Comprender el funcionamiento del interruptor de transferencia

Jul 01, 2023

Objetivos de aprendizaje:

Cuando se interrumpe el suministro eléctrico, la falla del sistema de energía no es una opción para muchas instalaciones. Los sistemas de energía de reserva tienen muchos componentes, incluidos los interruptores de transferencia que deben diseñarse correctamente. Durante las transiciones de energía, la sincronización y la secuencia del interruptor de transferencia son fundamentales para garantizar el funcionamiento adecuado del sistema. Los ingenieros consultores deben comprender los tipos de interruptores de transferencia, los requisitos de temporización, las clasificaciones y los tipos de sistemas de reserva donde los interruptores de transferencia se utilizan para transferir a la energía de respaldo. La base de este artículo es NFPA 70-2014: Código Eléctrico Nacional (NEC), a menos que se indique lo contrario.

Operación básica del interruptor de transferencia

Los interruptores de transferencia son responsables de la transición de energía eléctrica de la fuente primaria a una fuente secundaria en caso de interrupción, mantenimiento o falla de la fuente primaria. La fuente primaria más comúnmente consiste en el servicio público. La fuente secundaria generalmente consiste en la fuente de energía de respaldo o de emergencia. La secuencia de operación típicamente ocurre de la siguiente manera:

Tipos de sistemas de espera

Los tipos de sistemas de reserva incluyen sistemas de emergencia, sistemas de reserva legalmente requeridos, sistemas de reserva opcionales, sistemas de energía para operaciones críticas (COPS) y sistemas que respaldan las instalaciones de atención médica (consulte la Figura 1).

Sistemas de emergencia (artículo 700 del NEC): los sistemas de emergencia están definidos por la NFPA como "destinados a suministrar automáticamente iluminación, energía, o ambos, a áreas y equipos designados en caso de falla del suministro normal o en caso de accidente a elementos de un sistema destinado a suministrar, distribuir y controlar la energía y la iluminación esenciales para la seguridad de la vida humana”. Estos sistemas pueden incluir sistemas de alarma y detección de incendios, ascensores, bombas contra incendios e iluminación de salida.

Los equipos de transferencia, incluidos los interruptores de transferencia, deben ser automáticos, identificados para uso de emergencia y aprobados por la autoridad competente (AHJ). El equipo de transferencia debe diseñarse e instalarse para evitar la conexión simultánea e involuntaria de suministros de energía primarios y secundarios. El equipo de transferencia deberá suministrar únicamente cargas del sistema de emergencia. La energía debe transferirse a la fuente secundaria en 10 segundos o menos.

Sistemas de reserva legalmente requeridos (artículo 701 del NEC): los sistemas de reserva legalmente requeridos están definidos por la NFPA como "destinados a suministrar energía automáticamente a cargas seleccionadas (distintas de las clasificadas como sistemas de emergencia) en caso de falla de la fuente normal". Estos sistemas pueden incluir sistemas de calefacción y refrigeración, sistemas de comunicaciones, sistemas de ventilación y extracción de humo y otros procesos que, cuando se detienen en caso de interrupción de la fuente primaria, podrían crear peligros o dificultar las operaciones de rescate o extinción de incendios.

Los equipos de transferencia, incluidos los interruptores de transferencia, deben ser automáticos, identificados para uso en espera y aprobados por la AHJ. El equipo de transferencia debe diseñarse e instalarse para evitar la conexión simultánea e involuntaria de suministros de energía primarios y secundarios. La energía debe transferirse a la fuente secundaria en 60 segundos o menos.

Sistemas de reserva opcionales (artículo 702 del NEC): los sistemas de reserva opcionales están definidos por la NFPA como "destinados a suministrar energía a instalaciones o propiedades públicas o privadas donde la seguridad de la vida no depende del rendimiento del sistema". Estos sistemas pueden incluir sistemas de comunicación y procesamiento de datos, y sistemas de misión crítica que no son requeridos legalmente por la AHJ.

Los equipos de transferencia, incluidos los interruptores de transferencia, para los sistemas de reserva opcionales no están restringidos a los mismos requisitos que los equipos de transferencia del sistema requeridos legalmente y de emergencia. Sin embargo, el equipo de transferencia debe diseñarse e instalarse para evitar la conexión simultánea e involuntaria de suministros de energía primarios y secundarios. No hay requisitos de código para que la energía se transfiera a la fuente secundaria dentro de un período de tiempo determinado.

Sistemas de energía para operaciones críticas (COPS) (artículo 708 del NEC): las interrupciones o apagones en las áreas de operaciones críticas designadas pueden tener un impacto negativo en la seguridad nacional, la economía, la salud pública o la seguridad. El requisito de cumplir con el Artículo 708 de NEC lo proporciona cualquier agencia gubernamental que tenga jurisdicción o una instalación que proporcione documentación que establezca la necesidad de dicho sistema. Estos sistemas pueden incluir sistemas de energía, HVAC, alarma contra incendios, seguridad y comunicaciones en estas áreas. NFPA 1600-2013: Norma sobre gestión de desastres/emergencias y programas de continuidad empresarial contiene más información sobre este tema.

Los equipos de transferencia, incluidos los interruptores de transferencia, deben ser automáticos e identificados para uso en espera. El equipo de transferencia debe diseñarse e instalarse para evitar la conexión simultánea e involuntaria de suministros de energía primarios y secundarios.

Tipos de interruptores de transferencia

Los tipos de interruptores de transferencia incluyen transición abierta, cerrada, cerrada rápida, cerrada suave y derivación/aislamiento.

Conmutadores de transferencia de transición abierta: la transferencia de transición abierta se describe comúnmente como "romper antes de hacer". Esto significa que el interruptor de transferencia se desconecta de la fuente principal antes de establecer la conexión con la fuente secundaria (consulte la Figura 2). Hay una interrupción del sistema eléctrico de corta duración durante esta transición. Además, la transición abierta, por diseño, no permite el paralelismo de las dos fuentes al mismo tiempo. Los interruptores de transferencia de transición abierta son el tipo más utilizado. Son menos costosos que otras opciones.

Interruptores de transferencia de transición cerrada: la transferencia de transición cerrada se describe comúnmente como "hacer antes de romper". Esto significa que el interruptor de transferencia crea una conexión a la fuente secundaria mientras está conectado a la fuente primaria (consulte la Figura 3). Cuando se establezca la conexión con la fuente secundaria, la fuente principal se desconectará. Esto permite una fuente continua de suministro al sistema eléctrico ya que las dos fuentes están conectadas en paralelo. Las fuentes en paralelo (o interconectadas) deben cumplir con el Artículo 705 de NEC: Fuentes de producción de energía eléctrica interconectadas, que aborda los requisitos básicos de seguridad relacionados con la operación en paralelo de generadores y fuentes normales/primarias (comúnmente, el servicio público).

Los interruptores de transición cerrada transfieren cuando ambas fuentes están sincronizadas en fase, voltaje y frecuencia. La duración del período de sincronización en el que ambas fuentes están conectadas en paralelo suele estar limitada por el acuerdo y los requisitos de interconexión de la empresa de servicios públicos.

Conmutadores de transferencia de transición cerrada rápida: Los conmutadores de transferencia de transición cerrada rápida utilizan un paralelismo momentáneo de fuentes (normalmente menos de 100 mseg) mediante un sistema de control similar al sistema de conmutador de transferencia de transición abierta. Algunos conmutadores de transferencia de transición cerrada rápida utilizan sincronización pasiva para detectar la relación de fase entre las dos fuentes activas (en caso de conexión en paralelo) y permitir la interconexión de fuentes cuando están sincronizadas. Esto se considera pasivo porque no hay control directo sobre la frecuencia del generador y las fuentes están en paralelo durante un período de tiempo muy corto. Aunque la intención es no poner en paralelo las fuentes durante un período de tiempo prolongado, los proveedores de servicios públicos generalmente requieren protección de relé de potencia inversa para proteger sus sistemas de una operación paralela sostenida. Los interruptores de transición cerrada rápidos son más caros que los interruptores de transición abierta pero menos costosos que los interruptores de transición cerrada suave.

Interruptores de transferencia de transición cerrada suave: Los interruptores de transferencia de transición cerrada suave usan un sincronizador automático para permitir que el generador se sincronice con el servicio público y transfiera las cargas. El tiempo de transferencia puede variar de segundos a varios minutos, generalmente según los requisitos del proveedor de servicios públicos. Durante este proceso, hay una duración sostenida de funcionamiento en paralelo entre las dos fuentes. Como tal, las interrupciones de voltaje y frecuencia generalmente se reducen debido a la transferencia gradual de cargas entre fuentes. Al igual que los interruptores rápidos de transición cerrada, los proveedores de servicios públicos suelen requerir un mayor nivel de protección de relés y aprobaciones para implementar este tipo de sistema.

Interruptores de transferencia de derivación/aislamiento: como su nombre lo indica, se pueden proporcionar capacidades de derivación o aislamiento a los sistemas de transferencia enumerados anteriormente para derivar los componentes del interruptor de transferencia principal sin interrumpir la alimentación de la instalación. El componente de conmutación secundario ofrece redundancia inherente y aumenta la confiabilidad. Esto permite el mantenimiento del interruptor de transferencia sin apagar el equipo también. Las capacidades de derivación/aislamiento generalmente se especifican para equipos altamente críticos o cargas continuas donde una pérdida de energía es perjudicial para el rendimiento de la instalación o las operaciones.

Sin embargo, las capacidades de derivación/aislamiento generalmente agregan un costo significativo al sistema y agregan requisitos de espacio adicionales para acomodar el equipo adicional.

Aparamenta en paralelo

La aparamenta en paralelo generalmente se usa para combinar múltiples fuentes de energía (comúnmente dos o más generadores) y conectarse a un bus común para usar la capacidad agregada de las fuentes (consulte la Figura 4). Las fuentes de energía deben estar sincronizadas donde la frecuencia, el voltaje, el ángulo de fase y la rotación de fase estén dentro de los límites prescritos y las fuentes puedan conectarse en paralelo. La aparamenta en paralelo puede usar disyuntores motorizados y controladores lógicos programables para operar y priorizar las cargas de distribución y, como tal, esta configuración puede no requerir interruptores de transferencia independientes para transferir cargas. Sin embargo, algunas AHJ pueden requerir interruptores de transferencia separados para las cargas dictadas por los artículos 700 y 701 de NEC para la segregación completa de los sistemas; Se debe consultar a la AHJ para conocer las configuraciones del sistema aceptables y aprobadas. El mantenimiento de la carga y las prioridades se pueden establecer para garantizar que las prioridades más altas, como las cargas de emergencia, legalmente requeridas y de reserva opcionales, reciban energía de reserva/respaldo dentro de los plazos especificados para cumplir con los requisitos de transferencia.

Las cargas no esenciales también se pueden proporcionar con pasos de prioridad en caso de que haya capacidad adicional disponible en el sistema de respaldo después de que se hayan abordado las prioridades más altas antes mencionadas. Los sistemas de aparamenta en paralelo generalmente se pueden programar para proporcionar muchas funciones sofisticadas, como desconexión de carga, descarga del generador, transferencias suaves de servicios públicos, medición de alto nivel y funciones de mantenimiento de carga. Sin embargo, estas funciones pueden aumentar significativamente los costos y, por lo general, requieren un mayor nivel de personal de operaciones técnicas para mantenerlas durante su vida útil.

Operación del interruptor de transferencia

La operación del interruptor de transferencia ocurre en base a los procesos de iniciación y transferencia. El proceso de iniciación es lo que identifica que la transferencia debe ocurrir. Este evento puede consistir en una pérdida o un voltaje inconsistente de la fuente primaria. La transferencia es el proceso de cambiar la carga de la fuente secundaria o alternativa, y viceversa.

Automático: en el modo automático, el controlador del interruptor de transferencia administra todo el proceso y la iniciación comienza cuando el controlador detecta una pérdida de la fuente primaria. El controlador monitorea el voltaje de la fuente y envía un comando a los generadores para que funcionen cuando el voltaje cae por debajo de un límite preestablecido durante un período de tiempo preestablecido. El controlador también monitorea el voltaje y la frecuencia de la fuente secundaria, y cuando estos valores están dentro de los límites aceptables, el interruptor transfiere la carga de la fuente primaria a la secundaria. Cuando la fuente primaria se ha restablecido durante un tiempo prescrito para garantizar la estabilidad, el interruptor puede transferir automáticamente la carga de regreso a la fuente primaria. La mayoría de las cargas críticas y de seguridad humana requieren una operación automática según lo define el NEC.

No automático: En el modo no automático, el interruptor de transferencia es iniciado manualmente por un operador y luego un dispositivo interno dentro del equipo del interruptor opera el interruptor de transferencia mediante operación eléctrica. El operador tiene la capacidad de determinar cuándo iniciar la transferencia de carga, pero la operación de transferencia real se acciona eléctricamente.

Manual: en el modo manual, todo el proceso lo completa manualmente un operador. Por lo general, no se utiliza un controlador, un equipo de detección de voltaje o un mecanismo eléctrico para operar la transferencia de carga. Los interruptores manuales son los tipos más básicos de interruptores de transferencia y son comunes en instalaciones o aplicaciones no críticas.

Construcción del interruptor de transferencia, requisitos de rendimiento

Los códigos y estándares, como UL 1008-8: Equipos de interruptores de transferencia, UL 1008A-1: Estándar para interruptores de transferencia de voltaje medio y NFPA 110-2016: Estándar para sistemas de energía de reserva y de emergencia, proporcionan requisitos de construcción y rendimiento para interruptores de transferencia.

UL 1008: UL 1008 es la norma más comúnmente aplicada y adoptada para abordar la construcción y prueba de interruptores de transferencia en los EE. UU. Esta norma se aplica a interruptores de transferencia de bomba contra incendios, híbridos, de transición cerrada, automáticos, manuales o otros. Sin embargo, esta norma no se refiere específicamente a los interruptores de más de 600 V.

UL 1008 incluye requisitos que abordan la construcción y el rendimiento del equipo del interruptor de transferencia. Los requisitos de construcción dentro de la norma incluyen, entre otros, el equipo del gabinete, el cableado interno y de campo de los componentes y la instalación del equipo.

Los requisitos de rendimiento y prueba incluyen, pero no se limitan a, resistencia y clasificación de cierre, sobrevoltaje/bajo voltaje, sobrecarga, temperatura y pruebas de resistencia. Estas pruebas y requisitos de construcción demuestran que el equipo del interruptor de transferencia debe ser seguro y confiable cuando la operación de transferencia es necesaria.

UL 1008A: De manera similar, UL 1008A contiene requisitos para interruptores de transferencia automáticos, no automáticos y manuales con operación superior a 750 V y hasta 46 kV. Los requisitos dentro de la norma cubren el interruptor de transferencia y los dispositivos de control y relés asociados.

NFPA 110: NFPA 110 se aplica y adopta comúnmente en los Estados Unidos. El Capítulo 6 de la norma incluye requisitos para equipos de interruptores de transferencia. Los requisitos del estándar relacionados con las características del interruptor de transferencia automática (ATS) especifican que sus capacidades deben incluir:

El Capítulo 6 también requiere que "el interruptor de transferencia sea capaz de soportar la corriente de falla disponible en el punto de instalación". Además, "el interruptor de transferencia deberá tener una clasificación de corriente continua y una clasificación de interrupción para todas las clases de cargas que se atenderán". La clasificación eléctrica del interruptor de transferencia debe tener el tamaño apropiado para la carga total conectada.

NFPA 110 incluye requisitos para el monitoreo de fuentes, como dispositivos de detección de bajo voltaje, para monitorear todas las líneas sin conexión a tierra de la fuente primaria, equipo de detección de voltaje y frecuencia para monitorear una línea sin conexión a tierra y para garantizar que la transferencia a la fuente secundaria se inhiba hasta que el voltaje y la frecuencia están dentro de los límites especificados.

Se proporcionan dispositivos de retardo de tiempo para retrasar el proceso de transferencia para evitar molestias en el arranque y la transferencia de carga en función de caídas de energía transitorias o perturbaciones momentáneas en la fuente primaria. Se debe proporcionar un dispositivo de retardo de tiempo ajustable para retrasar el proceso de transferencia de carga para evitar una caída de voltaje excesiva del sistema para uso donde la falla de operación del equipo podría resultar en lesiones o pérdida de vidas humanas. Además, se debe proporcionar otro dispositivo de retardo de tiempo ajustable (con derivación automática) para retardar la transferencia desde la fuente secundaria (típicamente el suministro de energía de emergencia) a la fuente primaria y para permitir que la fuente primaria se restablezca.

permanecer en el poder

Comprender los requisitos de construcción y rendimiento del interruptor de transferencia, además de seleccionar los tipos de interruptor de transferencia adecuados y el funcionamiento deseado para los sistemas de reserva específicos atendidos, ayudará a garantizar que los sistemas y equipos críticos reciban energía de respaldo confiable cuando se necesiten.

Ryan Ishino es el director asociado de electricidad de la oficina del condado de Orange en JBA Consulting Engineers en Irvine, California. Tiene experiencia en múltiples sectores del mercado, incluidos hotelería, comercio, atención médica, educación y diseño de plantas centrales.

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