Долгосрочная надежность высоковольтных систем RT-CT большого диаметра

Долгосрочная надежность высоковольтных систем RT-CT большого диаметра

Резюме

В симуляционном КТ-аппарате для лучевой терапии сеансы длятся 30–60 минут, диаметр канала превышает 85 см, а мощность трубки составляет 120–150 кВт. Потери в конденсаторах приводят к повышению температуры в камере, а старение диэлектрика определяет срок службы. В данной статье приводятся уравнения потерь, повышения температуры и срока службы по Аррениусу, три типа отказов, наблюдаемых в полевых условиях, а также параметры выбора и температурные этапы, обеспечивающие десятилетний срок службы.

1. Введение

В начале процесса лучевой терапии находится крупногабаритный КТ-аппарат. Пациент располагается на кушетке, данные изображения поступают в систему планирования, а врач контурирует мишени и рассчитывает дозу. Любая незапланированная остановка в этой цепочке задерживает лечение каждого пациента, находящегося за ней.

Сеансы КТ с ресинхронизирующим излучением (RT-CT) длятся долго. Одна симуляция может включать иммобилизацию, сканирование без контраста, сканирование с контрастом, 4D-КТ с синхронизацией по дыханию и совмещение изображений, при этом общее время экспозиции составляет 30–60 минут. Высоковольтная система работает непрерывно на протяжении всего сеанса.

При диаметре канала более 85 см возникает второй недостаток. Расстояние от трубки до детектора увеличивается, поэтому генератор должен выдавать 120–150 кВт для поддержания качества изображения, а выдержка увеличивается. Следовательно, высоковольтный блок работает с высокой нагрузкой в ​​течение нескольких часов подряд.

В данной статье рассматриваются взаимосвязанные процессы термического, электрического и механического старения, ограничивающие надежность КТ-сканирования в реальном времени, три типа отказов, о которых сообщают сервисные бригады, а также этапы проектирования, обеспечивающие срок службы более десяти лет.

2. Основной механизм

2.1 Диэлектрические потери и повышение температуры в установившемся режиме

Фильтрующий конденсатор высокого напряжения пропускает пульсирующий ток в течение нескольких часов. При синусоидальных пульсациях потери мощности определяются следующим образом:

P_loss = V_ripple(rms)² · 2π · f_sw · C · tanδ_eff

где V_ripple(rms) — среднеквадратичное значение пульсаций напряжения в вольтах, f_sw — частота переключения в герцах, C — емкость в фарадах, tanδ_eff — эффективный коэффициент рассеяния, а P_loss — мощность потерь в ваттах.

Эта энергия преобразуется в тепло, и температура ядра повышается выше температуры окружающей среды:

ΔT = P_loss · R_th,ja

где ΔT — повышение температуры сердечника в °C, P_loss — потери мощности в ваттах, а R_th,ja — тепловое сопротивление между сердечником конденсатора и окружающей средой в °C/Вт.

В одном из резервуаров были зафиксированы общие потери мощности в 15 Вт на пути с температурой 8 °C/Вт, что приводит к повышению температуры на 120 °C. Деталь класса I с коэффициентом теплопередачи tanδ_eff ниже 0.1% снижает потери примерно в десять раз на том же пути, что позволяет удерживать повышение температуры в пределах допустимого диапазона для данного корпуса.

2.2 Диэлектрический ресурс и модель Аррениуса

Срок службы диэлектрика сокращается с повышением температуры. Связь между сроком службы и абсолютной температурой выражается следующим образом:

L(T) = L_0 · exp[ (E_a / k_B) · (1/T − 1/T_0) ]

где L(T) — время жизни при температуре T, L_0 — время жизни при эталонной температуре T_0, E_a — энергия активации, а k_B — постоянная Больцмана.

Для керамических конденсаторов в эпоксидной смоле действует практическое правило: срок службы сокращается вдвое на каждые 10 °C повышения рабочей температуры. Срок службы детали, рассчитанной на 50 000 часов при 105 °C, снижается примерно до 12 500 часов при 125 °C.

В RT-CT часто наблюдаются зоны перегрева, температура в которых превышает 100 °C. Снижение потерь в конденсаторе и улучшение теплоотвода продлевают срок службы больше, чем любое другое отдельное изменение.

2.3 Частичный разряд и образование электрических древовидных образований

Внутренние пустоты, заусенцы на электродах или дефекты герметизации вызывают частичный разряд под высоким напряжением. Заряженные частицы от каждого такого события ударяются о поверхность диэлектрика и образуют электрическое дерево. Дерево растет от дефекта и постепенно уменьшает эффективную толщину изоляции.

Когда оставшаяся толщина больше не может удерживать рабочее напряжение, конденсатор выходит из строя из-за короткого замыкания. В помещении для рентгеноконтрастной томографии (РТ-КТ) работа ведется 8–12 часов в день, что составляет более 3,000 часов в год, поэтому даже низкий уровень разряда накапливается. Проверка при PD ≤5 пКл при 1.5 U_r позволяет удалить компоненты, которые могли бы выйти из строя преждевременно.

2.4 Дрейф емкости за годы эксплуатации

Пленочные и бумажные конденсаторы, погруженные в масло, со временем впитывают влагу и подвергаются гидролизу. В результате происходит медленная потеря емкости. Поскольку изменение происходит постепенно, помещение может работать 3–5 лет, прежде чем кто-либо проведет измерения. К тому времени однородность КТ-чисел уже ухудшится, а разрешение при низком контрасте снизится.

Керамические конденсаторы класса I в герметичном эпоксидном или глазурованном корпусе не впитывают масло, поэтому их емкость сохраняется. Срок службы определяется уровнем потерь и частичных разрядов, а не поглощением влаги.

Рис. 1 — Срок службы уменьшается вдвое на каждые 10 °C, поэтому деталь, рассчитанная на 50 000 часов при 105 °C, достигает срока службы всего 12 500 часов при 125 °C.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Со временем конденсаторы с масляным охлаждением начинают ухудшать качество изображения.

В традиционных аппаратах для КТ с обратной связью используются пленочные или бумажные конденсаторы в изоляционном масле. После многих лет эксплуатации масло окисляется, а диэлектрик впитывает воду, поэтому емкость изменяется. Клиническими признаками являются ухудшение однородности КТ-чисел, увеличение шума и снижение разрешения при низком контрасте.

Замена оборудования сопряжена с большими неудобствами. Она требует остановки производства, слива масла, разборки, повторной смазки и проверки на выдерживаемое напряжение. Этот цикл отнимает несколько дней рабочего времени и влечет за собой значительные расходы на техническое обслуживание.

Болевой пункт 2: концентрация очагов повышенной активности во время 4D-КТ-сканирования.

4D-КТ с синхронизацией по дыханию обеспечивает многократное воздействие высокой мощности, в результате чего фильтрующий блок заряжается и разряжается с высокой скоростью. Из-за больших потерь и плохого пути передачи тепла локальная зона перегрева может достичь опасной температуры в течение десятков минут.

Выше точки размягчения эпоксидной смолы корпус теряет механическую прочность, внутренние напряжения перераспределяются, и появляются микротрещины. Эти микротрещины снова увеличивают потери, поэтому температура продолжает расти. В одной больнице во время летней эксплуатации с непрерывными высокими нагрузками компьютерный томограф выдал сигнал тревоги о перегреве бака, и источником тепла оказались основные фильтрующие конденсаторы.

Проблемный момент 3: Вибрация и напряжение изоляции из-за широкого канала ствола.

Портал с большим диаметром и неравномерным распределением массы вибрирует сильнее, чем портал для диагностической компьютерной томографии. Больший диаметр также означает более длинные высоковольтные кабели с большими радиусами изгиба, что приводит к механической усталости в экранах и соединениях.

Под воздействием вибрации растрескиваются выводы конденсаторов, паяные соединения и эпоксидные смолы. Каждая трещина создает путь для частичного разряда, и разряд расширяет трещину. В помещениях подвальных уровней или старых зданиях к механическому напряжению добавляются колебания электросети.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Переместить блок фильтров на керамический диэлектрик класса I.

Замените пленочные или бумажные фильтрующие конденсаторы с масляным охлаждением на N4700 Керамические компоненты класса I. Более низкое значение tanδ_eff снижает потери в сети более чем на 80% при напряжении 140 кВ и частоте 80 кГц. Для батареи емкостью 300 нФ при пульсациях 80 В среднеквадратичного значения обычная сегнетоэлектрическая керамика рассеивает около 10 Вт, а N4700 — около 1 Вт.

Меньшие потери снижают температуру контура, что также обеспечивает более низкую рабочую температуру трансформатора, выпрямительного моста и резисторов отбора проб.

Стратегия 2: Разработайте схему теплоотвода до начала компоновки.

Установите конденсаторы на теплоотводящую пластину с помощью металлических фланцев или болтов и прикрепите эту пластину к стенке бака или к каналу для воздушного потока. Рассчитывайте сопротивление R_th ниже 3 °C/Вт, чтобы потери 1–2 Вт повышали температуру сердечника менее чем на 6 °C. Добавьте малошумные осевые вентиляторы или тепловые трубки там, где естественной конвекции недостаточно.

Установите датчики температуры на конденсаторы и трансформатор и позвольте системе снизить коэффициент заполнения при температуре выше 85 °C.

Стратегия 3: Проводить скрининг на частичный сброс и сжигание каждой партии.

Проведите проверку 100% конденсаторов при PD ≤ 5 пКл и 1.5 U_r, с критическими порядками до 2 пКл. Затем проведите 48-часовую высокотемпературную проверку постоянным током при 125 °C и 1.2 U_r для удаления партий, вышедших из строя на ранней стадии.

После сборки проведите 168-часовое непрерывное тестирование и зарегистрируйте стабильность выходного сигнала, пульсации, повышение температуры и уровень частичных разрядов. Именно эти данные подтверждают заявленную более чем десятилетнюю безотказную работу.

Стратегия 4: Использование модульного резервирования для сокращения времени ремонта.

Сконструируйте генератор в виде модульного выдвижного ящика, чтобы фильтрующие конденсаторы, выпрямительные модули и резисторы выборки можно было заменять по одному. Настройте основной блок фильтров как N+1: при выходе из строя одного конденсатора система переключается на резервный блок и выдает флаг технического обслуживания, поэтому сканирование продолжается.

Стандартные размеры упаковки позволяют быстро производить замену в полевых условиях и сокращать запасы запасных частей.

Стратегия 5: Комплект для вибро- и гибкого монтажа.

Используйте гибкие выводы или амортизирующие прокладки, чтобы корень вывода не подвергался переменному изгибающему напряжению. Для компонентов, крепящихся болтами, добавьте эластичные шайбы между конденсатором и опорной пластиной, чтобы компонент мог немного смещаться без растрескивания.

Зафиксируйте высоковольтные кабели, чтобы предотвратить их раскачивание во время вращения, используйте компенсационные соединения и проверяйте заземление экрана при каждом техническом обслуживании. Крепление на болтах. HVCT8G Детали лучше выдерживают нагрузку, чем пленочные конденсаторы, в поворотном портале, поскольку керамический корпус не деформируется.

Стратегия 6: Проверка совместимости масел для конструкций с резервуарами.

В резервуарах, где по-прежнему используется масло, герметизация должна выдерживать его воздействие. Маслостойкая эпоксидная смола и глазурь не набухают и не гидролизуются в минеральном масле или синтетическом эфирном масле, поэтому корпус сохраняет свою изоляцию, а серебряный электрод остается на своем месте.

Перед утверждением проведите испытание на погружение: 1,000 часов в масло при температуре 85 °C, затем проверьте внешний вид, вес, сопротивление изоляции и уровень частичных разрядов по сравнению с исходными значениями.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC N4700 для высоковольтных систем RT-CT

Потери и разряды определяют срок службы аппарата для лучевой терапии. Компания HVC производит детали N4700 для обоих типов устройств на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Значение tanδ_eff ниже 0.1%. Потери остаются ниже 0.1% на высоких частотах и ​​высоких напряжениях, поэтому конденсаторная батарея емкостью 300 нФ при пульсациях 80 В среднеквадратичного значения рассеивает около 1 Вт, и резонансный контур остается холодным.
• Диапазон рабочих температур от −55 °C до +125 °C. Деталь выдерживает ежедневный нагрев и охлаждение в кабинете лучевой терапии, а также термические циклы непрерывной работы с 4D-КТ.
• Частичный разряд на уровне 5 пКл или ниже при 1.5 U_r, в медицинских партиях – до 2 пКл. Низкая разрядная активность ограничивает образование электрических древовидных структур в течение более чем 3,000 часов работы в год.
• Маслостойкая герметизация. Эпоксидные и глазурованные покрытия не набухают и не гидролизуются в изоляционном масле, поэтому заполненный маслом резервуар сохраняет свой запас теплоизоляции и емкость.
• Компактный объем. Объем на 30–50% меньше, чем у пленочного конденсатора той же мощности, что освобождает пространство внутри широкого канала для циркуляции воздуха, экранирования и доступа к пациенту.
• Скоординированные компоненты. HVR-BSP градуировочные резисторы, резисторы выборки HVRGXP и быстровосстанавливающиеся выпрямительные диоды отгрузка производится на основе тех же данных испытаний на долговечность, что и конденсаторы.

Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и показателям надежности ведущих брендов, таких как... Murata и высоковольтной серии TDK с выводами.

Где дизайну все еще требуется пленочный конденсатор Что касается низкочастотного каскада, компания HVC может поставить как сам каскад, так и керамический каскад в рамках одного заказа.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а изготовленные на заказ высокоэнергетические блоки — в течение 6–10 недель, в то время как для указанных выше брендов этот срок составляет 20–30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в расчете потерь и повышения температуры, проектировании тепловых путей, разработке планов скрининга частичных разрядов и проведении испытаний на совместимость с маслом.

Укажите номинальное напряжение (кВ) и мощность (кВт), коэффициент заполнения, температуру окружающей среды в резервуаре и целевой срок службы. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам таблицу соответствия с номерами деталей, значениями tanδ_eff и тепловыми характеристиками, а также комплект для оценки двух образцов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Как долго может прослужить высоковольтный конденсатор в резервуаре RT-CT?

Более десяти лет, если температура в ядре остается низкой, а частичный разряд — небольшим. Срок службы определяется формулой L(T) = L_0 · exp[(E_a / k_B)·(1/T − 1/T_0)], поэтому каждые 10 °C, снятые с ядра, примерно удваивают оставшийся срок службы. Если поддерживать повышение температуры ниже 30 °C и экранировать при частичных разрядах ≤5 пКл при 1.5 U_r, то интервал замены определяется диэлектриком, а не календарным графиком.

Вопрос 2: Почему диэлектрические потери являются первым параметром, который следует проверить?

Поскольку потери становятся температурой, а температура определяет срок службы. P_loss = V_ripple(rms)² · 2π · f_sw · C · tanδ_eff, поэтому при 140 кВ и 80 кГц батарея с tanδ_eff равным 1% рассеивает в десять раз больше мощности, чем батарея с 0.1%. Если направить это тепло через фиксированное тепловое сопротивление, температура сердечника будет изменяться. Меньшие потери — самый дешевый способ продлить срок службы.

В3: Какое повышение температуры внутри резервуара допустимо?

Поддерживайте температуру сердечника конденсатора в пределах 30 °C от температуры окружающей среды, а расчетное сопротивление R_th должно быть ниже 3 °C/Вт. При потерях 1–2 Вт температура сердечника повышается менее чем на 6 °C. Добавьте теплоизоляционную пластину с металлическими фланцами и прикрепите ее к стенке резервуара или каналу для воздушного потока. Установите пороговое значение срабатывания сигнализации на уровне 85 °C, чтобы коэффициент заполнения снизился до того, как эпоксидная смола достигнет диапазона размягчения.

Вопрос 4: Как предотвратить частичный разряд, который может привести к повреждению дерева?

Перед сборкой проверяйте каждую деталь. При 1.5 U_r требуется PD ≤5 пКл, а для медицинских партий — до 2 пКл. Затем контролируйте механическое напряжение, поскольку трещина в эпоксидной смоле задает точку начала разряда. Гибкие выводы, эластичные шайбы и фиксированная прокладка кабеля устраняют напряжение, которое приводит к образованию этих трещин.

В5: Остается ли возможность установки резервуара, заполненного маслом?

Да, если герметизация совместима. Маслостойкие эпоксидные смолы и глазурь не набухают и не гидролизуются в минеральном масле или синтетическом эфирном масле. Необходимо подтвердить пригодность нового масла, проведя испытание на погружение в течение 1,000 часов при температуре 85 °C, а затем сравнить его внешний вид, вес, сопротивление изоляции и частичные разряды с исходными значениями. В тех случаях, когда резервуар может опустеть, герметичная керамическая деталь полностью исключает проблему с маслом.

В6: Как мне уложиться в температурные пределы при проведении 4D-КТ-исследования?

Сначала уменьшите потери, затем улучшите теплоотвод. Керамический конденсатор класса I с коэффициентом теплопередачи tanδ_eff ниже 0.1% рассеивает около 1 Вт, тогда как сегнетоэлектрический конденсатор рассеивает 10 Вт при тех же 300 нФ и 80 В среднеквадратичного значения. При R_th ниже 3 °C/Вт конденсатор остается в пределах своего рабочего диапазона во время последовательного соединения с регулированием по дыханию. Запишите температуру в контуре и скорректируйте коэффициент заполнения, если она повышается.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-54, Медицинское электрооборудование — Часть 2-54: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам рентгеновского оборудования для рентгенографии и рентгеноскопии.Женева: МЭК, 2018.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. К. Ориа, А. Ортис, Д. Ферреньо, И. Карраскаль и И. Фернандес, Современный обзор характеристик целлюлозных диэлектрических материалов в силовых трансформаторах: механический отклик и старение.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 26, no. 3, pp. 939-954, 2019. https://doi.org/10.1109/tdei.2019.007896
8. Использование керамических конденсаторов 3 кВ (Обсуждение стабильности C0G/NP0 по сравнению с X7R/Y5S), Forum Retrotechnique, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
9. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
10. Сезон дуги и наблюдения за конструкцией доски (техническая заметка о высоковольтном дуговом пробое, остатках флюса и компоновке), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/docs/3939/arc-season-and-board-design-observations.pdf .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com