Fontes de alimentação de segurança para hospitais e data centers


Aparelhos e equipamentos elétricos para fins de segurança em hospitais destinam-se a evitar riscos, ao combate a incêndio e ao resgate de pessoas. Este artigo examina critérios para dimensionamento de grupos geradores de emergência e os ensaios necessários para prevenir possíveis falhas de operação. Também comenta medições realizadas em três hospitais e um data center.


Jürgen Blum, da A-Eberle GmbH, e Dragan Sofic, da EAB GmbH (Alemanha)

Data: 20/11/2016

Edição: EM Novembro 2016 - Ano 45 - No 512

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Fig. 1 – Arranjo para ensaio de grupo diesel de 500
kVA com analisador de rede

Numa instalação hospitalar, quedas de tensão abaixo de 90% por tempo superior a 0,5 s em uma ou mais fazes da rede de alimentação normal exigem a comutação automática para uma fonte de segurança, de acordo com a norma de instalações de baixa tensão [1].

A comutação deve ocorrer no quadro geral de baixa tensão, no sentido do fluxo de energia, a jusante dos transformadoree das fontes de tensão. Ela deve garantique os aparelhos elétricos para fins de segurança sejam conectados em 15 s a uma fonte de tensão segura apta a suprimento por 24h. Uma redução do tempo de operação dessa fonte de 24h para 3h só é admissível se os procedimentos médicos e exames puderem ser concluídos sem perigo para os pacientes e o hospital puder sedesocupado em segurança.

[N. da R.: No âmbito da ABNT aplicam-se, principalmente, as normas NBR 5410:2004 Instalações elétricas de baixa tensão, e NBR 13534:2008 Instalações elétricas de baixa tensão Requisitos específicos para instalações em estabelecimentos assistenciais de saúde. Ver também boxe sobre a classificação das variações de tensão de curta duração, na página 61.]

Fontes de segurança

Aparelhos e equipamentos elétricopara fins de segurança em hospitais destinam-se a evitar riscos, ao combate a incêndio e ao resgate de pessoas.

Incluem-se aqui as seguintes instalações:

As referidas fontes de segurança para hospitais são grupos geradores com motores a combustão (em geral, motores diesel). O conjunto é então formado por um acionamento a diesel e um gerador síncrono de polos salientes, que gera energia ativa. O gerador síncrono gera também energia reativa. A estabilidade da tensão depende do regulador de tensão, e a estabilidade da frequência depende do regulador de velocidade, enquanto o desempenho perante carga com conteúdo harmônico depende do enrolamento amortecedor.

Requisitos de operação

Um grupo diesel deve ter condições e fornecer, em 15 s e no máximo em ois estágios, no mínimo 80% de sua otência aparente nominal, com um faor de deslocamento da frequência funamental igual a cos j 0,8. Os restantes 0% da potência aparente devem ser ornecidos dentro de mais 5 s.

Os requisitos de tensão constante de frequência constante para a maioridas cargas elétricas instaladas em hospiais correspondem àqueles que se verificam em regime de alimentação normalou seja, com suprimento pela rede pública. Em regime normal, um hospital alimentado pelo sistema interligadocom todas as usinas e todos os geradores síncronos das usinas operando em paralelo.

Fig. 2 – Inserção de carga (resistiva - indutiva, cos ϕ
= 0,8) com 60% da potência aparente nominal do grupo
diesel de 500 kVA

Parâmetros de rede relevantes

Variações de carga na rede de baixa tensão, como inserções e desligamentos de cargas importantes, praticamente não influenciam a frequência e a tensão no sistema interligado. Tais variações são distribuídas por múltiplas usinas e geradores síncronos, e não representam solicitações apreciáveis para as unidades geradoras individualmente. No sistema interligado, existe normalmente uma potência de curto-circuito muito elevada, que garante alto nível de estabilidade de tensão. Em regime de alimentação pela rede pública, a potência de curto-circuito de corrente alternada é limitada predominantemente pela impedância do transformador que supre a rede de baixa tensão.

Uma variação de carga da ordem dpotência aparente nominal do transformador provoca nos seus respectivos bornes uma queda de tensão que pode atingir, no máximo, o valor nominal da sua tensão de curto-circuito relativa. Essqueda de tensão é uma função do valoeficaz da corrente de carga, da resistêncido transformador, bem como de sua reatância indutiva, ou do ângulo de impedância do transformador e da carga.

Mediante a conexão adequada da instalação hospitalar à rede pública — por meio de subestação transformadora própria — é possível satisfazer os requisitos de elevada estabilidade de frequência e de tensão, em geral sem maiores problemas.

Requisitos para o grupo gerador

Em caso de colapso da alimentaçãnormal de um hospital, o grupo diesel demergência deve assumir automaticmente o suprimento para as instalaçõede segurança e garantir a estabilidade doperação isolada da rede externa.

Em operação isolada, entretanto, o grupo diesel representa a única fonte de tensão. O motor de acionamento é confrontado com variações de carga relativamente grandes em comparação com sua potência nominal. Com isso podem ocorrer oscilações de tensão e de frequência, além de afundamentos de tensão.

A queda de tensão que se apresenta nos bornes do estator do gerador em opeção isolada, como consequência de variações de carga da ordem de sua potência aparente nominal, depende do valoeficaz da corrente de carga, da resistêncido estator, da reatância indutiva transitória ou do ângulo da impedância transitória do gerador e da carga. Tal queda de tensão pode ser três vezes maior do que com um transformador de distribuição de potência idêntica. O grupo diesel deve ser dimensionado considerando os seguintes parâmetros:

O dimensionamento da potência aparente baseado no fator de deslocamento da frequência fundamental assegura que, em operação isolada do grupo gerador, as variações de carga resultem meramente em alterações momentâneas de velocidade do motor diesel, ou em alterações momentâneas de frequência ou de tensão do gerador. Neste caso, os valores limites de operação eletrodinâmica estão respeitados.

Fig. 3 - Partida em estrela de motor de 75 kW da bomba de sprinkler, alimentado por dois transformadores de 800 kVA cada

Fig. 4 – Partida em estrela de motor de 75 kW da bomba de sprinkler, alimentado por grupo diesel de 500 kVA

Proteção de rede e harmônicos

A interrupção seletiva de correntes de curto-circuito conforme requisitos normativos [1] pode ser assegurada pelo correto dimensionamento da proteção de rede, considerando-se as referidas potências de curto-circuito. Para isso, contudo, é comum ser necessário um sobredimensionamento do motor diesel e do gerador síncrono.

Mesmo quando o grupo diesel está sobredimensionado quanto à potência ativa nominal, pode ocorrer que, em regime de operação isolada, o conteúdo harmônico da tensão do gerador — causado por cargas eletrônicas, como acionamentos de velocidade variável, fontes de alimentação ininterrupta, lâmpadas fluorescentes compactas, equipamentos de tecnologia da informação, etc— seja tão alto que os níveis de compatibilidade admissíveis para as harmônicas de tensão sejam largamente ultrapassados. Daí podem resultar perturbações de funcionamento dos aparelhos ou mesmo um colapso total da rede.

Para verificar se o grupo diesel de emergência atende os requisitos estabelecidos na fase de projeto é necessário realizar medições, tanto na fábrica do fornecedor, durante os testes de aceitação, quanto no local de instalação, no hospital.

Nos tópicos seguintes são comentadas quatro medições realizadas recentemente. Para tais análises técnicas são necessários potentes analisadores de qualidade de rede, e a avaliação qualificada dos resultados requer profunda compreensão dos parâmetros físicos registrados.

Teste de aceitação do grupo diesel no fornecedor

A fim de evitar surpresas desagradáveis durante a operação isolada do grupo gerador no hospital, as medições têm início na aceitação do equipamento, no fornecedor (figura 1). Ao lado do controle do sistema de emergência, são também testados e comprovados a observância dos valores elétricos limite estáticos e dinâmicos, bem como o conteúdo harmônico da tensão do gerador.

A figura 2 mostra as tensões e frequências das respectivas fases. Após a inserção de 60% da carga aparente nominal (resistiva-indutiva, com cos j = 0,8) do grupo diesel de 500 kVA, a tensão afunda para 201 V e, depois de uma breve oscilação, declina até 193 V. Em seguida, ela oscila até um valor máximo de 237 VDecorridos cerca de 1,7 s o processo oscilatório está concluído e as tensões estão estabilizadas.

Por seu turno, a frequência declina de 50 Hz [frequência industrial nominal no país de origem deste artigo] para 45,4 Hz, e oscila até 49,4 Hz. Depois de uma janela de tempo de aproxima-damente 4,2 s, o proces-so oscilatório está ter mi nado e a frequência é estável.

Para essas medições adequa-se perfeitamente o registrador de valor eficazcom alta resolução de 10 ms, mostradona figura 1. Além das tensões e correntes,são registradas também a frequência e aspotências ativa, reativa e aparente com amesma resolução. O tempo de aquisiçãode dados pode se estender até 120 s, sendo que o histórico anterior e posterior élivremente ajustável para impressão.

No caso presente, o grupo diesel atendeu por pequena margem os valores limite eletrodinâmicos para a frequência, determinados na norma DIN 6280-13(Área 1 para equipamentos de utilizaçãomédica) [2]. Já os valores limites eletrodinâmicos para a tensão não puderam ser satisfeitos, apesar da atuação do regulador em tempo correto.

Fig. 5 – Arranjo para medição de harmônicas no QGBT alimentado ora pela rede, ora pelo grupo diesel

Fig. 6 – Fator DTH e harmônicas de tensão de 3a, 9a, 15a e 21a ordens da fase L1 no QGBTA alimentado pela rede com dois transformadores de 1 MVA cada

Teste de partida no hospital – Bomba do sistema de sprinkler

No estágio de projeto de um outro hospital foi calculada uma estimativa de queda de tensão no barramento de emergência do quadro geral de distribuição de baixa tensão (QGBT), considerando a partida de uma bomba do sistema de sprinkler, com potência de 75 kW. O cálculo foi efetuado tantopara alimentação normal (por meio de dois transformadores de 800 kVA cada, com impedância percentual de 6%, ligados em paralelo), quanto para suprimento pelo grupo diesel de 500 kVA isolado da rede externa. Foram considerados os regulamentos da concessionária de energia, e condições de carga simétrica.

O cálculo resultou numa queda de tensão relativa de 1,95%, para operação normal, com potência aparente de curtocircuito de 19,2 MVA. Com o gerador operando em regime isolado da rede, o cálculo indicou uma queda de tensão relativa de 15,39%, com potência aparente de curto-circuito de 2,39 MVA.

Após o término da instalação, a partida da bomba de 75 kW foi testada e medida. Inicialmente com alimentação normal pelos dois transformadores de 800 kVA. A figura 3 documenta as quedas de tensão relativas, medidas nas respectivas fases: 2,29% (L1), 2,48% (L2) e 2,37% (L3).

Na sequência, a rede pública foi desligada e a partida foi registrada com alimentação pelo grupo diesel de 500 kVA. A inserção da bomba de sprinkler foi efetuada com o gerador em vazio, sem carga prévia. Em regime isolado da rede externa, as quedas de tensão relativas medidas e registradas nas respectivas fases foram de 16,2% (L1), 16,87% (L2) e 16,96% (L3), conforme figura 4. Esses dados se referem somente à partida da bomba com o motor em estrela.

Os registros foram efetuados com o PQ-Box 100 no mesmo ponto, ou seja, no barramento de emergência do QGBT, mais precisamente, logo a jusante dos fusíveis, no início da linha de alimentação para o painel de comando da bomba de sprinkler. As diferenças importantes no comportamento da tensão e da frequência são nítidas e facilmente observáveis. Os registros da comutação de estrela para triângulo do motor da bomba de 75 kW, que foram igualmente realizados, deixam de ser comentados neste artigo.

Teste de apagão em hospital – Simulação de um caso real

Num terceiro hospital foi realizado um teste de blackout para verificar, em caso de colapso real da alimentação normal, além da eficácia da comutação da rede para o gerador de emergência, com todas as características relevantes, também a qualidade da tensão. Nos comentários que se seguem será analisada nesse contexto apenas a qualidade da tensão.

A figura 5 ilustra o esquema de medição dentro do QGBT. Os dados foram registrados com dois PQ-Boxes 100, de modo a captar tanto o fluxo de energia da rede quanto também do gerador. Foi registrada de início a qualidade da tensão no barramento de emergência do QGBT, alimentado pela rede normal com três transformadores de 1 MVA cada, com impedância percentual de 6%, conectados em paralelo. Em seguida foi desligada a alimentação normal, e um grupo diesel de 400 kVA assumiu o suprimento do barramento de emergência do QGBT em operação isolada da rede externa.

Na figura 6 são mostrados os valores de Distorção Harmônica Total (DHT), bem como os valores relativos das harmônicas de tensão de 3a, 9a, 15a e 21a ordens, registrados durante a alimentação do barramento de emergência do QGBT pela rede normal.

Por outro lado, a figura 7 exibe os valores de Distorção Harmônica Tota(DHT), e os valores relativos das harmônicas de tensão de 3a, 9a, 15a e 21a ordens, registrados durante a alimentação do barramento de emergência do QGBT pelo grupo diesel.

Avaliação dos resultados das medições

Fica evidente um robusto aumento do conteúdo harmônico na tensão do gerador. A avaliação da carga de harmônicas é efetuada conforme a norma europeia EN 61000-2-4, classe 2, ou pelas normas alemãs ou internacionais equivalentes [3]. Na operação com a rede normal, os níveis das harmônicas citadas situam-se visivelmente abaixo dos níveis admissíveis. Já com o gerador em operação isolada da rede externa foram registradas harmônicas de tensão da 9a, 15a e 21a ordens significativamente acima dos níveis admissíveis.

Fig. 7 – Fator DTH e harmônicas de tensão de 3a, 9a, 15a e 21a ordens da fase L1 no QGBT alimentado por grupo diesel de 400 kVA

Fig. 8 – Comutação de uma UPS da rede pública para o grupo diesel em um data center

Comutação da fonte em um data center

Muitos data centers dispõem na atualidade de fontes de alimentação alternativas e de fontes de alimentação ininterrupta estáticas (USV, na sigla em inglês). Devido à inadequada relação de potência entre a fonte alternativa e a USV, é comum ocorrerem problemas nesse contexto. Para finalizar este artigo, será comentado o caso da comutação de uma USV da rede normal para a rede alternativa na instalação de um data center (figura 8). Neste exemplo, a fonte alternativa foi testada com a USV sob condições reais de colapso da rede.

Nos registros gráficos, pode-se observar com clareza as oscilações das tensões e da frequência em oposição. No instante do valor máximo da frequência, as tensões encontram-se no seu valor mínimo. Após alguns segundos, o grupo diesel foi desconectado da rede por um relé de proteção.

O grupo diesel estava suficientemente dimensionado, e inicialmente pôde fornecer a potência solicitada. Contudo, as fortes oscilações de tensão e de frequência causaram o disparo do dispositivo de proteção e resultaram no completo desligamento da instalação.

Conclusão

Surpresas desagradáveis só podem ser evitadas mediante um projeto tecnicamente correto e medições qualificadas. Os procedimentos de medição necessários devem satisfazer diversos requisitos. Por exemplo, o valor eficaz datensões, correntes, potências e da frequência deve ser analisado com uma resolução de 10 ms. Uma imagem com resolução acima de 200 ms ou 1 s não possibilitaria identificar essas oscilações da rede.

Distorções da forma de onda senoidal e transitórios de tensão podem ser registrados por osciloscópios. Com múltiplas possibilidades de disparo (funções trigger), eles permitem captar diversas informações sobre as perturbações em análise.

Referências

  1. DIN VDE 0100 – 710:2012 – Errichten von Niederspannungsan lagen Teil 7-710: Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art – Medizinisch genutzte Bereiche (IEC 60364-7-710:2002, modificada).
  2. DIN 6280-13:1994 Stromerzeugungsaggregate Stromerzeugungsaggregate mit Hubkolben-Verbrennungsmotoren Teil 13: Für Sicherheitsstromversorgung in Krankenhäusern und in baulichen Anlagen für Menschenansammlungen.
  3. IEC 61000-2-4:2002 Electromagnetic compatibility (EMC) Part 2-4: Environment Compatibility levels in industrial plants for low-frequency conducted disturbances.