張 亮, 孔令兵

(中船第九設(shè)計研究院工程有限公司, 上海 200090)

0 引 言

我國人口老齡化在逐年攀升,“十四五”伊始,全國各省市相繼出臺了《“十四五”衛(wèi)生與健康規(guī)劃》以及一系列的醫(yī)療衛(wèi)生體系規(guī)劃。在政策推動下,全國醫(yī)院改造與建設(shè)的步伐正在提速。醫(yī)療核磁共振成像(MRI)設(shè)備是任何一家具備放射科檢查的醫(yī)院不可或缺的。在進行MRI機房電氣設(shè)計時,院方通常還未進入MRI設(shè)備招采階段,電氣設(shè)計工程師無法獲取MRI設(shè)備的電氣參數(shù),按土建預(yù)留用電量等通用做法往往存在估算不準(zhǔn)、土建預(yù)留條件不理想等問題。導(dǎo)致設(shè)備招采完畢后,機房土建改動工作量較大,還會引起變電站內(nèi)低壓開關(guān)柜內(nèi)元器件更換等問題。目前主流的MRI設(shè)備廠家較多(如GE、西門子、飛利浦、AURORA等),不同廠家的MRI設(shè)備對場地的要求也各不相同,但在設(shè)備供電與控制、照明、接地等系統(tǒng)的電氣要求上存在一些共性。

1 MRI機房的選址

在醫(yī)療建筑平面規(guī)劃時,MRI機房的位置主要由醫(yī)療工藝、醫(yī)院以及建筑師共同確定。但在MRI機房選址時,電氣設(shè)計工程師應(yīng)當(dāng)參與到選址的決策中。根據(jù)MRI設(shè)備的成像原理,可以發(fā)現(xiàn)MRI設(shè)備非常容易受到鐵磁物質(zhì)及電流的影響,磁場的均勻度是MRI設(shè)備的重要技術(shù)參數(shù),磁場均勻度的穩(wěn)定性直接影響了成像質(zhì)量。干擾MRI設(shè)備的因素主要分為:動態(tài)金屬干擾(如電梯、汽車、地鐵等);靜態(tài)金屬干擾(如建筑物結(jié)構(gòu)體內(nèi)的鋼筋等);振動物體(如電機、水泵等);變化的電流;同場強的另一臺MRI。從干擾因數(shù)可以發(fā)現(xiàn),產(chǎn)生變化電流的主要源頭為高壓線、變壓器及發(fā)電機,如何避免變化電流對MRI設(shè)備的影響是電氣設(shè)計工程師參與選址的主要目的。

為了避免變電站的磁場干擾,MRI機房通常不能離變電站太近,但也不能太遠(yuǎn)。從多個項目設(shè)計來看,結(jié)合主流品牌MRI設(shè)備的場地要求,變壓器到MRI機房配電柜之間的電纜通常需要由一次土建設(shè)計階段負(fù)責(zé),供電電纜截面的選擇還要保證變壓器輸出端至設(shè)備配電柜的壓降小于約2%,距離長短影響了供電電纜截面的大小。變壓器與配電柜距離和電纜截面配比如表1所示。通過調(diào)研GE公司各規(guī)格MRI設(shè)備的場地要求手冊,發(fā)現(xiàn)各類規(guī)格MRI設(shè)備的供電電纜首先要滿足表1。

表1 變壓器與配電柜距離和電纜截面配比

由表1可以看出,MRI機房距離變電站越遠(yuǎn),供電電纜的截面也越大,甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了能滿足線路載流及熱穩(wěn)定校驗的截面,這無疑增加了不少投資。在整個MRI機房平面設(shè)計過程中,選址是最重要的一步。因此,在選址規(guī)劃時,電氣設(shè)計工程師應(yīng)與各方共同確定最優(yōu)的位置。

2 MRI設(shè)備的配電設(shè)計

我國目前使用的醫(yī)用MRI設(shè)備主要有永磁型MRI系統(tǒng),常導(dǎo)型MRI系統(tǒng)和超導(dǎo)型MRI系統(tǒng)。其中超導(dǎo)型MRI應(yīng)用最為廣泛,超導(dǎo)型MRI設(shè)備一旦磁場建立完成,超導(dǎo)磁體就不再消耗能量。加速器的主要耗能部件有:磁體的梯度磁場系統(tǒng);射頻系統(tǒng);用于冷卻加速器線圈真空包內(nèi)液氮的專用水冷環(huán)境控制系統(tǒng)等。MRI設(shè)施主要在監(jiān)測采樣和記錄過程中消耗電能。檢查所需要的時間依據(jù)病理、部位的不同,一般在幾分鐘到數(shù)十分鐘不等,由此看來MRI設(shè)施屬于持續(xù)性工作設(shè)備[1]。根據(jù)JGJ 312—2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計規(guī)范》,醫(yī)用MRI設(shè)備應(yīng)按連續(xù)性工作制負(fù)荷供電。醫(yī)用MRI設(shè)備的主機、冷水機組應(yīng)分別從配變電所引出專用回路供電,且主機宜采用兩路供電,冷水機組應(yīng)采用兩路供電[2]。

對于二級醫(yī)院及三級醫(yī)院而言,根據(jù)JGJ 312—2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計規(guī)范》,對影像科診斷用電設(shè)備的負(fù)荷等級定位為二級負(fù)荷,MRI設(shè)備屬于放射科診斷設(shè)備,按二級負(fù)荷配電。通常在MRI機房內(nèi),電氣設(shè)計需要設(shè)置兩臺配電柜,其中一臺為MRI主機專用,另一臺為其他輔助設(shè)施專用,如專用冷水機組、空調(diào)、插座等。

MRI機房的電氣設(shè)計通常分兩個階段實施:第一階段為土建施工圖階段,第二階段為專項深化設(shè)計。在土建施工圖階段,幾乎所有的項目,院方一般都無法準(zhǔn)確提供MRI的具體參數(shù)和型號。但電氣設(shè)計需要在土建施工圖階段預(yù)留好后期MRI設(shè)備安裝的條件,這就需要電氣設(shè)計工程師能夠掌握較為主流MRI設(shè)備的電氣要求,在配變電所內(nèi)準(zhǔn)確預(yù)留好開關(guān),避免后期深化設(shè)計時更換抽屜柜內(nèi)的斷路器等相關(guān)元器件。

專項深化設(shè)計與土建一次設(shè)計的界面通常在MRI設(shè)備柜的進線開關(guān)上樁頭,大多數(shù)MRI廠家需要院方提供MRI設(shè)備自帶設(shè)備柜的進線電纜。在大多數(shù)醫(yī)院項目的一次設(shè)計中,習(xí)慣配電設(shè)計至MRI機房內(nèi)MRI主機專用的主配電柜,由配變電所不同變壓器低壓側(cè)母排分別提供1路一主一備的電源,放射式供電至MRI機房配電柜,輔助設(shè)備配電柜的供電也采用此方法。在MRI設(shè)備無法確定的情況下,此設(shè)計思路往往無法準(zhǔn)確預(yù)留好條件,基于保守原則,一次設(shè)計配置的開關(guān)、電纜都會盡量往大設(shè)計。在大多數(shù)醫(yī)院項目的一次設(shè)計圖紙中,一次預(yù)留按MRI設(shè)備80,110,140 kVA較為常見,斷路器也是大多類比電動機負(fù)荷去整定,往往要整定在200,300,350 A,相應(yīng)的電纜截面的選擇也一般與開關(guān)整定值配比。在專項深化設(shè)計時,會發(fā)現(xiàn)一次預(yù)留的開關(guān)與電纜往往都偏大,這無疑造成了一定程度的浪費。

在一次土建設(shè)計階段,可以與院方協(xié)商,電氣設(shè)計僅在配變電所內(nèi)預(yù)留好開關(guān),配變電所至MRI機房的主配電柜及輔助配電柜的電纜均不設(shè)計及敷設(shè),僅預(yù)留好電纜敷設(shè)的橋架。在深化設(shè)計時,根據(jù)實際招采的設(shè)備及廠家MRI設(shè)備的場地手冊進行復(fù)核,再補充院方范圍內(nèi)的設(shè)計。當(dāng)然,只有熟悉相關(guān)的醫(yī)療電氣規(guī)范和圖集,熟悉主流MRI設(shè)備的電氣參數(shù)及性能要求,才能在一次設(shè)計階段預(yù)留好經(jīng)濟、可靠、合理的安裝條件。主流MRI設(shè)備的電氣參數(shù)如表2所示。

表2 主流MRI設(shè)備的電氣參數(shù)

表2總結(jié)了比較常見的1.5,3 T(MRI)的電氣參數(shù)要求,可以看出,不同規(guī)格的MRI設(shè)備功率跨度較大,但是開關(guān)整定值較為相近。MRI設(shè)備的運行特點是負(fù)荷相對平穩(wěn),保護開關(guān)斷路器的參數(shù)也一般按負(fù)荷進行整定。在配變電所內(nèi)為MRI主機配電柜及輔助設(shè)備配電柜的主備用回路各預(yù)留一組MCCB-400A電子式塑殼斷路器,脫扣器額定電流可調(diào),整定范圍為200～400 A;預(yù)留一組MCCB-250A電子式塑殼斷路器,脫扣器額定電流可調(diào),整定范圍為100～250 A。這是基于不同規(guī)格的MRI設(shè)備的考慮,在深化設(shè)計時,實際招采的設(shè)備可能為1.5 T或者3 T,甚至5 T的MRI設(shè)備,而且目前7 T、11 T的MRI設(shè)備也在逐漸應(yīng)用,醫(yī)院項目往往可能因為多方面原因?qū)е陆ㄔO(shè)延期,MRI設(shè)備也會在這個過程不斷發(fā)展。設(shè)置大小兩組整定可調(diào)的開關(guān),基本上可以應(yīng)對不同的設(shè)備,而無需更換低壓開關(guān)柜內(nèi)開關(guān),無論深化時使用哪一種,另一種均可留作備用,也不產(chǎn)生浪費。

本項目承接某醫(yī)院MRI機房的深化設(shè)計,一次設(shè)計預(yù)留MRI設(shè)備的功率為110 kVA,低壓總配電間內(nèi)開關(guān)整定為250 A,低壓開關(guān)柜配出電纜為WDZ-YJY-3×120+1×70+E70 mm2;一次預(yù)留MRI輔助設(shè)備的功率為30 kW,低壓總配電間內(nèi)開關(guān)整定為80 A,低壓開關(guān)柜配出電纜為WDZ-YJY-3×25+1×16+E16 mm2。深化設(shè)計時,實際設(shè)備型號為GE(Signal MR)-1.5T,根據(jù)該設(shè)備場地手冊,主機設(shè)備的電氣參數(shù)要求可參見表2,該設(shè)備推薦的斷路器保護整定值為200 A,根據(jù)變壓器與配電柜距離小于60 m,配合開關(guān)整定值,實際電纜可以選用WDZ-YJY-3×95+1×50+E50 mm2。因一次設(shè)計中電纜已設(shè)計到位,所以深化設(shè)計不考慮更換開關(guān)及電纜,但也存在一定浪費。另外,根據(jù)設(shè)備場地手冊要求,機房空調(diào)一般按40 kW、水冷機50 kW設(shè)計,另外還有其他插座、照明等用電設(shè)備,因此原設(shè)計預(yù)留的輔助設(shè)備配電箱用電的開關(guān)及電纜均偏小,需要更換開關(guān)柜內(nèi)的開關(guān),換成MCCB-250A塑殼斷路器,整定值為250 A,出線電纜應(yīng)更換為WDZ-YJY-3×120+1×70+E70 mm2,某醫(yī)院MRI機房電力平面圖如圖1所示。

圖1 某醫(yī)院MRI機房電力平面圖

某醫(yī)院MRI機房主配電柜系統(tǒng)圖如圖2所示。某醫(yī)院MRI機房輔助配電柜系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖2 某醫(yī)院MRI機房主配電柜系統(tǒng)圖

圖3 某醫(yī)院MRI機房輔助配電柜系統(tǒng)圖

根據(jù)上述案例可以發(fā)現(xiàn),如果采用在一次設(shè)計僅預(yù)留至低壓總配電間內(nèi),設(shè)置整定可調(diào)的斷路器,可以大大減小浪費,配合深化設(shè)計時也更為靈活。

3 MRI機房的照明設(shè)計

MRI掃描室的設(shè)備,容易使患者緊張,給患者帶來壓迫感。因此,在進行MRI機房的照明設(shè)計時,設(shè)計師應(yīng)盡量通過燈光營造一種舒暢、輕松的氣氛。

MRI機房的照明設(shè)計首先要滿足規(guī)范對場所的照度標(biāo)準(zhǔn)及照明功率密度限值要求。根據(jù)JGJ 312—2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計規(guī)范》及GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的要求,MRI機房內(nèi)0.75 m水平面的照度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)滿足300 lx±10%,功率密度限值不大于8 W·m-2。所選燈具應(yīng)采用銅、鋁、工程塑料等非磁性材料,磁體間不允許使用熒光燈及調(diào)光器等,防止電磁感應(yīng)影響儀器的圖像和成像質(zhì)量。一般采用直流照明,需要電氣一次設(shè)計階段預(yù)留好直流電源,如果一定要采用交流電源供電,則燈具的金屬外殼應(yīng)集中一點接地。根據(jù)主流MRI設(shè)備場地手冊要求,檢查室一般要設(shè)置有級或無級調(diào)光控制,使被檢查者的視覺有一個明暗適應(yīng)的過程。燈具不應(yīng)布置在機器正上方,一般在設(shè)備的四周均勻布置,并且應(yīng)避免給被檢查者造成眩光。某醫(yī)院MRI機房照明平面圖如圖4所示。

圖4 某醫(yī)院MRI機房照明平面圖

此外,MRI機房還應(yīng)設(shè)置防止誤入的紅色信號燈標(biāo)志,紅色信號燈電源應(yīng)與機組連通[3]。MRI設(shè)備開機工作時紅色信號燈標(biāo)志亮,紅色信號燈設(shè)置于機房外的門框上方。由于MRI機房需要做電磁屏蔽措施,所以屏蔽室內(nèi)照明線路進出時均需要設(shè)置濾波器,內(nèi)部照明及裝修也必須由專業(yè)公司完成。

4 MRI配電線路諧波治理

MRI作為感性負(fù)載,其運行產(chǎn)生的諧波電流頻譜較寬,在不同工作狀態(tài)時,各次諧波含量不同,相位也有差異,但含量最高的均為5次諧波,一般基波的功率因數(shù)在0.45～0.6,比電氣設(shè)計時參考的功率因數(shù)要小。過低的功率因數(shù)將導(dǎo)致系統(tǒng)的供電能力降低、線路損耗增加、系統(tǒng)電能質(zhì)量降低,同時還會產(chǎn)生諧波磁場,影響精密醫(yī)療設(shè)備的使用性能、精度和壽命,因此MRI設(shè)備的配電需要采取諧波治理。

對于醫(yī)療建筑而言,在變壓器低壓側(cè)通常也會集中設(shè)置有源濾波裝置,但對于大型醫(yī)療設(shè)備MRI而言,因MRI機房落位通常離變電站較遠(yuǎn),且容量都較大、設(shè)備功率因數(shù)較低,因此,在MRI設(shè)備就近設(shè)置有源濾波裝置,進行諧波治理,有利于減少MRI設(shè)備配電線路的損耗,降低其配電線纜投資。

5 MRI機房的接地設(shè)計

抗干擾關(guān)系到MRI設(shè)備能否可靠工作的重要問題,干擾傳遞主要通過傳導(dǎo)和輻射實現(xiàn)。傳導(dǎo)干擾通過電路之間的互聯(lián)導(dǎo)線而傳遞,輻射干擾通過干擾源產(chǎn)生電磁場而傳播。接地系統(tǒng)同時具備傳遞、輻射這兩種干擾的途徑,采用零電阻或是低阻抗的接地通道可以降低接地系統(tǒng)帶來的干擾。

醫(yī)療建筑按現(xiàn)行規(guī)范采用共用接地系統(tǒng),設(shè)備功能接地、保護接地與建筑物防雷接地共同接到總等電位接地端子箱,接地電阻不大于1 Ω。MRI機房必須采用單點接地方式,不得采取環(huán)形接地回路。一般在屏蔽體電源濾波器安裝處設(shè)置局部等電位端子箱,引線徑為70 mm2的獨立接地線到MRI專用接地裝置,可以減小可能帶來的干擾。

6 結(jié) 語

本文結(jié)合實際工程,對MRI機房電氣設(shè)計做了一些分析與總結(jié),對此類工程設(shè)計具有一定的參考意義。MRI設(shè)備也在不斷發(fā)展,7 T甚至11 T的MRI設(shè)備也在漸漸投入使用,掌握盡可能多的類型設(shè)備性能及電氣設(shè)計要點,才能在土建預(yù)留設(shè)計與深化設(shè)計配合之間更加游刃有余。