• Generadores e interruptores de transferencia para instalaciones de misión crítica.

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Objetivos de aprendizaje

  1. 1. Entender los requisitos básicos de generadores cuando se usan para energía en espera o de respaldo.
  2. 2. Aprender qué código pertenece al diseño de generadores e interruptores de transferencia.
  3. 3. Obtener una descripción general de los tipos de sistemas provistos de interruptores de transferencia.

Figura 1: Esta línea de generadores de 1500 kW es un complejo en Las Vegas Strip. Se configuró un total de siete generadores mediante el equipo de JBA Consulting Engineers con equipos de conmutación para una capacidad agregada de 10,5 MW de generación de energía. C

La mayoría de las aplicaciones de edificios comerciales requieren alguna forma de una fuente de energía alterna para propósitos de seguridad de vida y para cumplir con NEC 700 o otros varios códigos de construcción. Para instalaciones pequeñas, esto normalmente se logra usando paquetes de baterías de emergencia al seleccionar aparatos de luz para salida, señalización de salida y respaldo de batería integrado para equipo de seguridad de vida, tal como el sistema de alarma contra incendios (ver NFPA 70: El Código Eléctrico Nacional (NEC) 700,12(A)&(F)).Si la instalación es mayor o el mantenimiento de una cantidad grande de paquetes de batería individuales es una inquietud, se podría instalar un sistema central de inversor de batería (NEC 700,12(C)). Como su nombre lo indica, un inversor de batería central reemplaza las baterías individuales distribuidas por un edificio con una o más ubicaciones centrales para las baterías. Este tipo de sistema se debe enlistar para el propósito y requiere una distribución dedicada del sistema de inversor para dar servicio a los aparatos de iluminación de salida de emergencia y los signos de salida. En forma alternativa, se puede usar un sistema de generador en espera en lugar de un sistema de inversor basado en batería (NEC 700,12(B)). Las baterías son caras y requieren reemplazo cada 3 a 5 años. Aunque un sistema de generador también requiere mantenimiento y pruebas programados, proporciona al edificio los usos adicionales más allá de la seguridad de vida. Antes de la entrega en una fuente de energía y el equipo de transferencia, exploraremos los tres tipos diferentes de sistemas definidos en los códigos.

Sistemas Segregados

El Capítulo 7 de NEC tiene requisitos para tres sistemas distintivos que pueden proveerse desde un generador en espera.

  1. 1. Emergencia
  2. 2. Espera requerida legalmente
  3. 3. Espera opcional.

Las cargas del sistema de emergencia se establecen en NEC, Artículo 700. Sólo las cargas como las que se definen en el Artículo 700, Parte IV están permitidas para conectarse a este sistema. En general, las cargas especificadas para "uso de emergencia" que se puede conectar a este sistema incluyen aparatos de luz de emergencia y signos de salida para las rutas designadas de egreso y sistemas de alarma contra incendios. Dependiendo de los códigos adoptados por la autoridad legal que tiene jurisdicción (AHJ), las cargas clasificadas como "uso de emergencia" pueden diferir ligeramente, pero la mayor parte del Código Internacional de Edificios (IBC), el Código Internacional de Incendios (IFC) y NFPA son bastante consistentes.

El Artículo 701 de NEC proporciona los criterios para cualquiera de las cargas en espera requeridas legalmente. El NEC define estas cargas en forma distinta al Artículo 700. No están designadas como "uso de emergencia" y en general se rigen por la AHJ. Las cargas en espera requeridas legalmente podrían incluir otras cargas consideradas críticas para evacuación de edificios y combate contra incendios, tales como el equipo HVAC que proporciona manejo de humo durante y después de un incendio, y sistemas de comunicación.

Los sistemas mencionados en los dos primeros artículos de NEC Capítulo 7 se requieren en el código cuando es aplicable, pero el Artículo 702 de NEC permite que se proporcione un tercer sistema para cualquier otra carga que un dueño de edificio pueda considerar crítica para su negocio, o cuando su interrupción pueda causar una pérdida financiera significativa. Este sistema se llama sistema en espera opcional.

El diseño de las instalaciones de cuidado de la salud difiere debido a que el Artículo 517 de NEC contiene requisitos más prescriptivos para un sistema eléctrico esencial. Este sistema incluye dos componentes: el sistema de emergencia y el sistema de equipo (NEC 517,30(B)(1)). Estos sistemas se pueden combinar si la demanda total máxima no excede 150 kVA (NEC 517,30(B)(4)).

El sistema de emergencia se compone de dos subsistemas por separado, uno para el sistema de seguridad de vida y el segundo para las ramas críticas (NEC 517,30(B)(2)). NEC 517,32 detalla en forma explícita las únicas funciones que se pueden conectar a la rama de seguridad de vida. NEC 517,33 enlista las funciones relacionadas con el cuidado de pacientes que se pueden conectar con la rama crítica. Aunque no se proporciona una lista exhaustiva, NEC 517,33(A)(9) da criterios de desempeño para permitir que el diseñador realice sus consideraciones para las cargas adicionales mínimas que considere críticas para la atención del paciente para que también estén conectados a esta rama de distribución. El Artículo 517 de NEC es comparable con el Artículo 700, pero con funciones adicionales y métodos de cableado más estrictos (NEC 517,26). NFPA 99, Apéndice A, A.6.4.1.1.7.3(2) también es un buen punto de referencia.

Las funciones del sistema del equipo se establecen en NEC, Artículo 517,34. En su mayoría, este sistema sirve al equipo mecánico considerado necesario para la función adecuada de un hospital con atención en hospitalización. NEC 517,34(B)(8) también permite que el ingeniero haga su consideración para conectar cargas adicionales no enlistadas específicamente.

Continua, primaria, en espera

Con frecuencia hay confusión respecto a las diferencias entre sistemas de energía continua, primaria y en espera- y cuando cada tipo es adecuado. La mayoría de los fabricantes publican datos para el mismo paquete del generador con una capacidad primaria y en espera; físicamente es el mismo equipo. Las diferencias principales son capacidad nominal e implicaciones de garantía.

Figura 2: Se muestran las configuraciones de sistema en espera de un solo generador. Se proporciona un ATS para cada uno de los sistemas segregados. Cortesía: JBA Consulting Engineers

Un generador en espera tiene capacidad mayor, pero se garantiza para usar sólo durante un número limitado de horas al año. Normalmente se requiere que la carga variable promedio caiga por debajo del 70% al 80% de la capacidad de la placa del fabricante del generador. Este tipo de generador es la aplicación más común en aplicaciones comerciales típicas donde hay un servicio bastante confiable. Si el proyecto se ubica en un área donde los datos históricos de servicios indican un número grande de apagones promedio al año y/o apagones sustancialmente largos, la instalación puede exceder la mayoría de los términos de garantía del fabricante. Por lo tanto, para este tipo de ambiente, un generador en espera puede no ser la mejor opción a largo plazo. Además de problemas potenciales de garantía, la vida del generador se puede reducir en gran manera y los costos de mantenimiento en que se incurra pueden ser sustancialmente mayores.

Se proporciona un generador de capacidad primaria para el tiempo de corrida continuo con una reducción correlacionada en la capacidad de la placa del fabricante en comparación con una unidad en espera. Una vez más, se requiere que la carga variable promedio caiga por debajo del 70% al 80% de la capacidad de la placa del fabricante del generador. La carga promedio inferior colocada en el generador pone menos estrés en los componentes mientras está en operación. El fabricante quita capacidad al motor para aplicaciones primarias debido a más horas en el motor para asegurar que la vida operativa no está comprometida. Una sobrecarga de duración corta de hasta 10% es aceptable generalmente.

Un generador de capacidad continua es sólo que: Estos generadores han actualizado componentes y un sistema de enfriamiento más grande que están diseñados para soportar el estrés de operación al 100% de la capacidad de la placa del fabricante por un número limitado de horas. Sin embargo, las cargas necesitan ser bastante estables o no variables, según los lineamientos del fabricante.

Interruptores de transferencia

Todos estos sistemas normalmente se conectan al generador a través del uso de interruptores de transferencia. En la mayoría de los casos, los interruptores de transferencia automáticos (ATS) se requieren según el código, excepto en el caso de espera opcional (NEC 700,6) y algunas cargas del sistema de equipo de atención de la salud (NEC 517,34(B)) donde se permiten interruptores de transferencia. El equipo ATS está disponible en configuraciones de transición abierta y cerrada. Debido a que un sistema de generador en espera que da servicio de emergencia y cargas en espera requeridas legalmente (o en el caso de cuidado de la salud) requiere pruebas mensuales (NFPA 110-8,4.2), un ATS de transición cerrada proporciona un sistema con la menor interrupción para ocupantes de edificios durante las pruebas. La operación de un ATS de transición cerrada tiene momentáneamente un paralelo con los servicios que da el generador antes de romper la conexión con los servicios. Con frecuencia, esto se refiere como una acción de hacer antes de la interrupción. Mantiene un servicio ininterrumpido razonable para bajar cargas durante pruebas de rutina, y transferirlas de regreso a un servicio restaurado después de una pérdida de secuencia de energía.

Un ATS de transición abierta normalmente se usa cuando se da servicio a una empresa de servicios y no permite que el servicio se conecte en transición cerrada con un generador. En este caso, a medida que sucede la transferencia, la carga se interrumpe momentáneamente del servicio antes de llegar a la fuente del generador. Volver a transferir al servicio también tiene la interrupción momentánea. Es importante coordinar este aspecto del diseño con la empresa de servicios al inicio del diseño y para mantener al cliente informado de cualquier factor limitante impuesto por los requisitos del servicio.

Otra opción cuando se considera el ATS es si se debe proporcionar el aislamiento de desviación. Este tipo de interruptor de transferencia incluye un segundo mecanismo de interrupción de transferencia de "respaldo" para usarlo cuando el mecanismo de transferencia principal requiere mantenimiento o reemplazo. El interruptor de transferencia principal se desvía manualmente al segundo interruptor de transferencia y luego se aísla del sistema. Esta función permite que las cargas continúen operando mientras el ATS está básicamente fuera de servicio, mientra que también mantiene la capacidad de transferencia manual para la fuente del generador si se pierde la energía del servicio. Este tipo de ATS tiene un costo premium sobre un ATS estándar y con frecuencia se especifica cuando las cargas se consideran como misión extremadamente crítica, tal como en hospitales, centros de datos financieros y casinos. Algunas jurisdicciones establecen el uso de interruptores de aislamiento de desviación; tal es el caso cuando se les aplica a instalaciones de atención médica en California, que se rigen por la Oficina de Planeación y Desarrollo Estatales de Salud (OSHPD).

Los sistemas más pequeños donde se ubica el generador en un confinamiento en exterior en general pueden incluir algunos interruptores de circuito montados en la unidad para servir como ATS de emergencia, de espera requerido legalmente y en espera opcional, sin equipo de distribución adicional. Sin embargo, el espacio es limitado, y en la mayoría de los casos en los que el generador es más grande de algunos cientos de kW, se requerirá un conmutador de distribución del generador. Un requisito que con frecuencia se pasa por alto es que el interruptor de circuito y el alimentador subsecuente que da servicio al ATS de emergencia se deben localizar en una sección del conmutador vertical por separado de los dispositivos de espera opcionales y legalmente requeridos y los alimentadores (NEC 700,9(B)(5)).

Distribución más inteligente

En algunas instalaciones más grandes donde un solo generador no es suficiente o se requieren múltiples dispositivos de generación para proporcionar resilencia al sistema, los conmutadores en paralelo (PSG) proporcionan una opción de automatización escalable e inteligente. 

Los sistemas de PSG típicos proporcionan la programación y la lógica para sincronizar los generadores y operar opcionalmente un par de interruptores de circuito de transferencia. Algunos diseños de PSG incluyen una entrada de alimentador de servicio en el bus de carga. El interruptor de circuito de entrada de servicio se debe abrir y cerrar simultáneamente con el interruptor de circuito de entrada del generador principal de tal forma que una entrada se cierre sobre el bus de carga. En este sentido, este equipo podría operar como un ATS. El PSG se puede programar para operar en transición abierta manual, transición cerrada manual, transición abierta automática y transición cerrada automática.

Figura 3: En este sistema sencillo en espera de generadores múltiples, el uso del equipo de distribución estándar minimiza los costos y el espacio mientras que la inteligencia permanece en los generadores, y para algunos fabricantes, en el gabinete de sincronización. Cortesía: JBA Consulting Eng

Muchas configuraciones se pueden diseñar para cumplir con las expectativas del cliente para el desempeño del sistema. La Figura 3 representa una configuración sencilla en paralelo del generador con costos de distribución adicionales mínimos. Tener en mente que la funcionalidad de este sistema se limitará a la sincronización de generadores solamente. Algunos fabricantes del generador pueden proporcionar equipo de sincronización sin necesidad de tener hardware sofisticado de control de lógica programable (PLC) de PSG. Los ATSs realizan las secuencias restantes y operan con poca diferencia de una configuraicón tradicional de un generador.

Figura 4: Este sistema PSG tiene un generador independiente y buses de carga. Cortesía: JBA Consulting Engineers

En la Figura 4. el PSG ha tomado un papel más grande en la secuencia de operaciones. Esto incluye un controlador de lógica programable (PLC) y un control automático de interruptores de fuentes y cargas. Hay un par de transferencia que mantiene la fuente disponible actualmente a todos los interruptores de alimentador descendentes, aunque algunos AHJs rechazan esta técnica, por lo que los ingenieros deben trabajar de cerca con el AHJ. Durante una pérdida de servicios, todos los interruptores se abren y se cierran el interruptor principal del generador y el interruptor de alimentador de emergencia de prioridad 1. Los interruptores de generador individuales permanecen abiertos hasta que se sincroniza el generador. En forma simultánea, todos los generadores reciben una señal de arranque y la primera en estabilizar se cierra al bus del generador. Esto debe ocurrir dentro de 10 segundos (NEC 700,12). Debido a que los generadores adicionales se sincronizan con el primero, se cierran al bus del generador. Después, los interruptores adicionales del alimentador se cierran hasta que los interruptores del alimentador se cierran o se alcanza la capacidad máxima del sistema del generador.

Se puede proporcionar funcionalidad de manejo de demanda de carga en tiempo real dinámica para sumar y restar generadores del sistema, según lo dicte la carga. Por ejemplo, si la demanda pico en el sistema cumple con un ajuste programado e indica que no se requieren los cuatro generadores, el generador adicional puede entrar en una secuencia de apagado programado iniciada por el sistema de manejo de demanda. Esta configuración normalmente proporcionará un sistema robusto de respaldo de instalación debido a agregar la capacidad del generador. También se pueden acomodar corrientes grandes de arranque de motor y cargas no lineales.

Almacenamiento de combustible en sitio.

El tiempo de corrida del generador depende en gran forma de la cantidad de almacenamiento de combustible. La fuente de combustible más común para un sistema de generador en espera es el diesel. También están disponibles los generadores de gas natural y generadores híbridos; este artículo se enfocará en el diesel.

La primera prioridad para determinar la cantidad de combustible en sitio necesitaba almacenarse es para estudiar las aplicaciones de carga. Si las cargas se limitan para respaldar la seguridad de vida para cumplir con los criterios mínimos del código, el suministro de combustible proporciona un mínimo de 2 horas de tiempo de corrida (NEC 700,12(B)(2)). Sin embargo, si se sirven cargas en espera adicionales o el cliente indica la necesidad de proporcionar tiempo de respaldo adicional, el almacenamiento de combustible se debe dimensionar adecuadamente para cubrir el requisito. Se debe considerar la cantidad de combustible almacenado en sitio; el combustible diesel no permanece muy estable durante mucho tiempo y va a ensuciar si no se trata y/o si se almacena durante un periodo extenso de tiempo (en general más de 3 a 6 meses). Hay métodos para acondicionar el combustible, pero estos métodos agregan complicación al sistema. Para determinar la cantidad de combustible requerida para el tiempo de corrida deseada, obtenga datos del producto de algunos fabricantes que cumplen con las especificaciones del sistema. Una buena regla de oro es de 7 gal/hr/100 kW de la placa del fabricante del generador a carga completa. Otra vez, el consumo de combustible se debe revisar con el fabricante específico para el generador del proyecto.

Los datos del fabricante con mucha frecuencia incluirán la cantidad de consumo de combustible a una carga de 50%, 75% y 100%. Cuando se determina la cantidad de almacenamiento de combustible, el enfoque de diseño prudente es usar el valor de 100% de carga. Incluso si el sistema no está totalmente marcado inicialmente, esto proporciona un factor de seguridad para asegurar que el tiempo de corrida del sistema no se queda debajo de las expectativas del cliente o que los requisitos mínimos del código en las cargas adicionales del evento se incorporen en el futuro.

Hay varios métodos para almacenamiento de combustible en sitio. Para generadores exteriores, un tanque sub-base (o de llenado en general es lo menos complicado. Se debe dimensionar para proporcionar la cantidad de combustible requerida para operar el generador individual a través del número de horas especificado. En este sentido, es un sistema de combustible auto-contenido y es una parte del sistema de generador empacado. Si se va a proporcionar un patio de combustible centralizado, entonces se requerirán componentes adicionales y diseño.

El almacenamiento y el suministro de combustible deben ser diseñados por un profesional calificado. Cada generador requerirá un tanque para el día en la forma de un tanque de almacenamiento de combustible de tamaño pequeño sobre o en proximidad del generador para proporcionar el combustible inicial para el arranque. Los tanques para el día normalmente se dimensionan para almacenar 15 min a 1 hr de combustible con base en la velocidad de consumo de combustible del generador. Los tanques para el día tendrán ductos de combustible desde los tanques de almacenamiento a granel con ductos de retorno adicional de los generadores de regreso a los tanques de almacenamiento a granel para la recirculación del combustible.

La recirculación de regreso al tanque de almacenamiento a granel en general se recomienda en lugar de regresarlo al tanque pequeño de combustible para el día. La temperatura del combustible no utilizado se eleva después de pasar a través del motor y, si se regresa directamente al tanque pequeño para el día, puede causar el paro del motor por sobretemperatura del combustible. El regreso del combustible no utilizado al almacenamiento a granel reduce este riesgo, ya que el combustible se enfría cuando se mezcla con el volumen mayor de combustible en el tanque de almacenamiento a granel. Los tanques para el día agregan capacidad al sistema, además del tanque de almacenamiento a granel, que en la mayoría de los casos permite uan reducción de la capacidad del tanque de almacenamiento a granel igual al total agregado de la capacidad del tanque para el día.

Dependiendo del tipo de instalación y las expectativas/requisitos de operación, varía el nivel de resilencia integrado al sistema. El costo normalmente es una inquietud, por lo que si no se espera resilencia, entonces probablemente un solo generador es insuficiente. Si el cliente espera un nivel superior de redundancia, entonces un sistema sofisticado de PSG puede proporcionar la flexibilidad y la lógica requeridos para la implementación de un sistema de alta resilencia.

Figura 6: En este sistema PSG sofisticado, un sistema de 12,47 kV donde una demanda pico estimada de prioridades 1, 2 y 3 en el sistema del generador es de 16 MW. Cortesía: JBA Consulting Engineers

Hay gran variedad de enfoques entre una sola unidad minimalista y un sistema PSG altamente redundante. Como se muestra en la Figura 6. un sistema de 12,47 kV donde una demanda pico estimada de prioridades 1, 2 y 3 en el sistema del generador es de 16 MW. El desglose de demanda para cada sistema y el alimentador se detalla en la Tabla 1. Se debe notar que el sistema del generador incluye algunos alimentadores normales (o en espera opcional de baja prioridad), pero la capacidad del sistema sólo representa las cargas de prioridad 1. 2 y 3 anticipadas. Los alimentadores normales adicionales se incluyen para dar acceso al generador para cargas adicionales no esenciales según lo permita la capacidad del sistema. Para alimentadores de prioridad inferior, este enfoque aprovecha la diversidad en la carga del sistema en lugar de incrementar la capacidad con base en los requisitos pico de todos los alimentadores conectados. Cuando la demanda pico excede la capacidad disponible del sistema del generador, la funcionalidad del manejo de demanda en tiempo real de PSG cubrirá las cargas no esenciales con base en las prioridades establecidas.

Hay un total de nueve generadores de 2 MW/ 2,5 MVA conectados entre tres buses del generador. Esto proporciona una capacidad que asegura que las tres prioridades principales siempre tengan acceso al respaldo del generador, incluso con la pérdida de un generador. Sin embargo, es común que un sistema del generador se cargue ligeramente debido a que la diversidad de cargas con base en la hora del día o las variaciones estacionales para demanda es un factor que crea capacidad para los alimentadores para cargas normales adicionales. En su mayor parte, los sistemas PSG grandes no son instalaciones típicas. Sin embargo, en nuestra experiencia con mega-complejos de perfil alto donde el cliente tiene un presupuesto que no soporta el respaldo completo de propiedad y tiene altas expectativas para mantener una experiencia de los huéspedes sin problemas siempre que sea posible, los sistemas PSG han probado ser un enfoque viable y rentable.

Tabla 1: Estas descripciones del alimentador complementan el ejemplo del sistema PSG en la Figura 6. Cortesía: JBA Consulting Engineers

La robustez de este sistema es el doble. Es técnicamente una configuración N+1 para las tres prioridades más altas a través del uso de recolección de cargas y desbordamiento. También proporciona al cliente la oportunidad de maximizar el uso del sistema durante los tiempos sin pico del año y suministra otras cargas. Un beneficio adicional del sistema PSG es la flexibilidad para apagones planeados o para apagones con duración extendida según lo que el dueño pueda decidir respecto a las cargas, más allá del mínimo del código, se desean con base en la situación.

Determinar qué sistema- de mergencia, de espera requerido legalmente o de espera opcional- se requiere según el código, y seleccionar con cuidado y especificar el producto que se adapta mejor a las necesidades de la instalación.

Robert R. Jones Jr. es un ingeniero de proyecto electricista en JBA Consulting Engineers con más de 10 años de experiencia de diseño. Jones tiene experiencia en sectores de mercado que incluyen proyectos de hospitalidad, médicos y de gobierno. Él se especializa en sistemas de distribución de voltaje medio y bajo, sistemas de energía de emergencia/ en espera, diseño e implementación de energía renovable, cálculos de análisis de circuitos, y planeación del espacio del equipo.

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