Como diseñar los espacios de las subestaciones y cuartos eléctricos. !!! PREMIUM !!!

En el diseño de los espacios de las subestaciones eléctricas los ingenieros electricistas deben convivir y coordinarse con muchas otras disciplinas.

Algunas de estas disciplinas son: ingenieros mecánicos, arquitectos, ingenieros civiles/estructurales, telecomunicaciones y otros involucrados de alguna forma en el diseño de espacio para las subestaciones.

Los espacios eléctricos, los mecánicos y de plomería (MEP, por la definición: Mechanical, electrical and plumbing) son a menudo diseñados y planificados de forma tardía en edificios y en algunos casos son relegados a ubicaciones que quedan o que se consideran indeseables para otros fines de planificación.

Esta miopía puede tener consecuencias desafortunadas en el costo, las operaciones y la flexibilidad de los sistemas para el futuro.

El NEC/NFPA 70: Código Eléctrico Nacional (NEC) define el espacio mínimo necesario alrededor de lo equipos eléctricos para el acceso, operaciones, mantenimiento y seguridad, además de mostrar que canalizaciones diferentes a las eléctricas están permitidas en el interior de una subestacion. Lo anterior en conjunto con los tamaños reales de los equipos, definen los requisitos dimensionales mínimos para una subestación eléctrica.

Hay dos tipos de espacios eléctricos interiores en una subestacion que se deben tener en cuenta al realizar el diseño: Espacio enfrente, llamado comúnmente espacio de trabajo y espacio arriba, llamado espacio dedicado de los equipos principales.

Se deben satisfacer las necesidades de espacio de trabajo y espacio dedicado requeridos por el código NEC/NFPA70/NTC2050. Este artículo describirá las consideraciones importantes para estos espacios en las primeras etapas del diseño del edificio, la ocupación prevista, el tamaño y las expectativas futuras de los sistemas eléctricos.

Espacio de trabajo vs espacio dedicado

Primero definamos lo que diferencia el espacio de trabajo y el espacio dedicado según lo establecido por el NEC/NFPA70/NTC2050. (Ver imagen 1)

Espacio de trabajo

El espacio de trabajo ayuda a mantener una zona de trabajo despejada alrededor de todo el equipo eléctrico y garantiza la protección de los trabajadores u ocupantes dentro de la subestacion. El NEC incluye los requisitos mínimos de ancho, profundidad y altura para el espacio de trabajo, que varía según el voltaje y el equipo específico.

Cuanto mayor sea el voltaje del equipo, mayor será la profundidad del espacio de trabajo. El ancho debe ser igual al ancho del equipo y no menos de 30 pulgadas (75cm), permitiendo la apertura de puertas o paneles con bisagras a 90 grados completos. La altura debe ser de 6 pies 6 pulg (1.8m). Desde el piso, o la altura del equipo si es mayor de 6 pies 6 pulg (1.8m).(Ver imagen 1)

El estilo y el tipo de construcción del equipo eléctrico determina si solo se requiere acceso frontal o si también se requiere acceso posterior y/o lateral. Para cada punto de acceso a un equipo, se deben proporcionar las distancias de trabajo mínimas que se muestran en la NEC. (Ver Tabla 110.26 (A)(1) y 110.34 (A)).

NOTA Donde las condiciones son las siguientes:

Condición 1. Partes vivas expuestas en un lado del espacio de trabajo y ninguna parte viva puesta a tierra en el otro lado del espacio de trabajo, o partes vivas expuestas a ambos lados del espacio de trabajo que estén resguardadas eficazmente por materiales aislantes.
Condición 2. Partes vivas expuestas en un lado del espacio de trabajo y partes puestas a tierra en el otro lado del espacio de trabajo. Las paredes de concreto, ladrillo o baldosa se deben considerar como puestas a tierra.
Condición 3 Partes vivas expuestas en ambos lados del espacio de trabajo.
(a) Ensambles de frente muerto. No debe requerirse un espacio de trabajo en la parte posterior ni en los laterales de ensambles, tales como tableros de distribución de frente muerto, equipos de tableros de distribución o centros de control de motores, donde todas las conexiones y todas las partes ajustables o renovables, tales como fusibles o interruptores, sean accesibles desde lugares que no sean la parte posterior o los laterales. Donde se requiera acceso
trasero para trabajar en piezas no eléctricas de la parte posterior del equipo cubierto con encerramiento, debe haber un espacio mínimo horizontal de trabajo de 0,76 m.
(b) Baja tensión. Con un permiso especial, deben permitirse espacios de trabajo más pequeños donde todas las partes energizadas expuestas funcionen a tensiones no mayores de 30 V rms, 42 V pico ó 60 V de corriente continua.
(c) Edificios existentes. En los edificios existentes en los que se estén reemplazando equipos eléctricos, debe permitirse un espacio libre de trabajo de Condición 2 entre tableros de distribución de frente muerto, equipos de tableros de distribución o centros de control de motores situados, a través de un pasillo, y entre uno y otro. Donde las condiciones de mantenimiento y supervisión aseguren que se han adoptado procedimientos escritos que prohíban
que se abran al mismo tiempo los equipos a ambos lados del pasillo y que la instalación será reparada y mantenida por personal calificado.

NOTA, Donde las condiciones son las siguientes:

(1) Condición 1 Partes vivas expuestas en un lado del espacio de trabajo y ninguna parte viva o puesta a tierra en el otro lado, o partes vivas expuestas a ambos lados del espacio de trabajo que están resguardadas eficazmente por materiales aislantes.
(2) Condición 2 Partes vivas expuestas en un lado del espacio de trabajo y partes puestas a tierra en el otro lado del espacio de trabajo. Las paredes de concreto, ladrillo o baldosa se deben considerar como puestas a tierra.
(3) Condición 3 Partes vivas expuestas en ambos lados del espacio de trabajo.

Espacio dedicado

El espacio dedicado es una zona por encima del equipo eléctrico. Está reservado para proporcionar acceso futuro a los equipos eléctricos, protección del equipo eléctrico de sistemas extraños y para instalar bandejas, electrobarras y otras canalizaciones que soporten acometidas o alimentadores entrantes y salientes. El requisito de espacio dedicado se aplica principalmente a Celdas, tableros de distribución y centros de control de motores. (Ver Figura 1)

El espacio debe ser igual en ancho y profundidad al tamaño del equipo y extenderse desde el piso hasta una altura de 6 pies (1.8m) por encima del equipo (o hasta el techo estructural, el que sea más bajo). El NEC no permite en esta zona ningún equipo o sistema ajeno a la instalación eléctrica.

El área encima del espacio dedicado puede contener sistemas diferentes a los eléctricos, siempre que con la protección adecuada se evite daños por goteos, fugas o roturas en estos sistemas. Sin embargo, es una buena práctica evitar por completo la instalación de estos sistemas en salas eléctricas.

Si bien las instalaciones de equipos superiores a 1000 V generalmente siguen los mismos principios, algunos de los detalles varían, lo que requiere espacio adicional alrededor del equipo debido al mayor riesgo que imponen estos voltajes (Consulte la Tabla 110.34 (A)). El acceso a estos equipos está preferiblemente limitado solo a aquellos que se consideren calificados para estar allí. Por este motivo, los equipos eléctricos deben instalarse en areas o espacios dedicados a tal fin y que tengan acceso controlado.

El primer tipo de sala que exploraremos en este artículo, es una sala de equipos principales o subestacion que tiene necesidades distintivas que la separan de los espacios de las salas secundarias o cuartos de tableros de distribución.

Sala de equipos principales o subestaciones

La sala eléctrica principal o subestacion es un espacio que tiene las Celdas y tableros que reciben la acometida principal de servicio por parte del operador de red, tanto el espacio, como los equipos y el ingreso del alimentador debe coordinarse con la empresa de servicios eléctricos local (consulte el artículo 230 del NEC, Servicios, para obtener detalles adicionales relacionados con la instalación de conductores y equipos de entrada de servicio).

Por ejemplo, el ingreso de la acometida a las salas de equipos principales tienen requisitos específicos, para asegurar el mantenimiento e instalación de la acometida, algunos de estos requisitos se encuentran en la NEC sección 230, sin embargo la ultima palabra la tendrá las normas del operador de red local, si hay discrepancia entre lo que informa la NEC y el operador local, este ultimo debe primar sobre lo informado por la norma, siempre y cuando lo definido por el Operador sean exigencias superiores a la Norma. El tipo de equipo instalado también determinará aún más los requisitos de esta sala.

Algunos espacios de entrada de servicio se encuentra en una pared exterior por razones prácticas y de código; facilita la instalación y minimiza la longitud de los conductores de entrada de servicio. Debido a que los conductores de servicio suelen ser los más grandes de la instalación, esto puede tener un impacto sustancial en el costo.

El uso de interruptores o protecciones resistentes al arco también afectará las necesidades de espacio. Este equipo será más alto y puede tener una huella más grande.

Los ingenieros también deberán tener en cuenta los gases de escape potenciales y la energía que produce un cortocircuito o un arco eléctrico, proporcionando una vía para expulsarlos y aliviar la acumulación de presión desde el interior del tablero.

Si se usa un transformador exterior tipo padmounted (Pedestal) para brindar potencia a un edificio, los alimentadores del transformador ingresan al edificio y hacen la transición a la desconexión de la entrada principal, generalmente en un tablero de distribución. Estos alimentadores a menudo se enrutan bajo tierra dentro del edificio a través de la pared exterior de la cimentación. Se necesita coordinación adicional con el ingeniero estructural para evitar zapatas y otras estructuras.

La elevación de los tubos de entrada de servicio muchas veces no se alinea naturalmente con el equipo al que se dirige. Comúnmente se requiere espacio adicional en forma de mayor altura o huella para permitir la transición y terminación exitosas de estos conductos y conductores.

Las instalaciones de la acometida y tubería de servicio que requieren equipos de media tensión y/o transformadores instalados en el interior requerirán elementos adicionales que incluyen más espacio, clasificaciones de fuego más altas de las areas, dependiendo si el transformador es seco o en aceite (Ver artículo 450 del NEC) y mayor ventilación.

La ubicación de cualquier equipo exterior también debe coordinarse con otros elementos arquitectónicos y de paisajismo. Las distancias de separación mínimas a menudo están dictadas por códigos y ordenanzas locales o requisitos de servicios públicos para la proximidad a muros de pantalla, cercas, vegetación, caminos de salida o ventanas de edificios.

Plantas eléctricas o grupos electrógenos

Las instalaciones de generadores ofrecen desafíos adicionales cuando se trata de definir las necesidades de espacio.

El factor de ruido, olor y vibración en la ubicación de este equipo dentro de un edificio es muy importante. El equipo debe ubicarse de manera que se minimicen las molestias a los ocupantes del edificio y las propiedades adyacentes.

Muchas jurisdicciones y ciudades tienen requisitos específicos sobre emisiones de ruido, que afectarán la ubicación del equipo y otros componentes necesarios para cumplir con los requisitos. Aumentar la distancia de este equipo a áreas sensibles es una forma de lidiar con las preocupaciones, pero esto conlleva a costos adicionales de alimentadores y puede resultar más costoso que otras opciones.

La atenuación del sonido y los equipos necesarios para cumplir con los requisitos de emisiones específicos, como el catalizador de oxidación diésel, los filtros de partículas, los tanques de polietileno-urea y las unidades de reducción catalítica selectiva, tienen implicaciones importantes en los costos y requieren una gran cantidad de espacio para su instalación. La Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. Define los estándares de desempeño para motores de combustión estacionarios en el 40 CFR Parte 60, Subparte III .

El cumplimiento de Nivel 4 versus Nivel 2 generalmente está dictado por el deseo del propietario de usar un generador para reducir los picos de servicio u otros usos que no sean de emergencia. Es fundamental tener una comprensión clara de las implicaciones actuales y futuras en ambas áreas desde el inicio de un proyecto y discutirlas a fondo con el propietario del edificio.

El peso de un generador y la vibración experimentada durante su funcionamiento tendrán un impacto en el diseño estructural del edificio por ello se deberá tener presente.

Los generadores requieren mucha ventilación para las necesidades de refrigeración y combustión; La entrada y salida de aire de la habitación es fundamental y afectará la ubicación.

Con respecto al almacenamiento de combustible, la mayoría de las instalaciones requieren un volumen de combustible que dicta un tanque de combustible externo con líneas de combustible interconectadas. La NFPA limita la capacidad total de combustible diesel dentro de los edificios a 660 gal. La relación del tanque exterior y el generador también es importante para minimizar los requisitos de bombeo y permitir la tubería de retorno de combustible con drenaje por gravedad. Esto requiere que el tanque de combustible esté más bajo en elevación que el generador.

Es preferible un acceso directo al exterior para el mantenimiento y las pruebas de los grupos electrógenos. Todo esto requiere una estrecha coordinación con las disciplinas arquitectónica, civiles y mecánicos.

NFPA 110: El estándar para sistemas de energía de emergencia y de reserva requiere que el suministro de energía de emergencia (generadores) para instalaciones de Nivel 1 se instale en una habitación separada, separada del resto del edificio por una construcción con clasificación de incendio de mínimo 2 horas.

Si bien NFPA 110 permite que el equipo del sistema de suministro de energía de emergencia EPSS se instale en la misma habitación que el EPS (Ver figura EPSS vs EPS), es una buena práctica mantenerlos separados para ayudar a mejorar la confiabilidad del sistema. Las salas de EPS (Generador) también son propensas a polvo adicional, humedad, fluctuaciones de temperatura y ruido excesivo durante el funcionamiento que limita la capacidad de tener una conversación y puede tener un impacto negativo en otros equipos si se ubican juntos.

EPSS(emergency power supply system): El sistema de suministro de energía de emergencia (EPSS) se refiere a un sistema de energía de respaldo en funcionamiento en su totalidad. Incluye el EPS, los interruptores de transferencia, los terminales de carga y todo el equipo necesario para proporcionar una fuente de energía alternativa segura y confiable para su instalación

EPS (Emergency power supply): Básicamente, el suministro de energía de emergencia (EPS) es la fuente de energía eléctrica (es decir, generador) que se utiliza en su sistema de energía de respaldo. Es independiente de su fuente de energía principal y está listo para activarse en caso de falla de energía.

Para instalaciones de misión crítica (p. Ej., Instituciones financieras, centros de datos y aeropuertos) y otras instalaciones altamente sensibles, se recomienda el uso de un sistema de protección contra incendios de tipo seco, de acción independiente u otro tipo que no dependa de una instalación de tubería normalmente RCI. Esto es muy recomendable en climas fríos, lo cual tiene una ventaja adicional de evitar que las tuberías se congelen, se rompan e inunden potencialmente la sala de EPS o subestaciones.

Interconexiones, alimentadores, electrobarras, cableado, bandejas

Se necesitan vías de distribución para interconectar todo los equipos eléctricos a los tableros del usuario final. Los conductos se pueden enrutar por encima del equipo, debajo del suelo o en el espacio del techo falso, por ello es importante dejar un espacio suficiente para los conductos y electrobarras aéreas dentro de las subestaciones y a través del edificio.

El enrutamiento de los alimentadores y cómo entran / salen del equipo de distribución deben evaluarse durante el diseño y reconfirmarse durante la revisión del plano de detalles, ya que esto afectará la forma en que se construye el equipo y afectará su tamaño físico.

El enrutamiento de conductos por debajo debe coordinarse con otros servicios públicos (Desagües, acueducto etc) y elementos de cimentación. Las restricciones que estos imponen en la ruta pueden afectar el diseño del equipo en la sala y el tamaño del espacio necesario. De manera similar, las vigas en el piso, por encima o por debajo del equipo pueden requerir un desplazamiento del conducto o un desplazamiento del equipo para permitir que la instalación se realice de manera efectiva.

Cuartos para tableros de distribución

Los tableros de distribución y los transformadores de bajo voltaje suelen estar ubicados en estos espacios y sirven directamente a las cargas del usuario final: iluminación, receptáculos y equipos pequeños.

Los tableros y dispositivos del sistema de control de iluminación (y otros dispositivos del sistema eléctrico) a veces también se encuentran en estas salas. Dada la cantidad de cambios que se producen en los edificios a lo largo de su vida útil, siempre se debe proporcionar espacio adicional en las paredes para equipos futuros.

En edificios de varios pisos, estos espacios deben distribuirse de acuerdo al tamaño de cada piso, podría ir un cuarto eléctrico en cada piso o unir varios pisos en un cuarto eléctrico. La ubicación de los armarios o tableros eléctricos dentro del espacio de un edificio es a menudo un tema de mucho debate y discusión con el resto del equipo de diseño.

El NEC ha establecido restricciones sobre las tuberías y los conductos diferentes a los eléctricos que pasan a través de los cuartos (es decir, espacios dedicados).

No debe haber equipos mecánicos o de plomería debajo y encima de los equipos eléctricos, para evitar la creación de riesgos innecesarios. Si algún accesorio pasa por encima de un panel eléctrico, debe estar equipado con una bandeja de goteo.

Idealmente, el diagrama de tubería de distribución eléctrica se diseñen en coordinación para evitar conflictos de ubicación entre sus componentes y otros sistemas. Esto se vuelve mucho más simple si el diseño se realiza con el software de modelado MEP , donde todos los equipos trabajan en el mismo modelo 3D y los conflictos de ubicación son evidentes: el enfoque de diseño 2D tradicional no proporciona esta visibilidad.

Las tuberías o barras debe ser dirigidas fuera del cuarto hacia el pasillo de servicio hasta los equipos finales; Minimizar las longitudes de los circuitos ramales ayuda a evitar una caída de voltaje excesiva y reduce los costos de distribución, por ello estos cuartos técnicos deben ubicarse lo más centrado y cerca de la carga a alimentar, por medio de tendidos  de tuberías en todas las direcciones.

El espacio de trabajo es otra consideración importante: se puede medir de izquierda a derecha, de derecha a izquierda o con respecto a la línea central del equipo. Ver Tabla 110.26 (A) (1) del NEC que proporciona los espacios libres mínimos requeridos para el espacio de trabajo en un cuarto eléctrico.

Un requisito fundamental es proporcionar suficiente espacio para que todas las puertas se abran al menos a 90 °. Tenga en cuenta que los sistemas de comunicación no están sujetos a los mismos requisitos de espacio de trabajo que las instalaciones eléctricas; en ese caso, se aplican otros requisitos de NEC, así como otros estándares específicos para la industria de TI.

Aunque en algunos casos diferentes piezas de equipo pueden tener espacios de trabajo superpuestos, debe mantenerse este espacio despejado en todo momento. El código no permite colocar otros equipos dentro de los espacios de trabajo o usarlos como almacenamiento.

Los cuartos eléctricos también deben tener entradas/salidas del tamaño adecuado, que deben mantenerse libres de obstrucciones en todo momento. Si la capacidad máxima en amperios es superior a 1200 y mas de 1.8m de ancho, se aplican los siguientes requisitos:

• Deben proporcionarse dos salidas o doble distancia de trabajo.
• Las puertas ubicadas a menos de 25 pies (7.6m) del espacio de trabajo deben abrirse en la dirección de salida y deben tener cerradura antipánico.

Evite tener los tableros adyacentes a algunos elementos de construcción, como escaleras, ascensores, bombas etc. A menudo, los tableros están diseñados para ubicarse junto a equipos mecánicos como bombas hidráulicas, sin embargo la necesidad de sacar conductos y / o tuberías de estos se vuelve un desafío y entra en conflicto con el espacio dedicado del equipo eléctrico debido a que también habrá tubería hidráulica. Del mismo modo, las ubicaciones junto a escaleras o huecos de ascensores presentan otros desafíos y limitan el enrutamiento de tubería fuera de los cuartos eléctricos. La ubicación de los cuartos eléctricos eléctricas junto a estas, especialmente si se colocan entre ellas, debe evaluarse cuidadosamente para garantizar que haya suficiente espacio y flexibilidad para cuidar el espacio dedicado de los equipos.

Necesidades de espacio adicional

Fuera de las necesidades de espacio de trabajo y dedicado, existen muchas consideraciones especiales para las subestaciones y los cuartos eléctricos que dependen de los programas de construcción, así como de los espacios exteriores que afectarán directamente cómo se diseñan los sistemas eléctricos.

Las necesidades y expectativas asociadas con un edificio de oficinas son muy diferentes a las de un centro de datos u hospital en lo que respecta a los sistemas de distribución eléctrica. La redundancia y la resiliencia son esenciales para las instalaciones de tipo misión crítica.

Las inundaciones debidas a desastres naturales son un elemento clave para determinar la ubicación del equipo ( NFPA 99: Código de instalaciones de atención médica, Capítulo 6 y NFPA 110, Capítulo 7). Históricamente, gran parte del equipo principal estaba ubicado en sótanos o (parcialmente) en niveles inferiores, pero ahora estos equipos se están instalando por encima de los niveles de inundación anteriores. Esto asegura operaciones continuas en curso durante y después de una inundación. Como mínimo se deberá tener una losa de 10cm en la cual estará apoyada la subestación.

Las instalaciones de misión crítica para la seguridad (por ejemplo, hospitales) requieren redundancia adicional para garantizar la continuidad de las operaciones y evitar posibles pérdidas de vidas o lesiones personales graves. La redundancia de sistemas requiere más espacio, ya que el equipo está separado en diferentes areas y partes del edificio.

Tener tableros que forman parte de una disposición de distribución redundante (fuentes A y B) ubicados adyacentes o muy próximos entre sí en la misma sala eléctrica minimiza en gran medida el valor que ofrece la redundancia prevista. El equipo redundante debe ubicarse en espacios clasificados por separado, con las fuentes A y la distribución ubicadas aparte con fuentes B.

Si bien el código puede requerir solo 3 o 4 pies de espacio libre frente a un equipo, la dimensión física del equipo podría ser mayor. Debido a esto, la única forma de quitar y reinstalar efectivamente un reemplazo es dejar un área que sea más grande que la huella del equipo.

Llevar el equipo desde el exterior de un edificio a su ubicación final puede no ser siempre una preocupación durante la construcción inicial, pero ciertamente será un problema durante los períodos posteriores de modificaciones, adiciones o reemplazo de equipos.

Es posible que sea necesario ampliar todo el camino desde el exterior del edificio, incluidas las puertas, debido a la altura o el ancho del equipo. Si el equipo está ubicado en un nivel de piso que está por debajo o por encima del nivel del suelo, es posible que se requieran pisos reforzados y un camino o secciones extraíbles del conjunto de la pared exterior.

Se espera que los edificios tengan una vida útil mucho más allá de la instalación inicial y, sin embargo, rara vez se consideran el crecimiento futuro y la instalación de vías de acceso suficientes para los equipos. Esto infiere automáticamente cuando se intente realizar un cambio, que probablemente vendrá en forma de equipo y canalizaciones adicionales. La planificación inicial y el diseño del sistema deben tener en cuenta esto e incluir interruptores de repuesto, tableros de distribución adicionales y electrobarras de gran tamaño.

Sistemas de apoyo en las subestaciones y cuartos eléctricos

Los niveles adecuados de iluminación son importantes para la seguridad de los ocupantes. Las necesidades de ventilación y refrigeración deben estar definidas y soportar la carga de calor generada por cada equipo.

Es importante recordar la protección física de los equipos ubicados en exteriores y al aire libre. Esto puede implicar la instalación de bolardos o barreras a prueba de choques para proteger el equipo de daños accidentales por un vehículo, por ejemplo.

El NEC también requiere que el acceso a algunos equipos se limite a personas calificadas solo en algunos casos.

Según el NEC, esto incluye solo a aquellos que tienen las habilidades y el conocimiento relacionados con la construcción y operación del equipo eléctrico, la instalación y han recibido capacitación en seguridad para reconocer y evitar los peligros involucrados.

No existe un método único para diseñar sistemas eléctricos, ni dos edificios son iguales así sean del mismo tipo. Las necesidades de espacio eléctrico varían según el proyecto y el edificio.

Los ingenieros y diseñadores eléctricos deben considerar muchos factores al tomar las decisiones que conducen al diseño final. Más importante aún, esto incluye la comunicación y el trabajo de la mano con ingenieros mecánicos, arquitectos, ingenieros estructurales y otros que tienen que ver en el diseño de edificios y la coordinación de la instalación eléctrica con estas otras disciplinas.