大型医疗设备的电气设计浅析

王 燕

（中国中元国际工程有限公司，北京100089）

0 引言

随着医疗卫生事业的发展及现代医疗科技水平的大幅提高，大型医疗设备已经被广泛地应用于各个医疗卫生服务领域，并在医疗诊断及治疗中起非常重要的作用。在现今各种医疗建筑的新建、迁建、改／扩建中，医疗设备现代化的需求与日俱增，这就需要电气设计人员在对医疗设备进行电气设计时充分考虑其长期运行的安全性、可靠性及稳定性。此外，几乎所有项目，在进行医疗建筑设计时，院方一般都不能确定新建项目中将要使用的医疗设备的具体参数和型号，这就需要电气设计师熟悉相关的医疗电气规范和图集，详细了解并掌握各种常见医疗设备的电气要求。因此笔者通过一些医疗建筑的设计经验，总结了一些常见大型医疗设备的负荷特性、供电需求、配电及机房电气要求等，希望对类似工程设计有参考价值。

1 大型医疗设备的负荷特性及供电要求

1.1 医用磁共振成像设备（MRI）

磁共振设备属于连续工作制负荷，主要是根据检查部位不同，在检测过程的采样及记录阶段消耗电能，所耗时间一般从几分钟到几十分钟不等。其次，磁共振成像设备中重要的组成部件射频发射线圈、超导磁体线圈需要由液氮和液氦作为冷却剂的冷却系统保持超低温工作环境，才能正常运行；主机停机时，冷却机组也要保证持续运行，因此，MRI机房除了空调系统维持正常的工作温度以外，其冷却系统需要不间断运行。

按规范要求，医用磁共振成像设备的主机、冷水机组应分别从配变电所引出专用回路供电，且主机宜采用两路供电，冷水机组应采用两路供电，保障其供电可靠性。

1.2 医用X射线设备

医用X射线设备分为三类：X射线治疗设备、X射线诊断设备、X射线计算机断层取景设备。其中，X射线治疗设备包括：X射线接触治疗机、X射线深部治疗机、X射线浅部治疗机、X射线介入治疗机，属于连续工作负荷；X射线诊断设备包括：普通X射线诊断机、CR机、DR机、DSA机，属于断续反复工作负荷；X射线计算机断层摄影设备（CT），其工作时间可达到秒级以上，也属于断续反复工作制设备。

按规范要求，医用X射线设备应按其分类、用途、工作制式，由不同的供电回路供电，不应与其他设备共用同一供电回路；治疗用CT设备、数字减影血管造影设备应从配变电所引出专用的两路供电；为了保证三相平衡，多台单相、两相的X射线设备应接在电源不同的相序上。

1.3 医用高能射线设备

医用高能射线设备分为治疗设备及定位设备，其中高能射线治疗设备包括：电子直线加速器、回旋加速器、中子治疗机、质子治疗机；高能射线定位设备包括放射治疗模拟机。

医用高能射线设备的工作制分为断续反复工作制、连续工作制。其中，断续反复工作制设备为放射治疗模拟机；连续工作制设备包括电子直线加速器、回旋加速器、中子治疗机、质子治疗机。

按规范要求，医用高能射线设备应按其分类、用途，由不同的供电回路供电。电子直线加速器、回旋加速器、中子治疗机、质子治疗机等诊疗设备的主机及冷水机组，应采用专用的两路供电。

1.4 医用核素设备

医用核素设备分为诊断设备和治疗设备两类，其中放射性核素诊断设备包括：正电子发射断层扫描装置（PET）、单光子发射断层扫描装置（SPECT）、PET-CT；放射性核素治疗设备包括：钴60治疗机、γ-刀、核素后装近距离治疗机。医用核素设备的工作制分为断续反复工作制、连续工作制，其中，断续反复工作制设备为PET-CT；连续工作制设备包括钴60 治疗机、γ-刀、PET、SPECT。

按规范要求，医用核素设备应按其分类、用途、工作制式，由不同的供电回路供电，并应采用专用回路供电。伽马刀（γ刀）、PFT-CT设备应采用专用的两路供电。

2 大型医疗设备的配电设计

在进行大型医疗设备的配电设计之前，应对设备的负荷性质和负荷容量作相应的了解。根据医疗建筑的规模及大型医疗设备的配置情况决定是否设置大型诊疗设备专用变压器。根据笔者设计经验，大型医疗设备容量达到可以单独设置800kVA及以上变压器时尽量采用专用变压器单独为医疗设备供电，以减少对敏感电子设备的干扰。

当然，此设计思路也有部分设计师提出异议，由于大型医疗设备大部分为瞬时负荷，为了降低变压器的空载率，满足节能要求，在采取一些谐波治理措施后，不建议单独设置专用变压器，双方意见值得探讨。

以下对各种类型的医疗设备配电系统设计结合设计经验给予介绍。

2.1 医用磁共振成像设备（MRI）

磁共振成像设备（MRI）要求两路电源专线供电；电压为380V，频率为50 Hz，电源满足国家规范的供电制式，电压偏差最大不能超过10%，且相间电压的最大偏差不能超过最小相电压的2%，频率偏差最大不能超过3Hz。现以型号为MRIHDx 1.5T的设备为例，其连续功率为74kVA，最大瞬时功率为94kVA，功率因数为0.9，通过计算，设备的连续电流为113.7A，最大瞬时峰值电流为153.5A，可选用最小过电流保护开关额定电流为160A的断路器。供电电缆须采用多股铜芯电缆，且电缆截面应能保证从设备配电柜到独立供电的变压器输出端压降＜2%。表1给出该设备铜芯电缆供电时，电缆长度对应电缆截面的选择表以供参考。

表1 医用磁共振成像设备铜芯电缆供电时，电缆长度对应电缆截面的选择表

2.2 医用X射线设备

X射线设备对电源的供电质量要求也很高，因为当设备运行时，线路中电缆及其连接件的内阻和设备自身的内阻引起的压降会影响设备的正常工作，其对电源电压比较敏感，一般要求从设备配电柜到变压器输出端的电压降＜2%。因此，为满足其电压降的要求，为设备供电的电缆截面和供电距离都有一定要求。现以型号为Discovery CT750 HD设备为例，其连续功率为25 kVA，最大功率为150 kVA，功率因数为 0.85，通过计算，设备的连续电流为37.8A，最大瞬时峰值电流为253A，可选用最小过电流保护开关额定电流为160A的断路器，该设备由铜芯电缆供电时，电缆长度对应电缆截面的选择表见表2。

表2 医用X射线设备铜芯电缆供电时，电缆长度对应电缆截面的选择表

需特别提出的是，由于X射线设备运行时，其瞬时工作电流比较大，为尽量减少X射线设备与其他电力设备的相互影响，此类设备不应与其他电力负荷共用同一回路供电；配电设计时建议X射线管的工作电流≥400mA时，采用专用单回路供电；CT机采用专用双回路末端切换到配电柜。

比较特殊的X射线设备为数字减影血管造影（DSA），由于在心血管检查中DSA设备接触部件需要与患者体内接触，若电源中断或者故障将危及患者生命，其供电的可靠性和安全性高于其他X线设备。根据JGJ 312-2013《医疗建筑电气设计规范》表3.0.2，DSA（心血管造影检查室）被归为2类医疗场所，患者周边设备按IT系统供电，且DSA设备中涉及患者生命安全的设备负荷等级应按一级负荷中特别重要负荷供电，电源自动恢复供电时间要求≤0.5s级。

2.3 医用高能射线设备

医用高能射线设备以直线加速器为例，设备要求专线两路电源供电，加速器的主机电源需要单独设置断路器，与辅助设备的电源分开设置保护开关，且电子加速器的主机电源从设备配电柜处到变压器输出端，电压偏差不能大于5%。以型号为BJ-14的医用电子直线加速器设备为例，不包括空调机、去湿机和其他用电设备，加速器主机供电容量为50kVA，可选用最小过电流保护开关额定电流为125A的断路器。配套的真空泵电源需要交流220V电源供电，并不能受加速器主机电源的开关控制，线路一经接通，不能再断电。治疗室和靠近治疗室终端的地方应安装紧急断电开关且有明显标识，该开关带有保护接地外壳，必须采用手动复位式。

综合大部分资料，加速器的容量一般不超过50kVA，以西门子 PRIMUS直线加速器为例，容量30kVA，线内阻≤171mΩ，专用电缆线径与长度的匹配关系见表3。

表3 医用高能射线设备专用电缆线径与长度的匹配关系

2.4 医用核素设备

医用核素设备常见的有钴60治疗机、γ-刀、PET-CT；后两者要求专线两路电源供电，其供电质量与上述设备要求相似；现以型号为飞利浦Gemini GXL 16的 PET／CT设备为例，其连续功率为25kVA，最大功率为 150kVA，功率因数为 0.85，通过计算，设备的连续电流为38A，最大瞬间峰值电流253A，可选用最小过电流保护开关额定电流为160A的断路器，选择铜芯电缆截面与供电距离可参考见表4。

表4 医用核素设备铜芯电缆截面与供电距离 参考

3 大型医疗设备的机房电气设计注意事项及接地要求

3.1 设备机房的电气要求

由上述大型医疗设备的配电系统内容可见，几乎所有医疗设备均有电压降的要求，在对设备机房进行选址时，电气设计人员应参与到选址的决策中，设备机房距离变配电室不能太远，较远的话，在满足设备压降要求的同时，需要增加电缆截面面积，从而增加一定的投资造价；同时为避免变配电室的磁场干扰医疗设备的正常功能，设备机房也不能距离变配电室太近。

医疗设备机房内的配电室、机房和控制室的布线，一般通过地板电缆槽将工作站之间进行连通；例如MRI机房，由于MRI机房内有强磁场，地板电缆槽的设置要有一定的防护措施，一般电缆槽设计为0.6m×0.3m（宽×深）；电子加速器机房布线也采用地面电缆槽的方式，为了防止加速器射线泄漏，机房内要求穿墙电缆槽必须垂直于射线方向，一般电缆槽可设计为0.3m×0.2m（宽×深）；X射线设备及医疗核素设备电缆槽可设计为0.2m×0.2m（宽×深）；操作间电缆槽可设计为0.2m×0.2m（宽×深）。

X线诊断室、加速器治疗室、核医学科扫描室和γ照相室等的外门上应设有工作标志灯和防止误入室内的安全装置。

特别强调的是，为减少对磁共振设备的影响，位于磁共振机房内的电气设备要避免采用含铁磁物质的元器件和材料，这些电气设备包括：灯具、桥架、配电箱等，选型时可采用铜、铝或有机合成材料的替代产品。

3.2 设备机房的接地要求

按现行规范要求，一般均采用共用接地系统，即设备功能接地、保护接地与建筑物防雷接地共同接到一个总接地装置上。各医疗设备机房均设置专用接地端子箱，按设备供应商要求，设备机房内专用接地端子箱必须采用独立的接地干线引至建筑的共用接地体上，且为避免互相干扰，该接地干线上不能接其他设备。接地电阻要求 ＜2Ω，通常采用线径≥50mm2的多股铜芯线，且设备机房内应做好各用电设备的保护接地线（PE线）与本设备的等电位联结。

4 医疗建筑中大型医疗设备的谐波特点、危害及治理方式

4.1 谐波特点及危害

大型医疗设备的谐波电流具有如下特点：设备运行产生的谐波电流频谱很宽，医疗设备大部分为感性负载，运行时主要产生以3、5次谐波为主的奇次谐波，很多设备还有偶次谐波，谐波电流畸变率很高，最大可达90%，其基波功率因数不高，比电气设计时参考的功率因数要小；除了核磁共振仪（MRI）以及数字血管造影机（DSA）外，其他医疗设备的总电流畸变率都很高，其中数字X光机的谐波电流畸变尤为严重。这会导致降低系统的功率因素，同时降低系统的供电能力，对低压配电系统的电能质量造成了严重影响，增加线路损耗，使各类设备发热，缩短使用寿命，同时影响精密医疗设备的使用性能、精度和寿命，产生谐波磁场，干扰数据通讯引起电脑网络管理系统异常或死机。因此，对于医疗建筑的电气系统，采取谐波治理措施是非常有必要的。

4.2 谐波治理措施

谐波治理措施有很多种，目前无源滤波方案虽然简单、方便，但是能够抑制的谐波次数有限，并对于变化的无功负载不能精确补偿，而且它的重量体积比较大，不适合广泛应用。而有源滤波可以用于动态抑制谐波、补偿无功，具有良好的响应速度及补偿特性，在理论与实际应用方面都得到很大发展。常用的有源滤波治理谐波方案有如下两种方式。

（1）在变压器低压侧，集中设置有源滤波装置，有源滤波装置使用的是电力电子技术来监控非线性负载，动态地纠正（即发现一个谐波自动注入一个补偿电流使波形恢复），通过注入和抵消过程，恢复正弦波。不会发生过载损坏、出现过补偿，无谐振隐患，响应时间短，适合医疗建筑这类负载种类多样且负载变化频繁、配电系统复杂的系统。

（2）大型谐波源设备（大型医疗设备）处，就地设置有源滤波装置，进行谐波治理，避免谐波注入配电系统，减少谐波对整个电网的危害。

5 结束语

大型医疗设备作为医疗建筑中的重要负荷类型，为了保证医疗设备能够安全、可靠、经济地运行，对其供电的合理性、可靠性设计非常重要。本文通过对常见的几类大型医疗设备的介绍，可看出这些设备在机房选址、工作方式、配电需求、供电系统及布线型式上各有特点，但也有共同之处。电气设计师不可能对每一台医疗设备的电气性能及参数都能掌握，也不可能对医院及医疗设备的未来发展做到精准的预估，但只要做到掌握每一类型设备的性能及电气设计要点，预留好供电系统条件，以不变应万变，就能有效满足设备运行和维护的各种要求。

［1］JGJ 16-2008民用建筑电气设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［2］JGJ 312-2013医疗建筑电气设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2013.

［3］郑波.医院大型医疗设备电气设计浅谈［J］.智能建筑电气技术，2010（3）：35-39.

［4］侯加全.医院大型医疗设备机房电气设计中注意事项［J］.电气应用，2009，28（11）：44-49.