质子医院电气系统设计

薛然文

(上海建筑设计研究院有限公司，上海 200041)

0 引言

质子医院为提供质子放疗的现代化放射肿瘤学治疗和研究机构，除了配置质子放疗设备外，质子医院还需配备直线加速器、MR、CT机等大型临床辅助诊断治疗设备。本文主要介绍质子医院的配电设计、工艺专用接地、辐射屏蔽设计，为后期相关工程提供参考。

1 项目概况

质子医院需设置质子设备专用变电所。变电所供电电源为二路独立的10kV电源，二路10kV电源同时运行，互为常备用；同时设置质子专用的柴油发电机和UPS。其中质子加速器关键设备、控制设备、配套使用的工艺冷却泵、磁铁电源、扫描成像设备等为一级负荷中的特别重要负荷。诊断用CT、MR及X光机用电、空气压缩机组、真空吸引机组等为二级负荷，其余为三级负荷。

2 工艺配电设计

质子医院的变配电系统是一个为大型医疗装置及其相关配套设施供电的电源系统，对配电系统的稳定性、可靠性及其电源质量都有很高的要求，同时质子设备及其配套设施本身相对复杂。

2.1 工艺负荷

从安全角度考虑，质子工艺负载中既有突然停电造成重大经济损失的设备(如供应低温系统电源、超导磁铁电源、固定束流室电源、控制系统电源)，也有停电可能导致人员生命危险的设备(如安全门联锁系统)。从电压等级考虑，专用的PT设备需采用不同于国内的电压等级(如400VAC/50Hz，230VAC/50Hz)。从电源特性考虑，有的负荷是大的谐波发生源(如磁铁电源)，也有对谐波耐受较差的控制类负荷。图1所示为谐波失真图。

图1 谐波失真图

2.2 工艺电源设计

质子区域的变配电系统设置专用滤波设备和智能低压配电系统。根据不同的负荷等级，设置不同等级的电源配置(如低压单路电源、工艺不间断电源UPS，及工艺柴油发电机电源等)。各种性质的电源需要适应不同的工况，以满足在不同情况下的开机或停机要求，既要求电源的可靠性，也需要在配电上具有灵活性。

质子专用变电所内的变压器二次侧、质子专用UPS、质子专用柴油发电机的电压等级均需根据工艺设备的电压等级设置(如变压器变压比：10/0.42kV、低压柴油发电机：0.42kV)。质子区域采用智能低压配电系统，以便实现故障的提前预知，实现供电的连续性，运维的安全便捷性；避免故障停电后的经济损失和安全危险。同时考虑到质子设备区配电柜的辐射影响，以及平时人员无法进入辐射区域进行故障排查及运维工作，因此质子设备区内配电柜的配电系统也应采用智能配电系统。

2.3 工艺谐波治理

质子设备对于电源质量有着较高的要求，因此谐波治理势在必行。对于质子工艺设备产生的谐波，采用变电所集中设置有源滤波器和谐波发生源设备就地分散设置有源滤波器的组合措施动态抑制治理谐波，以满足质子设备的要求。

有源滤波装置采用快速傅里叶分析与瞬时无功理论相结合的自适应神经网络控制策略。有源滤波器滤波范围：2～50次；2～25次达到97%以上滤除效果，26～49次内应保证90%以上的滤除效果，并应满足26～50次内指定次谐波的滤波要求且可根据需要设定需要滤波的谐波次段和滤除谐波的目标值。

有源滤波器的信号采集同时检测所有三路CT信号作为谐波治理依据，以避免三相不平衡导致补偿谐波与实际需补偿谐波量不符而造成更多谐波污染。

当系统负载的谐波量大于滤波器补偿能力时，有源滤波器仍应根据本体容量输出额定电流，继续有效滤波，不发生超载或导致设备损坏而退出运行。

3 工艺专用接地

质子设备区域的防雷接地除应符合国内规范外，还需满足NFPA78-2014防雷规范。质子设备区域配备的防雷系统，包括防雷专用接闪系统、专用引下线、楼层均压和接地系统。该系统用特殊的夹具固定；引下导体、接地系统、楼层均压所用固定支架与专用连接夹具应满足50kA(10/350)雷电冲击测试要求，并通过UL认证。

质子医院一般也采用联合接地系统，但除常规接地外，PT设备区域还需设置工艺专用接地，即在地板内设置120mm2的铜镀锌绞线的接地网格(网格大小根据实际PT设备需求选择)与基础钢筋网每隔1.5m通过夹具连接，形成电气贯通；并且地板内120mm2的铜镀锌绞线组成的接地网格通过相关专用夹具连接地板的钢筋和灌注桩基的钢筋，形成良好的电气贯通，并保证接地电阻≤1Ω(接地网络与每一个桩基主筋的连接点数量≥2,如图2所示。

图2 工艺专用接地网络

此外，质子工艺接地点以及相关接地点的接地方式为：在地板内120mm2的铜镀锌绞线的接地网格通过夹具引出的PVC 16mm 热镀锌圆钢连至接地端子,再通过16mm2的接地软线连接至接地端子板；引出的PVC 16mm 热镀锌圆钢通过贯通夹具与基础钢筋网的钢筋每隔2m固定，如图3所示。

图3 工艺接地垂直贯通线接法

质子设备区域内的敏感测量设备的信号接地需通过专用的非磁性接地导体材料引至室外独立设置的不锈钢人工接地网络，并与工艺专用接地网络隔离。

4 防辐射屏蔽设计

质子治疗的技术原理，即利用回旋加速器将质子加速到高能状态，使其具有极强的穿透性电离辐射，再经能量选择系统、束流传输系统传输到各个治疗室内。质子射线到达病灶后，射线会瞬间释放大量能量，形成名为“布拉格峰”的能量释放轨迹，整个治疗过程好比是针对肿瘤的“立体定向爆破”，能够对肿瘤病灶进行强有力的照射，同时又避开照射正常组织，实现疗效最大化。因此根据质子治疗的特性以及质子运行时产生的大量辐射，质子运行区域的防辐射屏蔽设计尤为重要。

PT设备运行时会在辐射区域产生高辐射，即使停机后局部区域仍可能存在，因此预先设置辐射安全联锁系统，以防止加速器工作人员误入高辐射区而受到伤害，以及限制辐射对人的伤害。

辐射安全联锁系统在质子总控制系统中处于设备控制层，具有极高的优先权，不同于其他设备控制器，属于总体级联锁；辐射安全联锁系统正常联锁后，质子回旋加速器方可开机，同时加速器的停机信号也是辐射安全联锁系统停止运行的必要条件。人身安全门联锁系统主要是借助门禁控制系统和质子设备总控制系统的联锁信号将质子设备区和控制区内划分禁止进入区域和限制进入区域，例如当质子加速器运行时，加速器隧道即为禁止进入区域；当质子加速器停机时，加速器隧道可由禁止进入状态转为限制进入。所有穿越质子区域的电气管线大多数必须被嵌入混凝土墙内，并满足屏蔽防辐射的要求；同时嵌入辐射屏蔽墙内部的管线需要最少2～3次弯曲，保持最小弯曲半径，不允许管线直接穿越质子区域。

5 结束语