質子醫院電氣系統設計

薛然文

(上海建筑設計研究院有限公司，上海 200041)

0 引言

質子醫院為提供質子放療的現代化放射腫瘤學治療和研究機構，除了配置質子放療設備外，質子醫院還需配備直線加速器、MR、CT機等大型臨床輔助診斷治療設備。本文主要介紹質子醫院的配電設計、工藝專用接地、輻射屏蔽設計，為后期相關工程提供參考。

1 項目概況

質子醫院需設置質子設備專用變電所。變電所供電電源為二路獨立的10kV電源，二路10kV電源同時運行，互為常備用；同時設置質子專用的柴油發電機和UPS。其中質子加速器關鍵設備、控制設備、配套使用的工藝冷卻泵、磁鐵電源、掃描成像設備等為一級負荷中的特別重要負荷。診斷用CT、MR及X光機用電、空氣壓縮機組、真空吸引機組等為二級負荷，其余為三級負荷。

2 工藝配電設計

質子醫院的變配電系統是一個為大型醫療裝置及其相關配套設施供電的電源系統，對配電系統的穩定性、可靠性及其電源質量都有很高的要求，同時質子設備及其配套設施本身相對復雜。

2.1 工藝負荷

從安全角度考慮，質子工藝負載中既有突然停電造成重大經濟損失的設備(如供應低溫系統電源、超導磁鐵電源、固定束流室電源、控制系統電源)，也有停電可能導致人員生命危險的設備(如安全門聯鎖系統)。從電壓等級考慮，專用的PT設備需采用不同于國內的電壓等級(如400VAC/50Hz，230VAC/50Hz)。從電源特性考慮，有的負荷是大的諧波發生源(如磁鐵電源)，也有對諧波耐受較差的控制類負荷。圖1所示為諧波失真圖。

圖1 諧波失真圖

2.2 工藝電源設計

質子區域的變配電系統設置專用濾波設備和智能低壓配電系統。根據不同的負荷等級，設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，及工藝柴油發電機電源等)。各種性質的電源需要適應不同的工況，以滿足在不同情況下的開機或停機要求，既要求電源的可靠性，也需要在配電上具有靈活性。

質子專用變電所內的變壓器二次側、質子專用UPS、質子專用柴油發電機的電壓等級均需根據工藝設備的電壓等級設置(如變壓器變壓比：10/0.42kV、低壓柴油發電機：0.42kV)。質子區域采用智能低壓配電系統，以便實現故障的提前預知，實現供電的連續性，運維的安全便捷性；避免故障停電后的經濟損失和安全危險。同時考慮到質子設備區配電柜的輻射影響，以及平時人員無法進入輻射區域進行故障排查及運維工作，因此質子設備區內配電柜的配電系統也應采用智能配電系統。

2.3 工藝諧波治理

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

有源濾波裝置采用快速傅里葉分析與瞬時無功理論相結合的自適應神經網絡控制策略。有源濾波器濾波范圍：2～50次；2～25次達到97%以上濾除效果，26～49次內應保證90%以上的濾除效果，并應滿足26～50次內指定次諧波的濾波要求且可根據需要設定需要濾波的諧波次段和濾除諧波的目標值。

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，以避免三相不平衡導致補償諧波與實際需補償諧波量不符而造成更多諧波污染。

當系統負載的諧波量大于濾波器補償能力時，有源濾波器仍應根據本體容量輸出額定電流，繼續有效濾波，不發生超載或導致設備損壞而退出運行。

3 工藝專用接地

質子設備區域的防雷接地除應符合國內規范外，還需滿足NFPA78-2014防雷規范。質子設備區域配備的防雷系統，包括防雷專用接閃系統、專用引下線、樓層均壓和接地系統。該系統用特殊的夾具固定；引下導體、接地系統、樓層均壓所用固定支架與專用連接夾具應滿足50kA(10/350)雷電沖擊測試要求，并通過UL認證。

質子醫院一般也采用聯合接地系統，但除常規接地外，PT設備區域還需設置工藝專用接地，即在地板內設置120mm2的銅鍍鋅絞線的接地網格(網格大小根據實際PT設備需求選擇)與基礎鋼筋網每隔1.5m通過夾具連接，形成電氣貫通；并且地板內120mm2的銅鍍鋅絞線組成的接地網格通過相關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(接地網絡與每一個樁基主筋的連接點數量≥2,如圖2所示。

圖2 工藝專用接地網絡

此外，質子工藝接地點以及相關接地點的接地方式為：在地板內120mm2的銅鍍鋅絞線的接地網格通過夾具引出的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鋼筋網的鋼筋每隔2m固定，如圖3所示。

圖3 工藝接地垂直貫通線接法

質子設備區域內的敏感測量設備的信號接地需通過專用的非磁性接地導體材料引至室外獨立設置的不銹鋼人工接地網絡，并與工藝專用接地網絡隔離。

4 防輻射屏蔽設計

質子治療的技術原理，即利用回旋加速器將質子加速到高能狀態，使其具有極強的穿透性電離輻射，再經能量選擇系統、束流傳輸系統傳輸到各個治療室內。質子射線到達病灶后，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”，能夠對腫瘤病灶進行強有力的照射，同時又避開照射正常組織，實現療效最大化。因此根據質子治療的特性以及質子運行時產生的大量輻射，質子運行區域的防輻射屏蔽設計尤為重要。

PT設備運行時會在輻射區域產生高輻射，即使停機后局部區域仍可能存在，因此預先設置輻射安全聯鎖系統，以防止加速器工作人員誤入高輻射區而受到傷害，以及限制輻射對人的傷害。

輻射安全聯鎖系統在質子總控制系統中處于設備控制層，具有極高的優先權，不同于其他設備控制器，屬于總體級聯鎖；輻射安全聯鎖系統正常聯鎖后，質子回旋加速器方可開機，同時加速器的停機信號也是輻射安全聯鎖系統停止運行的必要條件。人身安全門聯鎖系統主要是借助門禁控制系統和質子設備總控制系統的聯鎖信號將質子設備區和控制區內劃分禁止進入區域和限制進入區域，例如當質子加速器運行時，加速器隧道即為禁止進入區域；當質子加速器停機時，加速器隧道可由禁止進入狀態轉為限制進入。所有穿越質子區域的電氣管線大多數必須被嵌入混凝土墻內，并滿足屏蔽防輻射的要求；同時嵌入輻射屏蔽墻內部的管線需要最少2～3次彎曲，保持最小彎曲半徑，不允許管線直接穿越質子區域。

5 結束語