質(zhì)子醫(yī)院電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

薛然文

(上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200041)

0 引言

質(zhì)子醫(yī)院為提供質(zhì)子放療的現(xiàn)代化放射腫瘤學(xué)治療和研究機(jī)構(gòu)，除了配置質(zhì)子放療設(shè)備外，質(zhì)子醫(yī)院還需配備直線加速器、MR、CT機(jī)等大型臨床輔助診斷治療設(shè)備。本文主要介紹質(zhì)子醫(yī)院的配電設(shè)計(jì)、工藝專用接地、輻射屏蔽設(shè)計(jì)，為后期相關(guān)工程提供參考。

1 項(xiàng)目概況

質(zhì)子醫(yī)院需設(shè)置質(zhì)子設(shè)備專用變電所。變電所供電電源為二路獨(dú)立的10kV電源，二路10kV電源同時運(yùn)行，互為常備用；同時設(shè)置質(zhì)子專用的柴油發(fā)電機(jī)和UPS。其中質(zhì)子加速器關(guān)鍵設(shè)備、控制設(shè)備、配套使用的工藝?yán)鋮s泵、磁鐵電源、掃描成像設(shè)備等為一級負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷。診斷用CT、MR及X光機(jī)用電、空氣壓縮機(jī)組、真空吸引機(jī)組等為二級負(fù)荷，其余為三級負(fù)荷。

2 工藝配電設(shè)計(jì)

質(zhì)子醫(yī)院的變配電系統(tǒng)是一個為大型醫(yī)療裝置及其相關(guān)配套設(shè)施供電的電源系統(tǒng)，對配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及其電源質(zhì)量都有很高的要求，同時質(zhì)子設(shè)備及其配套設(shè)施本身相對復(fù)雜。

2.1 工藝負(fù)荷

從安全角度考慮，質(zhì)子工藝負(fù)載中既有突然停電造成重大經(jīng)濟(jì)損失的設(shè)備(如供應(yīng)低溫系統(tǒng)電源、超導(dǎo)磁鐵電源、固定束流室電源、控制系統(tǒng)電源)，也有停電可能導(dǎo)致人員生命危險(xiǎn)的設(shè)備(如安全門聯(lián)鎖系統(tǒng))。從電壓等級考慮，專用的PT設(shè)備需采用不同于國內(nèi)的電壓等級(如400VAC/50Hz，230VAC/50Hz)。從電源特性考慮，有的負(fù)荷是大的諧波發(fā)生源(如磁鐵電源)，也有對諧波耐受較差的控制類負(fù)荷。圖1所示為諧波失真圖。

圖1 諧波失真圖

2.2 工藝電源設(shè)計(jì)

質(zhì)子區(qū)域的變配電系統(tǒng)設(shè)置專用濾波設(shè)備和智能低壓配電系統(tǒng)。根據(jù)不同的負(fù)荷等級，設(shè)置不同等級的電源配置(如低壓單路電源、工藝不間斷電源UPS，及工藝柴油發(fā)電機(jī)電源等)。各種性質(zhì)的電源需要適應(yīng)不同的工況，以滿足在不同情況下的開機(jī)或停機(jī)要求，既要求電源的可靠性，也需要在配電上具有靈活性。

質(zhì)子專用變電所內(nèi)的變壓器二次側(cè)、質(zhì)子專用UPS、質(zhì)子專用柴油發(fā)電機(jī)的電壓等級均需根據(jù)工藝設(shè)備的電壓等級設(shè)置(如變壓器變壓比：10/0.42kV、低壓柴油發(fā)電機(jī)：0.42kV)。質(zhì)子區(qū)域采用智能低壓配電系統(tǒng)，以便實(shí)現(xiàn)故障的提前預(yù)知，實(shí)現(xiàn)供電的連續(xù)性，運(yùn)維的安全便捷性；避免故障停電后的經(jīng)濟(jì)損失和安全危險(xiǎn)。同時考慮到質(zhì)子設(shè)備區(qū)配電柜的輻射影響，以及平時人員無法進(jìn)入輻射區(qū)域進(jìn)行故障排查及運(yùn)維工作，因此質(zhì)子設(shè)備區(qū)內(nèi)配電柜的配電系統(tǒng)也應(yīng)采用智能配電系統(tǒng)。

2.3 工藝諧波治理

質(zhì)子設(shè)備對于電源質(zhì)量有著較高的要求，因此諧波治理勢在必行。對于質(zhì)子工藝設(shè)備產(chǎn)生的諧波，采用變電所集中設(shè)置有源濾波器和諧波發(fā)生源設(shè)備就地分散設(shè)置有源濾波器的組合措施動態(tài)抑制治理諧波，以滿足質(zhì)子設(shè)備的要求。

有源濾波裝置采用快速傅里葉分析與瞬時無功理論相結(jié)合的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略。有源濾波器濾波范圍：2～50次；2～25次達(dá)到97%以上濾除效果，26～49次內(nèi)應(yīng)保證90%以上的濾除效果，并應(yīng)滿足26～50次內(nèi)指定次諧波的濾波要求且可根據(jù)需要設(shè)定需要濾波的諧波次段和濾除諧波的目標(biāo)值。

有源濾波器的信號采集同時檢測所有三路CT信號作為諧波治理依據(jù)，以避免三相不平衡導(dǎo)致補(bǔ)償諧波與實(shí)際需補(bǔ)償諧波量不符而造成更多諧波污染。

當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載的諧波量大于濾波器補(bǔ)償能力時，有源濾波器仍應(yīng)根據(jù)本體容量輸出額定電流，繼續(xù)有效濾波，不發(fā)生超載或?qū)е略O(shè)備損壞而退出運(yùn)行。

3 工藝專用接地

質(zhì)子設(shè)備區(qū)域的防雷接地除應(yīng)符合國內(nèi)規(guī)范外，還需滿足NFPA78-2014防雷規(guī)范。質(zhì)子設(shè)備區(qū)域配備的防雷系統(tǒng)，包括防雷專用接閃系統(tǒng)、專用引下線、樓層均壓和接地系統(tǒng)。該系統(tǒng)用特殊的夾具固定；引下導(dǎo)體、接地系統(tǒng)、樓層均壓所用固定支架與專用連接夾具應(yīng)滿足50kA(10/350)雷電沖擊測試要求，并通過UL認(rèn)證。

質(zhì)子醫(yī)院一般也采用聯(lián)合接地系統(tǒng)，但除常規(guī)接地外，PT設(shè)備區(qū)域還需設(shè)置工藝專用接地，即在地板內(nèi)設(shè)置120mm2的銅鍍鋅絞線的接地網(wǎng)格(網(wǎng)格大小根據(jù)實(shí)際PT設(shè)備需求選擇)與基礎(chǔ)鋼筋網(wǎng)每隔1.5m通過夾具連接，形成電氣貫通；并且地板內(nèi)120mm2的銅鍍鋅絞線組成的接地網(wǎng)格通過相關(guān)專用夾具連接地板的鋼筋和灌注樁基的鋼筋，形成良好的電氣貫通，并保證接地電阻≤1Ω(接地網(wǎng)絡(luò)與每一個樁基主筋的連接點(diǎn)數(shù)量≥2,如圖2所示。

圖2 工藝專用接地網(wǎng)絡(luò)

此外，質(zhì)子工藝接地點(diǎn)以及相關(guān)接地點(diǎn)的接地方式為：在地板內(nèi)120mm2的銅鍍鋅絞線的接地網(wǎng)格通過夾具引出的PVC 16mm 熱鍍鋅圓鋼連至接地端子,再通過16mm2的接地軟線連接至接地端子板；引出的PVC 16mm 熱鍍鋅圓鋼通過貫通夾具與基礎(chǔ)鋼筋網(wǎng)的鋼筋每隔2m固定，如圖3所示。

圖3 工藝接地垂直貫通線接法

質(zhì)子設(shè)備區(qū)域內(nèi)的敏感測量設(shè)備的信號接地需通過專用的非磁性接地導(dǎo)體材料引至室外獨(dú)立設(shè)置的不銹鋼人工接地網(wǎng)絡(luò)，并與工藝專用接地網(wǎng)絡(luò)隔離。

4 防輻射屏蔽設(shè)計(jì)

質(zhì)子治療的技術(shù)原理，即利用回旋加速器將質(zhì)子加速到高能狀態(tài)，使其具有極強(qiáng)的穿透性電離輻射，再經(jīng)能量選擇系統(tǒng)、束流傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)礁鱾€治療室內(nèi)。質(zhì)子射線到達(dá)病灶后，射線會瞬間釋放大量能量，形成名為“布拉格峰”的能量釋放軌跡，整個治療過程好比是針對腫瘤的“立體定向爆破”，能夠?qū)δ[瘤病灶進(jìn)行強(qiáng)有力的照射，同時又避開照射正常組織，實(shí)現(xiàn)療效最大化。因此根據(jù)質(zhì)子治療的特性以及質(zhì)子運(yùn)行時產(chǎn)生的大量輻射，質(zhì)子運(yùn)行區(qū)域的防輻射屏蔽設(shè)計(jì)尤為重要。

PT設(shè)備運(yùn)行時會在輻射區(qū)域產(chǎn)生高輻射，即使停機(jī)后局部區(qū)域仍可能存在，因此預(yù)先設(shè)置輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，以防止加速器工作人員誤入高輻射區(qū)而受到傷害，以及限制輻射對人的傷害。

輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)在質(zhì)子總控制系統(tǒng)中處于設(shè)備控制層，具有極高的優(yōu)先權(quán)，不同于其他設(shè)備控制器，屬于總體級聯(lián)鎖；輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)正常聯(lián)鎖后，質(zhì)子回旋加速器方可開機(jī)，同時加速器的停機(jī)信號也是輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)停止運(yùn)行的必要條件。人身安全門聯(lián)鎖系統(tǒng)主要是借助門禁控制系統(tǒng)和質(zhì)子設(shè)備總控制系統(tǒng)的聯(lián)鎖信號將質(zhì)子設(shè)備區(qū)和控制區(qū)內(nèi)劃分禁止進(jìn)入?yún)^(qū)域和限制進(jìn)入?yún)^(qū)域，例如當(dāng)質(zhì)子加速器運(yùn)行時，加速器隧道即為禁止進(jìn)入?yún)^(qū)域；當(dāng)質(zhì)子加速器停機(jī)時，加速器隧道可由禁止進(jìn)入狀態(tài)轉(zhuǎn)為限制進(jìn)入。所有穿越質(zhì)子區(qū)域的電氣管線大多數(shù)必須被嵌入混凝土墻內(nèi)，并滿足屏蔽防輻射的要求；同時嵌入輻射屏蔽墻內(nèi)部的管線需要最少2～3次彎曲，保持最小彎曲半徑，不允許管線直接穿越質(zhì)子區(qū)域。

5 結(jié)束語