

輸入電壓：AC360～440V ；

線路電壓波動率：±2.5%；

輸入頻率： 50Hz±1Hz；

電源輸出阻抗值不應大于0.2Ω，（其型號及功率不同一般在0.2歐姆左右）。如電源內阻不滿足要求將會影響其精度及使圖像失真。

診斷用X射線設備為斷續反復工作制，待機狀態為滿載功率的10%，就緒時為滿載功率40%，攝像時為100%；攝像時間一般僅為2S左右。治療用X射線設備為連續工作制。

由其運行屬性不難看出，X射線設備對其供電電源質量要求較高，診斷用X射線設備在攝像時工作電流突變率較大。

3 X射線設備的供電

根據X射線設備的結構、運行屬性可知，在供電設計時應解決以下三個問題：

1）建筑內其他動力設備的啟動對X射線設備工作的影響。

2）X射線設備工作時諧波的處理。

3）X射線設備供電回路的開關電器及電纜的選擇。

3.1減小建筑內其他動力設備的啟動對X射線設備工作精度影響的措施：

1）在中小型醫療項目中，X射線設備相對較少（數量不大于7臺），X射線管電流不大（200mA以下）時，從經濟性角度講不建議設置專用變壓器，但應滿足以下要求：

（1）自配電室放射式供電。

（2）X射線設備專用配電回路與大功率動力設備配電回路分接自不同的變壓器，特別是不能接自帶有頻繁啟動動力設備的變壓器。

2）在大型醫療項目中，X射線設備相對較多時，宜設置專用放射科專用變壓器，且盡可能靠近負荷中心。

3.2 X射線設備工作時產生的諧波處理措施：

電容器組+電抗器組對3，5，7次諧波作用比較明顯，從表1可知還是有部分高次諧波是其無法補償的，在此引入有源濾波器來補償高次諧波。

有源濾波器有源濾波器工作原理：用電流互感器采集線路上的電流，將所得電流信號進行諧波分離算法的處理，得到諧波參考信號，作為PWM的調制信號，與三角波相比，從而得到開關信號，用此開關信號去控制IGBT單相橋，根據PWM技術的原理，將上下橋臂的開關信號反接，可得到與線上諧波信號大小相等、方向相反的諧波電流，將線上的諧波電流抵消掉。這是前饋控制部分。再將有源濾波器接入點后的線上電流的諧波分量反饋回來，作為調節器的輸入，調整前饋控制的誤差。

從有源濾波器工作原理可以看出其具有比較完美的濾波效果，但是有源濾波器價格比較昂貴，近些年隨著技術的日益成熟，成套價格有很大下降。越來越被大眾所接受。

根據廠商提供的實測數據和多年的工作經驗有源濾波器容量可按以下原則的選擇：

1）X射線設備采用專用變壓器供電時，按其額定電流的25%選擇。

2）與其他設備混接與一個變壓器供電時，可按變壓器額定電流15%選擇。

以上介紹是以在低壓母線段集中設置有源濾波器為前提的；當然在X射線設備就地做諧波補充也是可以的，諧波處理效果更好；但是成本較高，經濟性比較差，在數量較多時不建議采用此方案。

3.3 X射線設備供電回路的開關電器及電纜的選擇：

在X射線設備末端就地設置諧波補償時，供電線路不含諧波電流，可直接以其額定電流為依據來選擇保護斷路器及供電電纜的截面。

在低壓母線段集中設置諧波補償時，X射線設備負荷電流計算時應考慮諧波電流含量的影響，以下舉例說明：

一臺X光機設備功率為50KW，功率因數 cosα=0.8 ，整流電路為6脈。

則：

Ij = P*1000/（√3*U*cosα）

= 50*1000÷（√3*380*0.8）

= 94.96A

Ic = K1*K2*I = 119.28 ≤ Iset1 =125A

式中：

Ij：不考慮諧波含量時設備負荷計算電流；

Ic：考慮諧波含量時設備負荷計算電流；

U：設備額定工作電壓380V；

K1：設備工作時諧波電流含量14.2%，見表1注1；

K2：整定值可靠系數，取1.1；

Iset1：斷路器長延時脫扣器整定電流值；

依據計算電流選擇供電回路保護開關整定值為125A，由于變配電室距放射科一般比較近，不考慮電壓降時，選擇50m㎡電纜即可。

在選擇供電電纜時一定要考慮電流的諧波含量，否則可能會引起誤跳，造成不必要的麻煩。考慮到X射線設備的低阻抗性，建議配電時放大一級供電電纜，以防止壓降引起的X射線設備精度降低問題而使診斷結果有所偏差。

4 結語：

介于醫療建筑使用上的特殊性，X射線設備的診療結果會直接影響醫生對患者病情的判斷和治療效果，希望同仁在設計醫療項目時，針對X射線設備配電應引起重視，在經濟條件允許的情況下，盡可能為X射線設備提供高質量的供電電源，以避免因為給電電源質量問題引起診斷結果的偏差。

參考文獻：

1.中國航空工業規劃設計研究院 《工業與民用配電設計手冊》 中國電力出版社 2006。

2.中華人民共和國行業標準 《醫療建筑電氣設計規范》 JGJ 312-2013 中國建筑工業出版社 2013。

3.鋼鐵企業電力設計手冊編委會 《鋼鐵企業電力設計手冊》 冶金工業出版社 2013。