医疗核磁共振机房的电气设计

张 亮, 孔令兵

(中船第九设计研究院工程有限公司, 上海 200090)

0 引 言

我国人口老龄化在逐年攀升,“十四五”伊始,全国各省市相继出台了《“十四五”卫生与健康规划》以及一系列的医疗卫生体系规划。在政策推动下,全国医院改造与建设的步伐正在提速。医疗核磁共振成像(MRI)设备是任何一家具备放射科检查的医院不可或缺的。在进行MRI机房电气设计时,院方通常还未进入MRI设备招采阶段,电气设计工程师无法获取MRI设备的电气参数,按土建预留用电量等通用做法往往存在估算不准、土建预留条件不理想等问题。导致设备招采完毕后,机房土建改动工作量较大,还会引起变电站内低压开关柜内元器件更换等问题。目前主流的MRI设备厂家较多(如GE、西门子、飞利浦、AURORA等),不同厂家的MRI设备对场地的要求也各不相同,但在设备供电与控制、照明、接地等系统的电气要求上存在一些共性。

1 MRI机房的选址

在医疗建筑平面规划时,MRI机房的位置主要由医疗工艺、医院以及建筑师共同确定。但在MRI机房选址时,电气设计工程师应当参与到选址的决策中。根据MRI设备的成像原理,可以发现MRI设备非常容易受到铁磁物质及电流的影响,磁场的均匀度是MRI设备的重要技术参数,磁场均匀度的稳定性直接影响了成像质量。干扰MRI设备的因素主要分为:动态金属干扰(如电梯、汽车、地铁等);静态金属干扰(如建筑物结构体内的钢筋等);振动物体(如电机、水泵等);变化的电流;同场强的另一台MRI。从干扰因数可以发现,产生变化电流的主要源头为高压线、变压器及发电机,如何避免变化电流对MRI设备的影响是电气设计工程师参与选址的主要目的。

为了避免变电站的磁场干扰,MRI机房通常不能离变电站太近,但也不能太远。从多个项目设计来看,结合主流品牌MRI设备的场地要求,变压器到MRI机房配电柜之间的电缆通常需要由一次土建设计阶段负责,供电电缆截面的选择还要保证变压器输出端至设备配电柜的压降小于约2%,距离长短影响了供电电缆截面的大小。变压器与配电柜距离和电缆截面配比如表1所示。通过调研GE公司各规格MRI设备的场地要求手册,发现各类规格MRI设备的供电电缆首先要满足表1。

表1 变压器与配电柜距离和电缆截面配比

由表1可以看出,MRI机房距离变电站越远,供电电缆的截面也越大,甚至远远超过了能满足线路载流及热稳定校验的截面,这无疑增加了不少投资。在整个MRI机房平面设计过程中,选址是最重要的一步。因此,在选址规划时,电气设计工程师应与各方共同确定最优的位置。

2 MRI设备的配电设计

我国目前使用的医用MRI设备主要有永磁型MRI系统,常导型MRI系统和超导型MRI系统。其中超导型MRI应用最为广泛,超导型MRI设备一旦磁场建立完成,超导磁体就不再消耗能量。加速器的主要耗能部件有:磁体的梯度磁场系统;射频系统;用于冷却加速器线圈真空包内液氮的专用水冷环境控制系统等。MRI设施主要在监测采样和记录过程中消耗电能。检查所需要的时间依据病理、部位的不同,一般在几分钟到数十分钟不等,由此看来MRI设施属于持续性工作设备[1]。根据JGJ 312—2013《医疗建筑电气设计规范》,医用MRI设备应按连续性工作制负荷供电。医用MRI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[2]。

对于二级医院及三级医院而言,根据JGJ 312—2013《医疗建筑电气设计规范》,对影像科诊断用电设备的负荷等级定位为二级负荷,MRI设备属于放射科诊断设备,按二级负荷配电。通常在MRI机房内,电气设计需要设置两台配电柜,其中一台为MRI主机专用,另一台为其他辅助设施专用,如专用冷水机组、空调、插座等。

MRI机房的电气设计通常分两个阶段实施:第一阶段为土建施工图阶段,第二阶段为专项深化设计。在土建施工图阶段,几乎所有的项目,院方一般都无法准确提供MRI的具体参数和型号。但电气设计需要在土建施工图阶段预留好后期MRI设备安装的条件,这就需要电气设计工程师能够掌握较为主流MRI设备的电气要求,在配变电所内准确预留好开关,避免后期深化设计时更换抽屉柜内的断路器等相关元器件。

专项深化设计与土建一次设计的界面通常在MRI设备柜的进线开关上桩头,大多数MRI厂家需要院方提供MRI设备自带设备柜的进线电缆。在大多数医院项目的一次设计中,习惯配电设计至MRI机房内MRI主机专用的主配电柜,由配变电所不同变压器低压侧母排分别提供1路一主一备的电源,放射式供电至MRI机房配电柜,辅助设备配电柜的供电也采用此方法。在MRI设备无法确定的情况下,此设计思路往往无法准确预留好条件,基于保守原则,一次设计配置的开关、电缆都会尽量往大设计。在大多数医院项目的一次设计图纸中,一次预留按MRI设备80,110,140 kVA较为常见,断路器也是大多类比电动机负荷去整定,往往要整定在200,300,350 A,相应的电缆截面的选择也一般与开关整定值配比。在专项深化设计时,会发现一次预留的开关与电缆往往都偏大,这无疑造成了一定程度的浪费。

在一次土建设计阶段,可以与院方协商,电气设计仅在配变电所内预留好开关,配变电所至MRI机房的主配电柜及辅助配电柜的电缆均不设计及敷设,仅预留好电缆敷设的桥架。在深化设计时,根据实际招采的设备及厂家MRI设备的场地手册进行复核,再补充院方范围内的设计。当然,只有熟悉相关的医疗电气规范和图集,熟悉主流MRI设备的电气参数及性能要求,才能在一次设计阶段预留好经济、可靠、合理的安装条件。主流MRI设备的电气参数如表2所示。

表2 主流MRI设备的电气参数

表2总结了比较常见的1.5,3 T(MRI)的电气参数要求,可以看出,不同规格的MRI设备功率跨度较大,但是开关整定值较为相近。MRI设备的运行特点是负荷相对平稳,保护开关断路器的参数也一般按负荷进行整定。在配变电所内为MRI主机配电柜及辅助设备配电柜的主备用回路各预留一组MCCB-400A电子式塑壳断路器,脱扣器额定电流可调,整定范围为200～400 A;预留一组MCCB-250A电子式塑壳断路器,脱扣器额定电流可调,整定范围为100～250 A。这是基于不同规格的MRI设备的考虑,在深化设计时,实际招采的设备可能为1.5 T或者3 T,甚至5 T的MRI设备,而且目前7 T、11 T的MRI设备也在逐渐应用,医院项目往往可能因为多方面原因导致建设延期,MRI设备也会在这个过程不断发展。设置大小两组整定可调的开关,基本上可以应对不同的设备,而无需更换低压开关柜内开关,无论深化时使用哪一种,另一种均可留作备用,也不产生浪费。

本项目承接某医院MRI机房的深化设计,一次设计预留MRI设备的功率为110 kVA,低压总配电间内开关整定为250 A,低压开关柜配出电缆为WDZ-YJY-3×120+1×70+E70 mm2;一次预留MRI辅助设备的功率为30 kW,低压总配电间内开关整定为80 A,低压开关柜配出电缆为WDZ-YJY-3×25+1×16+E16 mm2。深化设计时,实际设备型号为GE(Signal MR)-1.5T,根据该设备场地手册,主机设备的电气参数要求可参见表2,该设备推荐的断路器保护整定值为200 A,根据变压器与配电柜距离小于60 m,配合开关整定值,实际电缆可以选用WDZ-YJY-3×95+1×50+E50 mm2。因一次设计中电缆已设计到位,所以深化设计不考虑更换开关及电缆,但也存在一定浪费。另外,根据设备场地手册要求,机房空调一般按40 kW、水冷机50 kW设计,另外还有其他插座、照明等用电设备,因此原设计预留的辅助设备配电箱用电的开关及电缆均偏小,需要更换开关柜内的开关,换成MCCB-250A塑壳断路器,整定值为250 A,出线电缆应更换为WDZ-YJY-3×120+1×70+E70 mm2,某医院MRI机房电力平面图如图1所示。

图1 某医院MRI机房电力平面图

某医院MRI机房主配电柜系统图如图2所示。某医院MRI机房辅助配电柜系统图如图3所示。

图2 某医院MRI机房主配电柜系统图

图3 某医院MRI机房辅助配电柜系统图

根据上述案例可以发现,如果采用在一次设计仅预留至低压总配电间内,设置整定可调的断路器,可以大大减小浪费,配合深化设计时也更为灵活。

3 MRI机房的照明设计

MRI扫描室的设备,容易使患者紧张,给患者带来压迫感。因此,在进行MRI机房的照明设计时,设计师应尽量通过灯光营造一种舒畅、轻松的气氛。

MRI机房的照明设计首先要满足规范对场所的照度标准及照明功率密度限值要求。根据JGJ 312—2013《医疗建筑电气设计规范》及GB 50034—2013《建筑照明设计标准》的要求,MRI机房内0.75 m水平面的照度标准值应满足300 lx±10%,功率密度限值不大于8 W·m-2。所选灯具应采用铜、铝、工程塑料等非磁性材料,磁体间不允许使用荧光灯及调光器等,防止电磁感应影响仪器的图像和成像质量。一般采用直流照明,需要电气一次设计阶段预留好直流电源,如果一定要采用交流电源供电,则灯具的金属外壳应集中一点接地。根据主流MRI设备场地手册要求,检查室一般要设置有级或无级调光控制,使被检查者的视觉有一个明暗适应的过程。灯具不应布置在机器正上方,一般在设备的四周均匀布置,并且应避免给被检查者造成眩光。某医院MRI机房照明平面图如图4所示。

图4 某医院MRI机房照明平面图

此外,MRI机房还应设置防止误入的红色信号灯标志,红色信号灯电源应与机组连通[3]。MRI设备开机工作时红色信号灯标志亮,红色信号灯设置于机房外的门框上方。由于MRI机房需要做电磁屏蔽措施,所以屏蔽室内照明线路进出时均需要设置滤波器,内部照明及装修也必须由专业公司完成。

4 MRI配电线路谐波治理

MRI作为感性负载,其运行产生的谐波电流频谱较宽,在不同工作状态时,各次谐波含量不同,相位也有差异,但含量最高的均为5次谐波,一般基波的功率因数在0.45～0.6,比电气设计时参考的功率因数要小。过低的功率因数将导致系统的供电能力降低、线路损耗增加、系统电能质量降低,同时还会产生谐波磁场,影响精密医疗设备的使用性能、精度和寿命,因此MRI设备的配电需要采取谐波治理。

对于医疗建筑而言,在变压器低压侧通常也会集中设置有源滤波装置,但对于大型医疗设备MRI而言,因MRI机房落位通常离变电站较远,且容量都较大、设备功率因数较低,因此,在MRI设备就近设置有源滤波装置,进行谐波治理,有利于减少MRI设备配电线路的损耗,降低其配电线缆投资。

5 MRI机房的接地设计

抗干扰关系到MRI设备能否可靠工作的重要问题,干扰传递主要通过传导和辐射实现。传导干扰通过电路之间的互联导线而传递,辐射干扰通过干扰源产生电磁场而传播。接地系统同时具备传递、辐射这两种干扰的途径,采用零电阻或是低阻抗的接地通道可以降低接地系统带来的干扰。

医疗建筑按现行规范采用共用接地系统,设备功能接地、保护接地与建筑物防雷接地共同接到总等电位接地端子箱,接地电阻不大于1 Ω。MRI机房必须采用单点接地方式,不得采取环形接地回路。一般在屏蔽体电源滤波器安装处设置局部等电位端子箱,引线径为70 mm2的独立接地线到MRI专用接地装置,可以减小可能带来的干扰。

6 结 语

本文结合实际工程,对MRI机房电气设计做了一些分析与总结,对此类工程设计具有一定的参考意义。MRI设备也在不断发展,7 T甚至11 T的MRI设备也在渐渐投入使用,掌握尽可能多的类型设备性能及电气设计要点,才能在土建预留设计与深化设计配合之间更加游刃有余。