Cumpliendo con NFPA 110 en instalaciones de misión crítica

May 22, 2023

Objetivos de aprendizaje

Los ingenieros de diseño deben considerar muchos factores al diseñar un sistema de respaldo para una instalación. La seguridad, la mantenibilidad, el cumplimiento de códigos y la economía desempeñan papeles cruciales a la hora de determinar la topología de un sistema de respaldo para una instalación crítica. En instalaciones grandes donde el tiempo de inactividad del sistema eléctrico genera pérdidas económicas significativas, generalmente se emplea un sistema de energía de respaldo. Los propietarios frecuentemente desean utilizar sus sistemas de respaldo para respaldar sus cargas de emergencia y de reserva legalmente requeridas. Debido a los requisitos de NFPA 110-2013: Norma para sistemas de energía de emergencia y de reserva, y NFPA 70-2014: Código Eléctrico Nacional (NEC), el ingeniero de diseño debe considerar cuidadosamente las implicaciones de combinar sistemas de emergencia, legalmente requeridos y de reserva opcionales. para garantizar el cumplimiento del código teniendo en cuenta la mantenibilidad y la economía.

NFPA 110 proporciona requisitos, pero no pretende ser una guía de diseño. Los anexos proporcionan topologías de ejemplo que cumplen con la intención del estándar, pero estos ejemplos no abordan las complejidades de diseñar un sistema para una instalación grande con múltiples tipos de sistemas.

NFPA 110 define los términos utilizados a lo largo de este artículo. NFPA 110-3.3.3 define la fuente de energía eléctrica para el sistema de energía de emergencia como fuente de energía de emergencia (EPS). Esto incluye el generador, turbina u otra fuente real que produce la energía utilizada por el sistema. NFPA 110-3.3.4 define el sistema de suministro de energía de emergencia (EPSS) como el sistema de distribución desde el EPS hasta los terminales de carga del equipo de transferencia. NFPA 110-4.4 define dos niveles de EPSS. El nivel 1 se define como "cuando el fallo del equipo en su funcionamiento podría provocar la pérdida de vidas humanas o lesiones graves". El nivel 2 se define como "cuando el fallo del EPSS en su funcionamiento es menos crítico para la vida y la seguridad humanas". Existen numerosos artículos que analizan más a fondo los requisitos del código y las implicaciones de NFPA 110 y su relación con otros códigos. Como tal, este artículo no se centra en los detalles de las definiciones de NFPA 110. En cambio, se concentra en formas de cumplir con NFPA 110 y 70 y, al mismo tiempo, brindar al propietario un sistema que cumpla con las expectativas.

Principales desafíos para cumplir con NFPA 110

El primer desafío importante para cumplir con los requisitos de NFPA 110 es definir adecuadamente los niveles del sistema. Esto requiere una evaluación cuidadosa de las cargas que está atendiendo y la coordinación con su autoridad competente (AHJ). Según el Anexo A.4.4.1, “Los sistemas de Nivel 1 están destinados a suministrar automáticamente iluminación o energía, o ambas, a áreas y equipos críticos... Los sistemas eléctricos esenciales pueden proporcionar energía para las siguientes funciones esenciales: iluminación de seguridad humana, detección de incendios y sistemas de alarma, ascensores, bombas contra incendios, sistemas de comunicaciones de seguridad pública, procesos industriales donde la interrupción de la corriente produciría graves riesgos para la seguridad o la salud de la vida, y sistemas esenciales de ventilación y eliminación de humo”. Algunas jurisdicciones han interpretado el texto de este anexo en el sentido de que cualquier sistema eléctrico que incluya estos tipos de cargas es un sistema de Nivel 1.

El siguiente desafío importante para cumplir con NFPA 110 son los requisitos de almacenamiento de combustible. Según el Anexo A.4.2, en determinadas zonas sísmicas pueden ser necesarias 96 horas de combustible. En resumen, “Cuando la categoría de diseño sísmico es C, D, E o F, según lo determinado de acuerdo con ASCE/SEI 7: Cargas mínimas de diseño para edificios y otras estructuras, el EPS que suministra un EPSS de nivel 1 debe ser capaz de mínimo 96 horas de operación sin reabastecimiento de combustible si se determina que la operación EPS es necesaria durante este período”. Este es un cambio con respecto a la norma de 2010, donde el requisito de combustible de 96 horas se mencionaba explícitamente en el cuerpo de NFPA 110. Algunas jurisdicciones han interpretado esto como un requisito de proporcionar 96 horas de combustible cada vez que se tiene un sistema de Nivel 1 en un Zona altamente sísmica.

Además, la Sección 5.5.3 requiere que el tanque de combustible principal lleve el 133% del combustible requerido para cumplir con los requisitos de clase de la EPSS. En otras palabras, si necesita 20 000 gal de combustible para hacer funcionar un generador grande durante 96 horas, en realidad debe almacenar 26 600 gal de combustible. En una instalación grande con grandes grupos electrógenos, estos dos requisitos pueden dar como resultado cientos de miles de galones de almacenamiento de combustible. Además de los costos obvios y los problemas inmobiliarios relacionados con este requisito, la recirculación y estabilización del combustible rápidamente se convierte en un problema.

Otro desafío para el cumplimiento de NFPA 110 es atender las cargas relativamente pequeñas requeridas por el código en una instalación de misión crítica, como un centro de datos. Un centro de datos es sin duda un ejemplo importante de instalaciones de misión crítica que han generado publicaciones y organizaciones para respaldarlas, pero existen otros tipos de instalaciones de misión crítica. Otros ejemplos de sistemas de misión crítica son aquellos que apoyan la investigación donde la falla puede resultar en pérdidas de millones de dólares, o centros de respuesta donde un corte de energía podría obstaculizar la respuesta de una empresa a una crisis. Según las definiciones de NFPA, las cargas de misión crítica generalmente se clasifican como cargas de reserva opcionales. A pesar de que este tipo de cargas no son cargas de seguridad humana, en opinión del propietario, su mantenimiento no es menos crítico. Como tal, la distribución eléctrica que los soporta puede ser tan robusta, y muchas veces más robusta, que el EPSS de Nivel 1 que soporta cargas de seguridad humana.

Finalmente, puede ser un desafío escalar económicamente NFPA 110 en un sistema grande para una carga de sistema grande. Los ejemplos proporcionados en el Anexo B de NFPA 110 son adecuados para aplicaciones inferiores a 600 Vca (consulte la Figura 1). Los sistemas de energía grandes generalmente se diseñan con voltajes de sistema de 12 kV y superiores. Las cargas grandes lo llevarán hacia diseños de sistemas que incluyan transferencias de media tensión. Es posible que esto no cumpla con los requisitos de la sección 6.1.6, que establece que solo "se permitirá la transferencia de media tensión de una planta central o equipo mecánico sin incluir cargas de seguridad humana, de emergencia o derivadas críticas".

Enfoques para el cumplimiento de NFPA 110

Los enfoques para cumplir con NFPA 110 y NEC incluyen involucrar a las autoridades competentes desde el principio, separar niveles y cargas, proporcionar un sistema equivalente o proporcionar un servicio público separado.

Participación temprana de las autoridades competentes: si bien parece obvio, el paso más importante para cumplir con NFPA 110 es involucrar tempranamente a las autoridades competentes. Las interpretaciones varían en todo el país y es mucho más fácil trabajar con su autoridad competente al principio del proceso de diseño para asegurarse de que cumple con sus requisitos. Con la participación temprana de las autoridades competentes, es posible que pueda aclarar en qué parte del sistema permitirá las transferencias, o llegar a un entendimiento común sobre qué cargas se caracterizarán como cargas de Nivel 1 y Nivel 2. Nadie quiere que le entreguen equipos sólo para descubrir que no cumplen con los requisitos de la jurisdicción local.

Separación de niveles y cargas: una técnica sencilla para cumplir con NEC y NFPA 110 es separar el sistema de distribución eléctrica desde el EPS hasta las cargas. Esta técnica tiene ventajas y desventajas a considerar antes de su implementación.

Un beneficio importante de esta técnica de cumplimiento es su simplicidad. Al tener un generador y un EPSS asociado designados como sistema generador de seguridad humana de Nivel 1, la intención del diseño del ingeniero es muy clara para el propietario, las operaciones y los equipos de construcción. Esto debería facilitar el mantenimiento de la integridad del sistema (ver Figura 2). Además, esto permite al propietario y al ingeniero limitar cualquier requisito de la NFPA para EPS y EPSS de Nivel 1 únicamente a las cargas de seguridad humana. Dependiendo del tamaño general del sistema y del tamaño relativo de las cargas de Nivel 1 con respecto al tamaño general del sistema, esto puede resultar en una reducción de costos.

También se percibe un beneficio al tener los sistemas separados debido a la necesidad de eliminar primero las cargas de seguridad no humanas de la planta generadora. Si las cargas de Nivel 1, Nivel 2 y otras están en el mismo EPS, NFPA 110 requiere la eliminación de cargas de menor prioridad del EPS en caso de una condición de sobrecarga. Si bien este es un requisito importante desde la perspectiva de la seguridad humana, existe cierta preocupación de que pueda causar una interrupción en un sistema de nivel 2 o de misión crítica. La separación de los sistemas EPSS evita que esto suceda y permite que los dos sistemas funcionen de forma completamente independiente.

Otro beneficio es la creación de una mayor flexibilidad operativa para el sistema de reserva. Al tener las cargas de reserva opcionales en un EPSS independiente, el propietario y los operadores entienden que se pueden realizar modificaciones a ese sistema sin afectar el sistema de seguridad humana. Esto puede ser especialmente importante para sistemas industriales y de misión crítica, donde las cargas del sistema de reserva opcional pueden cambiarse periódicamente.

Si bien existen numerosos beneficios al separar los EPSS de nivel 1 y 2, también existen algunos inconvenientes. El principal inconveniente es la simple economía. Al separar las cargas, no existe la posibilidad de compartir la capacidad del generador entre las cargas de seguridad humana y de reserva opcionales, lo que puede resultar en la compra de capacidad del generador que está varada o funcionando inactiva. La capacidad adicional resultaría en componentes eléctricos, cableado, disyuntores, etc., de mayor tamaño, lo que puede tener un impacto significativo en el costo general del sistema de distribución eléctrica.

Otro inconveniente puede ser la necesidad de proporcionar espacios separados para los equipos EPS de nivel 1 y 2 instalados en interiores según NFPA 110-7.2.1. Si bien la mayoría de las instalaciones comerciales y minoristas tienen generadores ubicados al aire libre, muchas instalaciones industriales y de misión crítica ubican generadores en el interior para respaldar el mantenimiento, las operaciones y las ordenanzas sólidas. Este requisito de NFPA 110 puede tener un tremendo impacto en cómo (e incluso si) se puede construir una instalación.

Finalmente, un elemento adicional a considerar es tener el sistema generador de Nivel 1 respaldado por el sistema generador de reserva. No existe ningún requisito de código que indique redundancia para un generador de Nivel 1. Sin embargo, sería desafortunado que en el improbable caso de que el generador de emergencia no funcione, el edificio pierda la energía de emergencia mientras mantiene la energía de reserva. Por lo tanto, parece una buena idea respaldar el sistema de emergencia con el sistema de reserva. Antes de implementar esto como solución, se deben considerar el tamaño del generador y los controles de transferencia. Empiece por hacer estas preguntas:

Proporcionar un sistema equivalente: La Sección 1.4 establece: “Nada en esta norma tiene como objetivo impedir el uso de sistemas, métodos o dispositivos de calidad, resistencia, resistencia al fuego, efectividad, durabilidad y seguridad equivalentes o superiores a los prescritos por esta norma. .” Deberá acreditar equivalencia. No se trata de eludir el estándar, sino de cómo tener una solución equivalente que sea al menos igual de confiable y cumpla con los requisitos del cliente y de las autoridades competentes.

Las topologías que se emplean habitualmente para sistemas más pequeños no se adaptan bien a sistemas grandes. A gran escala, son costosos de instalar, difíciles de mantener y coordinar el arranque del motor de un generador es complicado.

La Figura 3 muestra un sistema que proporcionó una solución equivalente a una autoridad competente en una zona del país. En este caso, la planta generadora está conectada al cuadro de media tensión y los interruptores de media tensión están configurados como un par de transferencia. Cuando los relés de cualquiera de las fuentes de la red eléctrica emiten una alarma por subtensión, ambas plantas generadoras arrancan, comienzan a conectarse en paralelo y comienzan a sincronizarse con la red eléctrica. Luego, si falla cualquiera de las fuentes de servicios públicos, la planta generadora está lista para energizar la carga. Si falla el servicio público, los generadores arrancarán normalmente sin sincronización y energizarán las cargas de Nivel 1 en 10 segundos. La redundancia adecuada se mantiene proporcionando redundancia física de las cargas requeridas por el código en el campo con cada carga redundante alimentada desde diferentes engranajes de generador en paralelo. En este diseño, las cargas redundantes ya eran parte del diseño y no se agregaron al diseño para garantizar el cumplimiento de NFPA 110. Para minimizar el tamaño de la planta generadora, se emplea un esquema de deslastre de cargas para deslastrar las cargas que no son Nivel 1 o Nivel 2. Consulte la Sección 6.3 de NFPA 110 para obtener información adicional sobre cómo implementar el deslastre de carga y la Sección 6.1.6 para obtener información adicional sobre los requisitos del interruptor de transferencia y las transferencias de media tensión. Otro elemento a considerar con los sistemas sincronizados a gran escala es el tiempo que lleva conectarse. La sección 700.12 del NEC requiere que la energía de emergencia esté disponible dentro de los 10 segundos posteriores a la pérdida del servicio público. Si este requisito de sincronización no se puede demostrar durante las pruebas, entonces se debe modificar la topología o el sistema de control para que se pueda cumplir este requisito.

Para proporcionar un sistema equivalente, se agregaron elementos de diseño adicionales para cumplir con los requisitos de la AHJ. Además de incorporar la secuencia preferida de operaciones en los controles, también se evaluaron los modos de falla. Durante la fase de diseño y revisión, se evaluaron fallas del interruptor, fallas de arranque del generador, fallas del par de transferencia y otros modos de falla. Estas fallas afectan la respuesta del generador y es necesario comprenderlas para garantizar que el sistema del generador responda adecuadamente al funcionamiento anormal del sistema de distribución. Para especificar y probar el sistema generador, estos modos de falla se incorporaron al diseño general, se especificaron y probaron durante las pruebas operativas del sistema. Probar la respuesta general del sistema de distribución eléctrica tanto para la operación esperada como para los modos de mantenimiento y falla mientras estaba bajo carga, aseguró el funcionamiento adecuado del sistema y proporcionó a la autoridad competente evidencia de que se había construido un sistema equivalente.

Proporcionar un segundo servicio público: se permite un segundo servicio público para atender cargas de emergencia y de reserva legalmente requeridas según el Artículo 700.12(D) del NEC con la aprobación de las AHJ. Además, los segundos servicios públicos que están permitidos según la EPSS no están cubiertos por NFPA 110.

En la Figura 4 se muestra una posible configuración utilizando un segundo servicio público. En este caso, un servicio de media tensión actúa como fuente de energía normal y un servicio público separado actúa como fuente de energía de reserva. Debido a que la segunda fuente de servicios públicos solo atiende cargas requeridas por el código, puede ser significativamente más pequeña que el servicio de servicios públicos principal. A diferencia de los generadores, dividir las cargas en bloques y secuenciarlos es mucho menos crítico. Un servicio público robusto no experimenta las variaciones de voltaje y frecuencia que experimenta un generador cuando se aplica una carga de bloque grande.

Sin embargo, utilizar un segundo servicio requiere una diligencia adicional por parte del ingeniero. Es fundamental recordar que la vida de las personas dentro y alrededor de una instalación puede depender del suministro confiable de energía a los sistemas de emergencia y legalmente requeridos. Antes de utilizar un segundo servicio, el ingeniero debe obtener estadísticas de confiabilidad sobre el segundo servicio de la empresa de servicios públicos, así como un conocimiento profundo del sistema de servicios públicos. Deben evitarse los servicios separados que tienen una subestación común cercana, están al final de una línea radial o comparten un camino común, como postes de servicios públicos comunes. Y aunque no es obligatorio, es aconsejable proporcionar sistemas de iluminación alimentados por baterías para la iluminación de salida obligatoria. En caso de fallo de la red, al menos los ocupantes del edificio disponen de un medio para salir del edificio. Como se indica en el NEC, este segundo servicio debe considerarse confiable y este método debe ser aprobado por la autoridad competente. Es posible que la autoridad competente aún requiera que los sistemas críticos, como la iluminación de emergencia y las alarmas contra incendios, tengan un respaldo de emergencia independiente.

Enfoques

No existe una solución única para diseñar un sistema a gran escala que cumpla con NFPA 110. Para cumplir con la intención de la norma, el ingeniero de diseño debe, ante todo, proporcionar un diseño de sistema que garantice la seguridad de las personas que dependen del sistema. Después de eso, hay muchos elementos diferentes que el ingeniero de diseño y el propietario deben considerar para garantizar que el sistema sea capaz de satisfacer las necesidades del propietario, así como la intención de NFPA 110. Algunos elementos que se deben considerar son el costo inicial. , costo de por vida, facilidad de mantenimiento, constructibilidad y escalabilidad. Estas preocupaciones son similares para las instalaciones más pequeñas. Pero para las instalaciones de producción de misión crítica o de alto valor, estas preocupaciones pueden convertirse en un factor mayor debido a la escala y los requisitos del sistema de reserva. Hay muchas técnicas disponibles, como las que se presentan aquí, que pueden ayudar a un ingeniero de diseño a entregar un sistema de respaldo que cumpla con los códigos de construcción locales, NEC, NFPA 110 y las expectativas del propietario.

Brian Martin es el gerente del departamento eléctrico de la oficina de CH2M en Portland, Oregon. Es miembro del consejo asesor editorial de Consulting-Specifying Engineer.

Jeremy Taylor es ingeniero eléctrico en CH2M. Tiene más de 10 años de experiencia como ingeniero eléctrico en una amplia gama de proyectos que incluyen múltiples instalaciones de misión crítica, que van desde pequeñas modificaciones de generadores de 50 kW hasta centros de datos de 15 MW.

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