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谈医疗建筑X射线设备供电的问题

范文

郭勇

摘要：随着近年来国内医疗事业的蓬勃发展，X射线诊疗设备作为医生诊断及患者治疗辅助手段得到广泛应用，本文从X射线诊疗设备的组成结构，运行工况等角度剖析X射线设备供电问题及其工作时产生的谐波原因和谐波的处理措施。

关键词：医疗建筑有缘滤波器谐波

引言

自1895年德国物理学家伦琴发现了X光射线，直至1982年，采用逆变方式的X射线高压发生装置实用化，逆变频率的不断提高，加之计算机技术的应用，促使其在医疗领域得以快速发展。至今已经衍生出X光机、CR、DR、CT、DSA等诊疗设备。大致可分为三类：X射线治疗设备；X诊断设备；X摄线计算机断层摄像设备；

在国内特别是近10年医疗诊断设备数量更是以爆炸式增长。由于其X射线球管需要脉冲高压直流电源，使其在运行中产生大量的高次谐波，而其本身对电源质量要求又较高，就X射线设备而言在医疗建筑设计中我们要注意哪些问题呢？

1 X射线设备的结构属性

X射线设备主要由X光球管和X射线电源装置以及控制电路等组成，X射线电源装置主要功能是为X光球管提供高压直流脉冲电源；其结构组成见图1。

由图1可知X射线设备含有多相换流设备，而多相换流设备是电力系统中数量最大的谐波源。其谐波电流含有率取决于以下三个因素：

1）换流设备的脉动数P；

2）换流设备导通的延迟角α及换相重叠角γ；

3）换流设备的控制形式：分相控型、半控型、全控型；

X射线设备的换流设备中整流电路滤波阻抗足够大，为便于计算，不计换相重叠角且延时角为零时（全控型），特征谐波次数nc为：

①六相及十二相时的谐波含量分别为29.9%和14.2%；

②六相及十二相时的负荷电流分别为104.4%和101.0%；

③In/I1为谐波电流含有率；

由表1可以看出整流电路相数P为12时的X射线设备工作时负荷电流谐波次数及负荷电流谐波含量明显低于的整流电路相数P为6的X射线设备。由此可见在采购时尽量选用前者是有效控制谐波的有效措施。

2 X射线设备的运行属性

X射线设备运行是对电源的要求：

输入电压：AC360～440V ；

线路电压波动率：±2.5%；

输入频率： 50Hz±1Hz；

电源输出阻抗值不应大于0.2Ω，（其型号及功率不同一般在0.2欧姆左右）。如电源内阻不满足要求将会影响其精度及使图像失真。

诊断用X射线设备为断续反复工作制，待机状态为满载功率的10%，就绪时为满载功率40%，摄像时为100%；摄像时间一般仅为2S左右。治疗用X射线设备为连续工作制。

由其运行属性不难看出，X射线设备对其供电电源质量要求较高，诊断用X射线设备在摄像时工作电流突变率较大。

3 X射线设备的供电

根据X射线设备的结构、运行属性可知，在供电设计时应解决以下三个问题：

1）建筑内其他动力设备的启动对X射线设备工作的影响。

2）X射线设备工作时谐波的处理。

3）X射线设备供电回路的开关电器及电缆的选择。

3.1减小建筑内其他动力设备的启动对X射线设备工作精度影响的措施：

1）在中小型医疗项目中，X射线设备相对较少（数量不大于7台），X射线管电流不大（200mA以下）时，从经济性角度讲不建议设置专用变压器，但应满足以下要求：

（1）自配电室放射式供电。

（2）X射线设备专用配电回路与大功率动力设备配电回路分接自不同的变压器，特别是不能接自带有频繁启动动力设备的变压器。

2）在大型医疗项目中，X射线设备相对较多时，宜设置专用放射科专用变压器，且尽可能靠近负荷中心。

3.2 X射线设备工作时产生的谐波处理措施：

电容器组+电抗器组对3，5，7次谐波作用比较明显，从表1可知还是有部分高次谐波是其无法补偿的，在此引入有源滤波器来补偿高次谐波。

有源滤波器有源滤波器工作原理：用电流互感器采集线路上的电流，将所得电流信号进行谐波分离算法的处理，得到谐波参考信号，作为PWM的调制信号，与三角波相比，从而得到开关信号，用此开关信号去控制IGBT单相桥，根据PWM技术的原理，将上下桥臂的开关信号反接，可得到与线上谐波信号大小相等、方向相反的谐波电流，将线上的谐波电流抵消掉。这是前馈控制部分。再将有源滤波器接入点后的线上电流的谐波分量反馈回来，作为调节器的输入，调整前馈控制的误差。

从有源滤波器工作原理可以看出其具有比较完美的滤波效果，但是有源滤波器价格比较昂贵，近些年随着技术的日益成熟，成套价格有很大下降。越来越被大众所接受。

根据厂商提供的实测数据和多年的工作经验有源滤波器容量可按以下原则的选择：

1）X射线设备采用专用变压器供电时，按其额定电流的25%选择。

2）与其他设备混接与一个变压器供电时，可按变压器额定电流15%选择。

以上介绍是以在低压母线段集中设置有源滤波器为前提的；当然在X射线设备就地做谐波补充也是可以的，谐波处理效果更好；但是成本较高，经济性比较差，在数量较多时不建议采用此方案。

3.3 X射线设备供电回路的开关电器及电缆的选择：

在X射线设备末端就地设置谐波补偿时，供电线路不含谐波电流，可直接以其额定电流为依据来选择保护断路器及供电电缆的截面。

在低压母线段集中设置谐波补偿时，X射线设备负荷电流计算时应考虑谐波电流含量的影响，以下举例说明：

一台X光机设备功率为50KW，功率因数 cosα=0.8 ，整流电路为6脉。

则：

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：不考慮谐波含量时设备负荷计算电流；

Ic：考虑谐波含量时设备负荷计算电流；

U：设备额定工作电压380V；

K1：设备工作时谐波电流含量14.2%，见表1注1；

K2：整定值可靠系数，取1.1；

Iset1：断路器长延时脱扣器整定电流值；

依据计算电流选择供电回路保护开关整定值为125A，由于变配电室距放射科一般比较近，不考虑电压降时，选择50m㎡电缆即可。

在选择供电电缆时一定要考虑电流的谐波含量，否则可能会引起误跳，造成不必要的麻烦。考虑到X射线设备的低阻抗性，建议配电时放大一级供电电缆，以防止压降引起的X射线设备精度降低问题而使诊断结果有所偏差。

4 结语：

介于医疗建筑使用上的特殊性，X射线设备的诊疗结果会直接影响医生对患者病情的判断和治疗效果，希望同仁在设计医疗项目时，针对X射线设备配电应引起重视，在经济条件允许的情况下，尽可能为X射线设备提供高质量的供电电源，以避免因为给电电源质量问题引起诊断结果的偏差。

参考文献：

1.中国航空工业规划设计研究院《工业与民用配电设计手册》中国电力出版社 2006。

2.中华人民共和国行业标准《医疗建筑电气设计规范》 JGJ 312-2013 中国建筑工业出版社 2013。

3.钢铁企业电力设计手册编委会《钢铁企业电力设计手册》冶金工业出版社 2013。

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