Com optimitzar la disposició de l’equipament de commutació en les subestacions elèctriques?

Les conseqüències d’un disseny deficient de l’equipament de commutació

Una instal·lació elèctrica que sembla ordenada en un esquema unifilar pot convertir-se en una responsabilitat per al manteniment a l’espai físic. La ubicació de l’equipament de commutació que ignora les distàncies mínimes d’accés, la gestió tèrmica i l’expansió futura genera condicions en què el canvi habitual de disjunctors exigeix aturar els circuits adjacents i la congestió de cables restringeix el flux d’aire fins al punt de reduir la potència nominal de l’equipament. Un bon disseny és la diferència entre una instal·lació elèctrica que funciona de manera previsible durant 30 anys i una altra que requereix una reconfiguració costosa abans de cinc anys.

Distàncies mínimes d’accés i conformitat amb les normes de seguretat

L'article 110.26 del NEC exigeix una distància mínima de treball davant de l'equip de commutació, segons la tensió i l'estat de la paret oposada. Per a l'equip de commutació de 480 V amb parets oposades connectades a terra, la profunditat mínima és de 3 peus. Per a l'equip de 4.160 V, el requisit augmenta fins a 4 peus. Aquests són valors mínims; normalment, el manteniment real requereix més espai. Un tècnic que retiri un interruptor automàtic de 200 lliures d’un calaix vertical necessita com a mínim 4,5 peus per poder manipular-lo cap a un carro elevador.

Els recorreguts d’evacuació especialitzats són igualment essencials. L’equip de commutació disposat en configuració en forma de U amb una única entrada pot atrapar el personal durant un incident d’arc elèctric a l’equip de commutació més proper a la porta. Cal exigir de forma incondicional dues vies d’evacuació que compleixin els requisits de distància de recorregut establerts a la norma NFPA 70E.

Gestió tèrmica en espais confinats

L'equip de commutació genera calor proporcional al quadrat del corrent que circula per les barres d'aros i els interruptors. Una barra principal de 4.000 A amb una càrrega de l’80 % dissipa contínuament uns 3.000 a 5.000 watts. Sense una ventilació adequada, això fa pujar la temperatura interior per sobre de l’ambient nominal —normalment 40 °C—, provocant un envelliment accelerat de l’aïllament i una desviació de l’unitat de disparo.

Quan l’equip de commutació es col·loca perpendicularment als camins del flux d’aire, es creen zones mortes on s’acumula la calor. L’emplaçament ha de situar les seccions paral·lelament al flux d’aire des de les reixes d’entrada fins als ventiladors d’extracció, amb un espai lliure mínim de 60 cm a l’esquena. Les sales elèctriques en climes càlids han d’incloure una ventilació forçada dimensionada per a 10 renovacions d’aire per hora, segons la càrrega tèrmica de l’equip de commutació.

Principis de disseny funcional

Agrupació de derivacions i gestió de cables

Agrupar les quadres elèctriques segons la ubicació de la càrrega redueix la longitud dels cables, la caiguda de tensió i la congestió de les bandes portacables. En una casa elèctrica d’una planta química, els alimentadors de l’àrea de procés han d’estar situats més a prop de la sortida de cables del costat del procés, i els alimentadors de serveis utilities, més a prop de la sortida de cables del costat de les utilities. Aquesta agrupació redueix la longitud mitjana dels cables alimentadors un 20-30 % respecte a la numeració seqüencial que ignora la ubicació física.

L’entrada i la sortida de cables s’han de dissenyar des de l’inici. Les quadres elèctriques d’entrada superior no poden acceptar cables alimentats per baix sense modificacions dels sistemes de bus. Les quadres elèctriques d’entrada inferior instal·lades sobre plataformes de manteniment situades sobre les canalitzacions de cables requereixen una coordinació precisa entre les plantilles del fabricant i el disseny civil: una diferència de 100 mm obliga a modificacions in situ que comprometen les qualificacions de resistència als arcs elèctrics.

Previsions per a l’expansió futura

La distribució ha de reservar espai per a, com a mínim, un 20 % de disjunctors addicionals per als circuits secundaris al costat de la filera existent. Les connexions dels conductors de bus a les seccions futures s’han d’especificar en la compra inicial: afegir una extensió del bus sense punts de connexió preparats a fàbrica és considerablement més costós.

Un cas pràctic: redisseny de la subestació elèctrica d’una planta de processament d’aliments

Una planta de processament d’aliments als Països Baixos feia servir quadres de commutació de dos fabricants instal·lats amb dotze anys de diferència. La distribució original havia col·locat el quadre de commutació més nou contra la paret posterior, amb només 45 cm d’espai lliure — el mínim exigible pel codi, però insuficient per a la manteniment. Quan es va haver de substituir el disjuntor general de 1.600 A, va caler desconnectar tota la secció durant 14 hores, ja que el carretó elevador no podia maniobrar.

L’empresa va redissenyar la distribució amb una separació frontal completa de 48 polzades i una separació posterior de 30 polzades. China Electrical va subministrar la nova configuració de quadres elèctrics, incloent-hi connexions especialitzades de canalització de bus per a l’expansió prevista. El traçat dels canalets per a cables es va revisar per separar els cables d’alimentació i de control, eliminant les interferències de senyal que causaven interrupcions intempestives ocasionalment. Aquesta reconfiguració va reduir el temps d’inactivitat per substituir els interruptors principals de 14 hores a 4 hores per unitat.

Verificació de la distribució i posada en servei

Abans de fer la fonamentació, es fa una maqueta física amb cinta de marcatge al terra per confirmar que les separacions són factibles. Cada secció ha d’estar marcada amb zones d’accés frontal i posterior, i el recorregut des de la porta fins a cada secció ha de ser transitable amb un carro de manteniment. Després de la instal·lació, la imatgeria per infrarojos a un 25 %, un 50 %, un 75 % i un 100 % de la càrrega projectada establirà l’augment de temperatura de referència. Els punts calents que superin 30 °C per sobre de la temperatura ambient indiquen defectes d’instal·lació.

Preguntes freqüents

Quina és la separació mínima exigida davant dels quadres elèctrics?

La NEC 110.26 exigeix 3 peus per a l’equipament de 480 V i 4 peus per a l’equipament de 4.160 V. L’accés per a la manteniment normalment requereix entre 4,5 i 5 peus per a la retirada dels interruptors en la majoria de configuracions.

Per què afecta la disposició de l’equipament de commutació el cost dels cables?

Agrupar els alimentadors redueix la longitud mitjana dels cables un 20-30 % respecte a una disposició arbitrària. Les estalvies en costos de cableat derivades d’una disposició òptima solen superar els costos de l’estudi d’enginyeria ja amb els primers 10 alimentadors.

Quina quantitat d’espai per a l’expansió s’ha de reservar en la disposició de l’equipament de commutació?

Com a mínim, un 20 % addicional de posicions per a alimentadors adjacents a l’equipament de commutació existent. Els punts de connexió per a l’extensió del bus s’han d’especificar en la compra inicial per evitar modificacions costoses in situ.

L’orientació de l’equipament de commutació afecta el rendiment de refrigeració?

L’equipament de commutació col·locat paral·lelament al flux d’aire es refreda de forma més eficaç que si es col·loca perpendicularment. En climats càlids, es recomana com a mínim un espai lliure de 24 polzades a l’esquena, juntament amb ventilació forçada a una taxa de 10 canvis d’aire per hora.

Quin és l’error de disposició més comú en les instal·lacions elèctriques?

L’accés insuficient per a la manteniment, tot i complir els mínims exigits pel codi. Els interruptors automàtics que requereixen extracció necessiten molt més espai del que exigeixen les distàncies mínimes de treball estipulades pel codi. China Electrical ofereix orientació sobre la configuració de quadres elèctrics tenint en compte l’accés per a manteniment més enllà dels mínims exigits pel codi.

Com afecten els nivells de tensió separats la disposició dels quadres elèctrics?

Els quadres elèctrics de mitjana tensió i de baixa tensió han d’estar físicament separats com a mínim 6 peus o per una barrera ignífuga. El tendit de cables entre nivells de tensió ha d’evitar recorreguts paral·lels que puguin induir interferències en els circuits de control.