医用X射线机的负荷计算_中国卫生工程网中国医院协会医院建筑系统研究分会

医用X射线机的负荷计算: 日期：2010-04-15 09:46来源：2007医院建筑设计年会:章迎钜:

医院建设离不开医疗设备的电气设计和安装，医院放射诊断科最为常规的X射线机及其机房、控制室的供电、照明、接地等是医院建筑电气设计必须掌握的内容之一，本文就X射线机的这些

医用X射线机的负荷计算

上海市卫生建筑设计研究院章迎钜

医院建设离不开医疗设备的电气设计和安装，医院放射诊断科最为常规的X射线机及其机房、控制室的供电、照明、接地等是医院建筑电气设计必须掌握的内容之一，本文就X射线机的这些问题展开讨论，供读者参考。

一、医用X射线机简介

医用X射线机就是我们俗称透视或拍X光片的医疗诊断设备。X线是一种看不见、摸不着的一种射线。1895年德国物理学家伦琴在做真空管高压放电实验时，发现了这种能使某些物质发生荧光和使胶片感光的射线，即X射线或称X线，这一伟大的发现，震撼了世界，伦琴也因此获得首届诺贝尔物理学奖。

这种X线很快被应用到医学的临床诊断上，在1896年，德国西门子公司就研制出世界上第一支X线球管，不久又出现了常规的X线机，此后随着变压器、仪器、人工造影等X线相关设备的不断开发、研制和运用，极大地推进X线机的发展，在20世纪60年代逐步形成一个独立完整的科学体系，称为放射诊断学。它能对人体各个系统包括呼吸、循环、泌尿生殖、骨骼、中枢神经和五官疾病等人体内部多项组织进行检查，并提供确切的诊断信息，至今在医院仍然发挥其十分有效的作用。

X线机主要由电源、控制装置、高压发生装置、X线管和机械辅助装置等组成。它的工作原理是利用电能通过变压器把电源电压大幅度升高，升高后的电压接通真空X线管内的阴极灯丝，使灯丝快速加热，并发射电子。电压越高，灯丝通过的电流越大，发射的电子数越多，发射电子的能量也就越大。在高电压的作用下这些高速运动的电子，在X线管内由阴极轰向阳极，而阳极是由金属靶面组成的，X线就是在高速电子猛烈轰击金属靶的情况下所产生的射线，医学上根据人体组织对X线有透过与吸收作用的特点，把X线照射在人体上，除去部分被吸收、散射而消失的X线外，其余X线经过人体不同组织衰减后射出射出的X线携带出人体内部组织的结构信息组成影像，

这些影像经过特制的转换器转换为可见光影像反映到电视显示屏上，这就是透视X线成像机。医生通过X线成像对人体内部组织进行观察和诊断，如果把X线胶片代替显示屏，把被检部分影像永久记录在胶片上，就是摄影X线机，一般摄影X线成像时间十分短暂，在0.1秒左右完成。

二、X线机的负荷计算

X线机以国产机为例，有单相220V、380V和三相之分，一般有10mA，50~70KV小型牙科X线机； 24~70mA，40~120KV手术用X线机；0.4~98 mA，40~100KV单相移动式，用于行走困难的住院病人；还有300mA、400mA、500mA、800mA、1000 mA，65KV，100KV，125KV，150KV及以上的大型X线机。大型X线机有固定机房安装，由病人登记进行摄像检查。X线机除了通用型外，还有许多专科使用的，如心血管造影、消化道、胸科、神经、骨科、泌尿、牙科、五官、乳腺、介入等各种X线机。目前新建医院往往把X线机在放射科集中安装，因为X线机是一种放射性医用设备，应避免对正常人体的照射，X线机房都采用一定厚度的隔墙和铅板予以隔离，防止对健康人员的损害。

X线机集中安装，隔墙和铅板利用率高，诊断区域集中也便于管理，因此在对X线机进行电气设计时，必须把集中在一起的X线机一起进行负荷计算，统筹敷设电源线。这类设备容量大，对电源的内阻要求高，电压不稳定或降低会影响拍片的清晰度，但工作时间极其短暂，需要系数很小，多台共用一路电源，比较有利。

一台X光负荷计算（KVA）：

S=1/K×E_Sm×I_Sm×10^-3=1/K×1/F×E_SF×I_Sm×10^-3 （1）

多台X线机最大相的相瞬时负荷计算（kVA）：

S_JS= S₁+ S₂ + 0.2∑S_{i （2）}

式中S----X射线诊断机的瞬时最大负荷（kV·A）

I_Sm----X射线管最大工作电流（平均值）（mA）

E_Sm---- X射线管最大工作电流（平均值）所对应的最大工作电压（平均值）（kV）

E_SF---- X射线管最大工作电流（平均值）所对应的最大工作电压（峰值）（kV）

F----X射线管整流电压的波形系数与峰值系数之积

K----整流变压器初级线圈的利用系数

S₁ S₂ ----多台X线机在该相最大两台的相计算负荷

表1：各种直流高压发生电路的1/F、1/K值

电路参数值倒数直流高压发生电路中整流电路名称	1/F	1/K
单相全波整流电路	0.636	1.33
三相星形整流电路	0.827	1.31
三相三角形/三相曲折形整流电路	0.827	1.31
三相三角形/六相星形整流电路	0.955	1.145
三相三角形/六相叉形整流电路	0.955	1.145
双Y、中性点联有平衡电抗器的整流电路	0.955	1.145
三相三角形/十二相四重曲折形整流电路	0.99	1.11
单相桥式整流电路	0.636	1.33
三相桥式整流电路	0.955	1.15
次级侧接成△、Y并联三相桥式十二相整流电路（接有平衡电抗器）	0.99	1.11
次级侧接成△、Y并联三相桥式十二相整流电路（不接有平衡电抗器）	0.99	1.11
次级侧接成△、Y串联三相桥式十二相整流电路	0.99	1.11

注：二相全波（桥式）整流电路的X射线诊断机，在计算其瞬时最大负荷时，可采用单相整流相应电路的计算系数；本表摘自《民用建筑电气设计规范》 JGJ/T16-92表10.10.8）

根据以上计算公式和表1的数据，可以求得的X线机瞬时最大负荷和瞬时最大电流，计算结果与X线机的实际瞬时最大电流是相近的。X线机在透视、摄片瞬间，功率因数COSφ接近于1，在工程计算上以COSφ=1为条件，以最大管电压、管电流作为计算参数作以下的负荷计算。

以国产XG200C医用诊断X射线机为例，产品样本主要技术参数如下：

管电压：50~125KV；管电流：50~200mA，六档可选；电源：单相220V， 380V，50Hz，内阻380V时≤0.9Ω，220V时≤0.3Ω。

计算：ISm=200 mA，ESF=125KV，查表1：1/F=0.636，1/K=1.330。

瞬时最大负荷：S=1/K×1/F×ESF×ISm×10-3=21.15KVA。

瞬时最大电流：单相380V时， Im=S/U=55.66A，单相220V时，Im=S/U=96.13A。

以国产XG500A医用诊断X射线机为例，产品样本主要技术参数如下：

管电压：50~125KV；管电流：50~500mA，六档可选；电源：三相380V，50Hz，内阻≤0.3Ω。

计算：ISm=500 mA，ESF=125KV，查表1：1/F=0.827；1/K=1.310。

瞬时最大负荷：S=1/K×1/F×ESF×ISm×10-3=67.71KVA。

瞬时最大电流：Im=S/（1.732×Ue ）=102.88A。

对于多台X线机的负荷计算，由前述可知X线机分三相、单相线电压380V，单相相电压220V三种类型，这些设备的使用尽可能均匀分配在三相电源上，然后根据式（2）计算出最大相的相瞬时负荷。在此先把电气计算中有关单相负荷换算为等效三相负荷的部分内容复述如下：

1．一个单相负荷时，等效三相负荷取单相负荷的3倍 P_d= 3P_x

2．一个线间负荷时，等效三相负荷 P_d=1.732P_ab

3．两个线间负荷时，设线间负荷分别接于ab，ca线间，先将线间负荷换算为a相负荷，再由单相负荷的3倍换算为等效三相负荷。

P_a= P_ab×p_（ab）a+ P_ca×p_（ca）a

Q_a= P_ab×q_（ab）a+ P_ca×q_（ca）a

以上式中： P_ab ，P_ca------接于ab，ca线间负荷（kW）；

p_（ab）a，p_（ca）a ，q_（ab）a ，q_（ca）a ------为接于ab，ca线间负荷换算为a相负荷有功及无功负荷的换算系数，当COSφ=1时，以上换算系数分别为0.50，0.50，-0.29，0.29；（摘自：中国电力出版社《工业与民用建筑配电设计手册》第三版表1-14）

P_a------换算为a相有功负荷，（KW）；

Q_a------换算为a相无功负荷，（Kvar）；

P_d------等效三相负荷，（KW）；

P_x------单相负荷，（KW）。

现假设有以下5五台X线机，其单台瞬时最大负荷和电流计算在表2内。其中两台单相线电压X线机必须折算到相负载上。

设500 mA接于ab相，300 mA接于ca相，COSφ=1，由换算公式：

表2

X线机类型	三相	三相	单相线电压	单相线电压	单相
I_Sm （mA）/ E_SF_（KV）	800/100	500/125	500/125	300/125	100/100
1/F×1/K	0.827×1.31	0.827×1.31	0.636×1.33	0.636×1.33	0.636×1.33
瞬时最大负荷S（KVA）	86.67	67.71	52.87	31.72	8.46
瞬时最大电流Im（A）	131.69	102.88	139.13	83.47	38.45

P_a= P_ab×p_（ab）a+ P_ca×p_*_（ca）a=S_ab×p_（ab）a+S_ca×p_（ca）a=52.87×0.5+31.72×0.5=42.30（kW）

Q_a= P_ab×q_（ab）a+ P_ca×q_*_（ca）a=S_ab×q_（ab）a+S_ca×q_（ca）a=52.87×-0.29+31.72×0.29=-6.14（kVAR）

S_JS= S₁+ S₂ + 0.2∑S_i=86.87/3+67.71/3+0.2×（42.74+8.46）=61.77（kVA）

I_m=S/U=61.77/0.22=280.77A

计算结果选择导线还必须满足以下两个条件：按产品供电要求的电源内阻最小值选择导线截面再加大一级；按多台X线机的瞬时负荷计算电压损失，必须每台X线机工作都能满足的导线截面。这样，按多台X线机的瞬时负荷计算电压损失，实际又不可能多台X线机同时处于拍片瞬间，采用一根截面较大的电缆供电，能够达到电压降小，变电所出线少，节省投资的效果。

在多台X线机供电导线确定后，对于每一单台X线机的电源导线的处理：

以500mA的X线机为例，瞬时最大电流为102.88A，断路器过电流保护按不小于按X线机瞬时负荷50%计算，采用额定电流100A的断路器，过电流脱扣整定电流80A。电源导线按常规选4×35mm²铜芯电缆，但是X线机《产品样本》中往往有一个对电源内阻的要求，一般在0.1~1.0Ω之间。为了方便工程的设计和安装，供货方会提供一组供电导线长度与导线截面的对照选择表（见表3），注意：表3导线长度通常是指电源变压器到X线机终端配电箱的距离，如果多台X线机采用一根大截面电缆，把电源送到放射科附近的配电箱，该电缆称第一段导线。单台X线机由配电箱引出的电源导线至终端配电箱称为第二段导线，则二段导线的线路电阻相加，包括考虑保护开关的接触电阻在内的和，应小于表3线路长度和截面所对应的线路电阻。

表3 X线机供电导线长度与截面

导线长度（米）	35	60	80	100	120
铜导线截面（平方毫米）	16	25	35	50	70

三、X线机的照明平面

每一台医用X线机的安装由控制室和X线机房组成，控制室通过铅玻璃制成的观察窗观察病人姿势是否符合要求，因此控制室和机房照度应接近，控制室太亮，机房会形成黑洞效应难以观察，那么照度选择多少合适呢？《综合医院建筑设计规范》JGJ/T49-88推荐照度是100~200LX；《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16-92第11.9.6.18条是30-50-70LX。

事实上控制室和机房在正常工作时，50LX平均照度值已经完全满足要求，但是X线机是一种需要维护保养和维修的医用设备，控制室和机房必须具备200LX的平均照度，所以照明设计可以采用白炽灯和荧光灯结合的方式，使平均最高照度达到200LX要求的设计标准，控制室白炽灯采用调光控制有利操作人员调整合适的照度值。机房每个入口应安装表示X线机正在工作的指示灯，四周墙上安装单相插座供计算机、除湿机、维修、空调等使用。

目前制造的X线机基本不用天轨、地轨，有些产品立柱也不用，X线球管和诊断床一体化，即使有立柱也不在地面轨道上滑动，因此机房顶棚荧光灯布置完全不受天轨位置影响，设备接地也更简单。为了保证X线拍摄和透视的质量，患者更衣穿指定的衣服进入机房诊断，已经成为医院放射科的一种趋势。

四、X线机的接地要求

X线机的接地要求主要分为：

1．保护接地：无任是TN-S接地系统还是TN-C-S接地系统，X线机的接地保护（PE）线与三相四线电源线一起送至X线机的终端配电箱，此外采用40×4热镀锌扁钢由接地体直接引来，与X线机配电箱接地排PE线连接，以后机房内需要接地的设备底座、升压变压器零电位、防护铅板接地等由机房专业装修人员安装时从配电箱接地排引出即可。

2．信号接地：因为X线机使用微机控制X线球管和高分辨CCD数字化影像处理已经十分普遍，信号地的稳定、可靠是X线机影像处理抗干扰使信号完整可靠的基本保证。接地线由建筑物基础钢筋形成的联合接地体直接引来，采用熔焊方式把铜质接地排从接地体引出，再与1×25mm²铜芯绝缘软导线可靠连接，穿绝缘管引至控制室控制台靠墙下侧接线盒内。

X线机作为医院放射科具有代表性的、最常规的医疗诊断设备，由于其在肺、骨骼、肠胃道和心血管等方面的医疗诊断和检查，具有十分重要和主导地位，并且成本低、速度快，信息确切等诸多优点，至今仍是有效的临床检查设备之一。医院建筑电气设计人员在设计X线机房时应注意设备特殊性，防止处理不当，设备运行不正常而造成医务人员和患者不必要的麻烦，比如电压的降低、导线截面选择偏小、接线、接地不合理，接触电阻过大等都会引起透视、摄片不清晰，照度的过高和过低，也会造成视觉的不适和维护修理的不便。这些内容应与医院放射科、设备生产厂和安装单位沟通协调处理完善。

参考文献：

[1]张里仁编.医学影像设备学.人民卫生出版社.

[2]中国建筑东北设计研究院.民用建筑电气设计规范JGJ/T16-92.中国计划出版社.