第三节 高压发生装置

高压发生装置由高压发生器和高压输送部件两部分组成，本节主要介绍高压发生器和高压电缆。要说明的是，在X线设备说明书中，高压发生装置系指产生X线的组件集合，一般包括控制台和高压变压器组件，与这里所述的高压发生装置略有不同。

一、高压发生器

高压发生器的作用是产生X线管所需的高压和灯丝加热电压。X线机的高压部件除X线管、高压插头和高压电缆外，其余的都封装在高压发生器内。这些高压部件包括高压变压器、X线管灯丝加热变压器、高压整流器、高压插座等，如使用多个X线管，还包括高压交换闸，如图2-32所示。

图2-32  高压发生器的内部结构

高压发生器的外壳用钢板制成长方形或圆形箱体，箱内充满变压器油，用于各部件之间及对地之间的绝缘和散热。箱体接地，以防高压电击。高压发生器与X线管之间通过高压电缆连接。

高压发生器的体积大小与其高压电源的频率有关。简化的变压器方程为：

式中：U为变压器的输出电压；N为变压器绕组匝数；f为电源频频；A为变压器铁心横截面积，k为常数。

为得到一定输出功率的输出电压U，输入电压(高压电源)在频率为50Hz(或60Hz)较低的工频时，变压器绕组匝数N和铁心横截面积A的乘积必须足够大。所以，中、大型工频X线机高压发生器的体积均较大，高压发生器必须单独设置。随着逆变技术的发展，一种新型的高压发生器得到广泛应用，它的工作原理是先将50Hz(或60Hz)的工频交流电整流滤波后得到一直流电压，再经逆变器变换成频率为0.4~20kHz，甚至更高的中频或高频交流电，作为高压电源和灯丝加热电源。由于电源频率提高，从简化的变压器方程可以看出N和A的乘积能够大幅度地减小，也就是变压器铁心横截面积和绕组体积可大幅度缩小。因此，高压变压器、灯丝变压器体积可做得很小，大幅缩小了高压发生器的体积。现在，中、高频逆变X线机的高压发生器一般放置在控制台内。

二、高压变压器

高压变压器是产生交流高压的器件，因此它是一个初、次级绕组匝数相差很大的升压变压器，其工作原理与分析方法与普通变压器相同。

(一)结构

如图2-33所示，高压变压器由铁心、初级绕组、次级绕组、绝缘材料和固定件等组成。要求结构紧凑、体积小、重量轻，具有良好的绝缘性能和散热效率，负载时内部不产生过大的电压降。

图2-33  高压变压器结构示意图

1．铁心  高压变压器的铁心与普通变压器相同，多采用闭合式的导磁体，以0.35mm厚的热轧硅钢片(D41~D43)或冷轧硅钢片(D310~D340)剪成不同宽度的矩形条叠成阶梯形状。为减少涡流损耗，每片表面涂上一层很薄的绝缘漆。为减少叠片接合处的磁阻，采取交叉叠片的方法，最后嵌成闭合口字形或日字形。为使铁心压紧以减少漏磁，多用扁铁或角铁夹持并用螺栓紧固。

现代X线机的高压变压器，广泛采用C形卷绕铁心，它是用带状冷轧硅钢片经过卷绕、成形、退火、浸渍等多种工序加工而成。装配时将绕好的初级绕组、次级绕组套在铁心上用夹板夹紧即可。这种C形铁心，由于卷绕紧密，间隙小，接缝少，因而减少了漏磁和磁化电流，提高了导磁率，与相同容量的其它形状铁心相比，具有重量轻、体积小等特点。

2．初级绕组  它的匝数较少，一般为数百匝；所加的电压不高，一般在500V以下，但瞬间通过的电流很大，对绕组层间绝缘强度的要求不十分严格，一般采用厚度为0.12mm的电缆纸或多层0.02mm的电容器纸作为绝缘介质。初级导线多用线径较粗的纱包或玻璃丝包扁铜线，将线圈分若干层绕在绝缘纸筒上。有的高压变压器将初级绕组绕成两个，串联或并联后使用。初级绕组的直流电阻很小，一般在1欧姆以下。

3．次级绕组  多采用线径很小的油性或高强度漆包线绕制，总匝数在数万到数十万匝之间，输出电压很高，所以，次级一般分成两组绕制，如图2-34所示，每个绕组呈阶梯状绕成数十层，层间用绝缘纸(常选用电容器纸)间隔，且每层边缘留有6~10mm的宽度，以提高层间的绝缘强度。两个次级绕组串连，套在初级绕组外面。初、次级间必须有良好的绝缘。

图2-34  高压变压器初次级绕组断面示意

为了增强绕组的抗电强度和机械强度，防止突波电压冲击时出现断线现象，次级绕组的开始和最后二、三层都用绝缘强度高、线径较粗的漆包线绕制。有的高压变压器为了防止次级高压袭击初级回路，保证人员和设备的安全，在初、次级之间加一层不闭合的薄铜片，并使之接地以作为屏蔽层。

(二)次级绕组的中心接地

X线机高压变压器一般采用两个次级绕组同相串联、次级中心端接地的方式，这样可使高压变压器总的绝缘要求降低一半。

高压次级中心端接地后可获得与大地相同的零电位，因此，次级任何一个输出端对中心端的电位，等于输出高压的一半，如图2-35所示。如果高压变压器次级输出的电压为100kV，中心端接地后，每个次级输出端对中心端(地)的电位都是50kV。这样，可使高压变压器的整体绝缘要求从原来的100kV降到50kV。另外，由于次级中心端电位为零，可以把mA表串接在次级中心端处，并安装在控制台上，使控制台免受高压电击的威胁，从而保证操作人员的安全。

图2-35  次级中心接地

为了防止管电流测量回路断路而使非直接接地的中心端电位突然升高，需要设置防电击保护装置。多数X线机是在中心端的两个接线柱上并联一对放电针或一个纸介电容器，当非直接接地的中心端对地电位升高时，放点针放电或电容器击穿，将次级中心端对地短路，起到保护作用。有的X线机在次级中心端的两个接线柱上，并联一只放电管，当次级中心端电位升高时，放电管起辉导通，同样能起到保护作用。

三、灯丝变压器

灯丝变压器是专为X线管提供灯丝加热电压的降压变压器，包括X线管灯丝变压器和高压真空整流管灯丝变压器两种，而后者随着高压真空整流管的淘汰而不用，这里不再介绍。本书中将X线管灯丝变压器简称为灯丝变压器，它是为X线管提供灯丝加热电压的降压变压器。双焦点X线管需配备两个结构相同、规格不同的灯丝变压器。

(一)结构

灯丝变压器的结构与普通变压器类同，由铁心、初级绕组和次级绕组构成，如图2-36所示。

图2-36  灯丝变压器结构

1．铁心  一般用0.35mm涂漆硅钢片以交错叠片的方法制成口字形或C字形，有的铁心还将有绕组的一臂叠成阶梯形。

2．初级绕组  因流过初级绕组的电流很小，故采用的导线直径很细，一般用线径为0.19~0.93mm的漆包线，分数层绕在用黄蜡绸或绝缘纸包好的阶梯形臂上，层间用绝缘纸绝缘，总匝数为1000匝左右。初级绕组可直接绕在经绝缘后的铁心上，或绕在绝缘筒上再套在铁心外面。

3．次级绕组  因次级绕组流过的电流较大，多用直径为2mm左右的纱包或玻璃丝包圆铜线，分几层绕制，总匝数多为数十匝。初、次级之间用绝缘强度较高的绝缘筒作绝缘材料。

(二)特点

1．灯丝变压器必须有足够的容量  灯丝变压器的工作特点不同于高压变压器，属连续负荷工作。因此，灯丝加热变压器必须具有足够的容量，才能在连续负荷下为X线管提供持久稳定的灯丝加热电流。

2．初次级间必须有足够的绝缘强度  灯丝变压器次级绕组的一端与高压变压器次级相连，次级绕组电位很高，这就要求初、次级间必须具有良好的绝缘，绝缘强度不能低于高压变压器最高输出电压的一半。另外，灯丝变压器次级输出电压很低，在5~12V之间，功率在100W左右。

四、高压整流器

X线管本身可以看成是一个真空电子二极管，具有单向导电特性，即整流作用。高压变压器次级输出的交流高压可以直接加到X线管两端，利用X线管自身的整流作用进行自整流。此时只有交流高压的一个半周为正向电压，另一半周为逆向电压(逆电压)。正向电压时，阴极发射的电子飞向阳极，产生X线；逆向电压时，阳极比阴极电位低，阴极发射的电子不能到达阳极，X线管不产生X线。很显然，这种自整流形式不能充分发挥X线管的额定容量。同时，因逆向电压时无X线产生，逆电压很高，容易导致高压电缆、高压插头、高压插座、X线管等高压元器件的击穿损坏。

现代X线机，大都设有高压整流电路，利用高压整流器，将高压变压器输出的交流高压变成脉动的直流高压，此直流高压加到X线管的两端，使X线管始终保持阳极为正，阴极为负，提高X线的发生率和使X线管免受逆电压的影响。早期X线机多采用高压真空整流管作为高压整流器，现代X线机则都采用半导体整流器，取代老式的高压真空整流管。

(一)高压真空整流管

高压真空整流管属真空玻璃器件，易碎、体积大、寿命短，且需专用灯丝加热变压器提供灯丝加热电压，电路复杂，目前已被半导体整流器取代，但某些基层医院可能仍在使用采用高压真空整流管的X线机。早期国产高压真空整流管有E1-0.025/140型和E2-0.25/125型两种型号，外观结构如图2-37所示。

图2-37  高压真空整流管结构

(二)半导体整流器

半导体整流器种类较多，有氧化铜整流器、硒整流器、硅整流器和锗整流器等。目前应用最广泛的是高压硅整流器，亦称高压硅堆。它具有体积小、机械强度高、绝缘性能好、寿命长、性能稳定、正向电压降小、使用时无需灯丝加热等优点，从而简化了电路结构，缩小了高压变压器的体积。

高压硅堆结构如图2-38所示，它是用单晶体硅做成的多个二极管(PN结)用银丝逐个串联而成，接线从两端引出，外壳用环氧树脂封装，两端设置有引出线的接线端口，端口的方式有多种以便根据需要装配不同形式的插脚。

图2-38  高压硅堆结构

使用高压硅堆时，要求将其浸入绝缘油内，油温不得超过70℃。加在硅整流器上的反向峰值电压不得超过额定值，以防击穿。

国产高压硅整流器的型号有2DL系列。如2DL100X、2DL130X、2DL150X、2DL180X等，主要性能见表2-2。

表2-2  国产2DL系列高压硅堆主要性能参数

五、高压电缆、高压插头及插座

大、中型X线机的高压发生器和X线管装置是分开组件的，两者之间通过两根特制的电缆线(高压电缆)连接在一起。高压电缆的作用是将高压发生装置产生的高压输送到X线管的两极，同时把灯丝加热电压输送到X线管的阴极。高压插头、插座是高压电缆与X线管和高压发生器的连接器件。为装卸方便，并保证高压绝缘，高压电缆的两端都装上高压插头，而X线管装置和高压发生器上都装有高压插座，连接时只要将高压插头插入相应的高压插座内即可。

(一)高压电缆的结构

X线机所用的高压电缆，按芯线分布位置不同分为同轴式高压电缆和非同轴式高压电缆两种形式，如图2-39所示。考虑到加工和制造方便，目前多用非同轴式高压电缆，其各部分构造和作用如下：

图2-39  高压电缆结构示意图

1．导电芯线  导电芯线位于高压电缆的最内层，每根芯线都由多股铜丝制成，外包绝缘橡皮，约lmm厚，其绝缘要求为：能承受50Hz、1000V交流电试验5min而不击穿。电缆芯线数目不一，有二芯、三芯、四芯等几种。二芯线供单焦点X线管使用，三芯线供双焦点X线管使用，四芯线供三极X线管使用。芯线的作用除传送X线管所需的高压外，阴极侧电缆还传送灯丝加热电压。

2．高压绝缘层  高压绝缘层位于导电芯线外侧，主要由天然橡胶制成，厚度为4.5~20mm，呈灰白色。它的主要作用是使芯线的高电压与地之间绝缘。目前，也采用高绝缘性能的塑料作高压绝缘层，直径可做得较细，机械强度和韧性都较好。高压绝缘层具有良好的机械强度和韧性，在一定范围内可以弯曲，其耐压要求一般在50~200kV(峰值)之间。

3．半导体层  半导体层由具有半导体性能的橡胶制成，紧包在高压绝缘层外，呈灰黑色，厚度约为1~1.5mm。它的作用是消除绝缘层外表面与屏蔽层之间的静电场，防止静电放电，破坏高压绝缘层的绝缘性能。

在非同轴式电缆结构中，芯线外围还有一层半导体层，称为内半导体层，它的作用是使芯线与高压绝缘层间的静电场分布均匀。因为三条芯线不同轴，故电场分布不均匀，在凸起的地方，单位面积电荷密度增大，容易引起电缆击穿，借助内半导体层，可使电场分布均匀，从而避免了凸起部分发生电击穿的危险。同轴结构的高压电缆因电场分布均匀，故无需加内半导体层。

4．金属屏蔽层  金属屏蔽层是由直径不大于0.3mm的镀锡铜丝编织而成，编织密度不小于50％。也可用镀锡铜丝网带重叠包绕，但接合部必须接触良好。金属屏蔽层必须紧包在外半导体层上，并在高压电缆的两端与高压插头的金属喇叭口焊接在一起，借固定环接地，使之与大地同电位。金属屏蔽层的主要作用是：一旦高压电缆击穿，导电芯线的高压便与金属屏蔽层短路，而金属屏蔽层通过固定环接地，从而保护操作者和病人的安全。

5．保护层  保护层位于高压电缆的最外层，一般多用塑料制成，也有用棉纱、涤纶线编织而成，裹在电缆外部。其作用是加强对高压电缆的机械保护，减少外部损伤，并能防止有害气体、油污和紫外线对高压电缆的危害。

(二)高压电缆的使用

高压电缆在使用中，应注意防止过度弯曲，其弯曲半径要大于电缆直径的5~8倍，以免损坏绝缘层，降低绝缘强度。平时要加强日常维护保养，保持电缆干燥、清洁，避免油污和有害气体的侵蚀。

高压电缆的主要参数是耐压值，各国标注方法不一。有的用标注方式直接标出耐压值，也有的用套在电缆上的色环或编在金属层外面的色棉线表示。表2-3是部分国家各色环代表的耐压值。

表2-3  部分国家各色环代表的耐压值(kV)

高压电缆的最大允许耐压值与管电压的波形有关；交流成分愈大，最大容许耐压值就愈小。目前X线机使用的高压电缆，在脉动直流电压下，其耐压值不超过200kV。当高压变压器次级绕组一端接地时，所选高压电缆的耐压值应大于高压变压器输出的最高电压；而在高压变压器次级中心端接地时，每根高压电缆只承受高压变压器输出电压的一半，因此，高压电缆的耐压值可降低一半。表2-4是部分高压电缆的主要参数。

表2-4  部分型号高压电缆的主要参数

高压电缆内部的导电芯线与金属屏蔽网之间形成一个沿电缆长度分布的电容，电容容量虽然很小，但由于电压很高，维修时须特别注意。首先应将导电芯线对地进行高压放电，以免发生严重的电击事故。维修中最简便的放电方法是从高压插座中拔出插头时，将电缆头的三个芯线脚直接碰击插座口的金属环，此时会发出轻脆的放电声。另外，由于该电容在电路中会形成电容电流，电容电流在摄影时可以忽略，但相对透视管电流影响比较大，会造成透视管电流指示偏差。故在管电流测量电路中一般设置有电容电流抵偿电路。

(三)高压插头及插座

高压插头与插座工作在高电压下，对耐压的要求很高，多由机械强度大、绝缘性能好的压塑性材料或橡胶制成。为维修方便，近年来各厂家生产的高压插头与插座都采用IEC标准，可以通用、互换，如图2-40所示。

图2-40  高压插头与插座

高压插座的底部有三个压铸的铜制接线柱，接线柱上端钻有约25px深的圆孔，供高压插头上的插脚插入。高压插头的头端压铸有三个铜制插脚，每个插脚的根部钻有一个小的引线孔，导电芯线由此孔伸出，并焊接在插脚根部的槽沟内。高压电缆与高压插头间的空隙部分，要用松香和变压器油等配好的绝缘填充物灌满，以提高绝缘强度。高压插头底端镶有铜制喇叭口，以便与高压电缆金属屏蔽层相焊接，并通过高压电缆锁母(固定环)和高压发生器或X线管头的外壳相连接。金属喇叭口可以改善接地处的电场分布，防止与地之间的接线过于密集。

有的高压插头的三个插脚呈等腰三角形排列，插入时要注意插脚的方位。插紧时，插脚就会紧密地与插座的接线柱接触。此时不可强力扭转，以免损坏插脚。为了正确插入和防止高压插头扭动，在插座口处铸有一楔槽，高压插头尾侧铸有一相应的插楔，插入时插楔对准楔槽，用固定环固定即可。另外，为了保持良好的绝缘，避免高压沿面放电，需在高压插头表面上均匀涂上一层脱水凡士林或硅脂，再将高压插头插入高压插座中。

高压插头插入高压插座时，常出现高压插头的插脚与高压插座的接线柱接触不良现象，使X线管不能正常工作，此时可用小刀将插脚的开口轻轻撑开，使其与高压插座的接线柱接触良好。

六、高压交换闸

大、中型的X线机具有多种检查功能，以适应不同的检查需要，多配有两只或两只以上的X线管。如双管X线机，一只用于透视和点片摄影，另一只用于摄影或特殊检查用。由于几只X线管共用一个控制台和高压发生器，产生的高压和灯丝加热电压必须经过交换装置进行切换，才能分配给不同用途的X线管，这种完成高压和灯丝加热电压交换的装置称为高压交换闸。

高压交换闸不仅要切换高压，还要切换灯丝加热电压，且动作十分频繁，因此在结构上要求牢固，且应有很高的绝缘强度和机械强度。为了保证触点接触良好，减小接触电阻，要求触点面积要大，并有足够的接触压力。

目前，高压交换闸多为电磁接触器式，一般由两组高压交换闸组成，一组做阳极高压切换；另一组做阴极高压和灯丝加热电压切换。两组高压交换闸同步工作。其结构包括铁心、线圈、衔铁和带有触点的高压绝缘臂。工作原理与普通接触器相同。

除上述接触器式高压交换闸外，还有电动机式高压交换闸。它是用一个小型可逆电动机作动力，经齿轮变速后，带动一根带有触点的高压绝缘杆，往复运动，使其与相应的高压插座上的触点接触。为了控制电动机的转向和使触点接触良好，一般都设有限位开关。当触点与高压插座上的触点紧密接触后，方能压开限位开关，切断电动机电源，使电动机停止转动。

七、变压器油

变压器油又称为绝缘油，为碳氢化合物，属矿物绝缘油。高压发生器和X线管头中均充以变压器油，以达到高压绝缘和散热的目的。

(一)主要性能

1．电介质强度（绝缘强度）高  电介质强度也称绝缘强度。国际标准是用一种高压陶瓷制的油杯(容量约600ml)，做变压器油耐压试验。如图2-41所示，油杯内电极的圆平面直径为25mm，圆平面厚度为7~8mm，两电极间平行距离为2.5mm。用两电极间的击穿电压来表示其电介质强度，一般应达到30kV。小型组合机头和X线管管套内用的变压器油要求更高，应达到40kV。

图2-41  高压油杯和电极

2．燃烧点和闪燃点高  燃烧点要求在150~160℃；闪燃点要求在135~150℃。

3．导热系数高  能起到良好地散热作用，把高压变压器和X线管产生的热量散发出来。

4．化学性能稳定  在工作温度时不碳化、不起电解反应、不产生胶粘沉淀物，无水分，含硫磺、石蜡等杂质少，酸度不大于0.05。

5．粘度低  要求易于对流和散热，在20℃时，用恩格尔粘度计测量不大于5度。

6．凝固点低  一般要求在-15~-45℃之间，变压器油凝固点温度即为油的标号，如45号油其凝固点为-45℃。

7．比重  要求在15.5℃时为0.895g/cm3。

8．颜色  一般为浅黄、暗红或水白，透明无悬浮物。

X线机用的变压器油不可低于上述要求，其中最主要的是电介质强度。这就要求油中不能含有水分和杂质，根据试验，干燥时击穿电压达到60kV的变压器油，当含水量为0.001%时，击穿电压下降到一半左右，当含水量达到0.01%时，击穿电压下降到10kV以下。

(二)老化与再生

变压器油在工作过程中，由于受到电场、光线、高温、氧气、水分、杂质(如铜屑、铁屑、铅屑)等影响，其性能会逐渐变劣，使电介质强度下降，这种现象称为变压器油的老化。对于老化的变压器油，一般再生后可继续使用。简单的处理可采用过滤法，具体方法是：先将滤油纸加热、烘干，再放在滤油机或真空注油机内过滤变压器油，反复更换滤油纸，直到电介质强度合乎标准为止。若无滤油设备，也可用干燥方法处理。处理好的油应及时装入容器内密封，勿长时间暴露在空气中，以免吸潮。