Soluciones
Aplicación de filtro de armónicos activos (AHF) en un sistema de distribución de energía de un hospital de Hong Kong
Mitigación de armónicos de dos niveles: filtrado a nivel de bus y a nivel de carga crítica
1. Base de diseño y estructura de distribución de un hospital grande
La base de diseño de este proyecto hizo referencia principalmente al Código de Conducta del Departamento de Servicios Eléctricos y Mecánicos (EMSD) para las Regulaciones de Electricidad (Líneas), las normas de diseño de ingeniería hospitalaria de la Autoridad Hospitalaria (HA) y la Lista de Verificación de Estándares de Diseño de Instalaciones Eléctricas, junto con las especificaciones técnicas eléctricas relevantes del Departamento de Servicios Arquitectónicos (ArchSD) y las reglas de suministro de la compañía eléctrica local.
Para un hospital grande, la estructura típica de suministro de energía puede entenderse como:
Media tensión 11 kV / 22 kV → aparamenta MT → transformadores de distribución → distribución principal BT 380/220 V → barras funcionales → cargas médicas y de edificios
En proyectos reales, el nivel de MT, el número y la capacidad de los transformadores, las secciones de barras de BT y la disposición de energía de respaldo deben confirmarse con las condiciones de suministro reales y el perfil de carga del hospital.
Una característica clave de este proyecto es el uso de barras colectoras de BT relativamente independientes para diferentes áreas funcionales. En particular, las cargas relacionadas con la radiación no comparten una barra colectora con otras cargas médicas críticas. Por lo tanto, el diseño del AHF debe considerar cada área de distribución por separado.
Figura 1. Arquitectura conceptual de distribución MT/BT de un gran hospital (AHF = filtro armónico activo).
2. Desafíos de la calidad de la energía en los sistemas hospitalarios de baja tensión
Los hospitales modernos contienen una gran cantidad de dispositivos electrónicos de potencia, que también son fuentes importantes de corrientes armónicas. La etapa rectificadora de los sistemas UPS, los equipos de imágenes médicas como CT y MRI, los sistemas de rayos X, los variadores de aire acondicionado de frecuencia variable, los equipos de TI y la iluminación LED pueden generar armónicos en diversos grados.
Estos armónicos aparecen primero en los alimentadores donde están conectadas las cargas. Cuando múltiples cargas no lineales operan simultáneamente, las corrientes armónicas convergen aguas arriba y eventualmente forman una carga armónica combinada en el nivel del bus LV.
Por lo tanto, los problemas armónicos en los hospitales suelen existir en dos niveles al mismo tiempo:
Para proteger los equipos críticos y resolver la distorsión a nivel de bus, este proyecto adopta una solución de mitigación de dos niveles.
Figura 2. Fuentes de armónicos comunes en hospitales y sus efectos potenciales (3.º, 5.º, 7.º, 11.º armónicos; sobrecalentamiento de componentes, calentamiento de transformadores, disparos molestos, interferencias de equipos).
3. Configuración general de AHF
Este proyecto está equipado con un total de 34 unidades AHF, distribuidas de la siguiente manera:
En otras palabras, el proyecto combina ocho AHF tipo gabinete de 630 A (cuatro en las líneas entrantes de bajo voltaje y cuatro en la barra colectora de radiología independiente) con veintiséis módulos AHF de 100 A montados en la pared cerca de cargas críticas. Las ocho unidades de 630 A están instaladas en diferentes posiciones de la línea entrante de BT o de la barra colectora funcional, cada una responsable de la mitigación de armónicos en su propia área de distribución. Debido a que la barra colectora de radiación del hospital es independiente de los otros buses de carga crítica, sus AHF de 630 A se configuran por separado.
En general, este proyecto utiliza múltiples sistemas AHF independientes a nivel de bus en lugar de un único filtro central.
4. Mitigación de armónicos a nivel de bus (630 A)
Las ocho unidades AHF tipo gabinete de 630 A son las principales responsables del control armónico integral de las líneas entrantes de BT y de las barras colectoras funcionales principales.
Una sola barra colectora de BT de un hospital puede alimentar sistemas UPS, equipos de imágenes médicas, variadores de frecuencia, equipos de TI y otras cargas no lineales. Los armónicos generados por cualquier dispositivo pueden ser modestos, pero cuando muchos dispositivos funcionan simultáneamente, las corrientes armónicas se acumulan en la barra colectora.
Un AHF de 630 A instalado en la línea entrante o barra colectora correspondiente compensa dinámicamente la corriente armónica combinada de esa área de distribución. Tenga en cuenta que 630 A es la corriente nominal de compensación máxima del AHF; no significa que haya 630 A de corriente armónica en el bus, ni que el AHF deba transportar toda la corriente de carga del bus.
Por lo tanto, cada 630 A AHF es responsable de la gestión integral de armónicos de un área de distribución.
5. Mitigación del nivel de carga para cargas críticas (100 A)
Las 26 unidades AHF de 100 A montadas en la pared están instaladas cerca de equipos médicos críticos y sus alimentadores.
Equipos como escáneres de tomografía computarizada, máquinas de rayos X, sistemas de resonancia magnética y unidades UPS generalmente exhiben fuertes características no lineales. Si se permitiera que los armónicos generados por estos dispositivos se propagaran por el alimentador hasta el siguiente gabinete de distribución antes de ser tratados, ya habrían viajado a través de una cantidad considerable de cableado y equipo.
Por lo tanto, este proyecto coloca cada AHF de 100 A lo más cerca posible de su carga crítica. Cuando un dispositivo médico genera una corriente armónica significativa durante su funcionamiento, un AHF montado cerca de su alimentador compensa los armónicos localmente, reduciendo la propagación hacia el sistema de distribución aguas arriba.
El principio se puede resumir en una frase: los armónicos deben mitigarse donde se generan. Esto mejora la calidad de la energía local y reduce la corriente armónica que tiene que manejar el bus aguas arriba.
6. ¿Por qué dos niveles: 630 A y 100 A?
Las dos clasificaciones AHF ocupan diferentes posiciones eléctricas y manejan armónicos en diferentes niveles de la jerarquía de distribución:
Carga crítica → 100 A AHF → barra colectora BT → 630 A AHF → sistema de distribución aguas arriba
Los AHF de 100 A, ubicados cerca de las cargas críticas, se ocupan primero de los armónicos generados localmente. Los armónicos restantes fluyen a la siguiente barra colectora, donde los AHF de 630 A tratan la distorsión combinada.
Se trata de un enfoque de mitigación escalonado, y la razón principal por la que el proyecto utiliza 34 unidades AHF de diferentes capacidades en lugar de un AHF central grande.
Figura 3. Estrategia de calidad de energía hospitalaria de dos niveles: mitigación a nivel de bus (630 A) y mitigación a nivel de carga (100 A).
7. Tratamiento independiente de la barra colectora de radiación.
El sistema de radiación requiere una consideración especial en la configuración AHF.
Los equipos de imágenes médicas, como las máquinas de tomografía computarizada y rayos X, se comportan de manera diferente a las cargas ordinarias de los edificios: sus rápidos cambios de energía y las características de la carga electrónica de potencia pueden causar importantes perturbaciones de voltaje y distorsión de corriente.
Debido a que el equipo relacionado con la radiación se alimenta desde una barra colectora independiente, este proyecto no lo combinó con otras cargas médicas críticas. En su lugar, se configuraron AHF de 630 A dedicados para la barra colectora de radiología de acuerdo con su carga real y sus niveles de armónicos.
Para hospitales grandes con estructuras de distribución complejas, esta gestión zonificada mediante barras colectoras funcionales tiene una buena adaptabilidad de ingeniería.
8. Resumen de la solución
En última instancia, el proyecto ofrece un sistema jerárquico de mitigación de armónicos que abarca dos niveles:
Los dos niveles de AHF no son una simple superposición de capacidad: corresponden a diferentes niveles eléctricos del sistema de distribución del hospital. El concepto de diseño central fluye como:
Mitigación de armónicos a nivel de carga → Mitigación de armónicos a nivel de bus → Control de calidad de energía aguas arriba
Para hospitales grandes con barras colectoras de radiación independientes, cargas médicas críticas y grandes poblaciones de UPS y equipos electrónicos de potencia, el enfoque de tratamiento in situ de cargas críticas + tratamiento centralizado de barras colectoras de distribución hace coincidir las posiciones de instalación de AHF con las rutas reales de generación y propagación de armónicos.
El mismo enfoque de gestión de la calidad de la energía en capas también puede servir como referencia de diseño para otros sistemas complejos de baja tensión: centros de datos, aeropuertos y grandes edificios públicos.
La capacidad final del AHF y las posiciones de instalación siempre deben determinarse a partir de mediciones de la calidad de la energía en el sitio, el diagrama unifilar real del hospital, los cálculos de carga y los estándares eléctricos y de suministro aplicables de la ubicación del proyecto.
Preguntas frecuentes
P1. ¿Qué hace un filtro de armónicos activo (AHF) en el sistema de distribución de energía de un hospital?
Un AHF mide la corriente armónica en su alimentador o barra colectora en tiempo real e inyecta una corriente de compensación igual y opuesta, manteniendo baja la distorsión armónica total en ese punto. En los hospitales, protege los equipos médicos sensibles de la distorsión causada por los sistemas UPS, equipos de imágenes (CT/MRI/rayos X), variadores de frecuencia, cargas de TI e iluminación LED.
P2. ¿Por qué los hospitales necesitan dos niveles de mitigación de armónicos: 630 A y 100 A?
Los armónicos hospitalarios ocurren en dos niveles simultáneamente: localmente, cerca de grandes equipos médicos no lineales, y colectivamente, donde muchas cargas convergen en una barra colectora. Un esquema de dos niveles trata cada armónico en su fuente (100 A AHF cerca de cargas críticas) y elimina la distorsión combinada en la barra colectora (630 A AHF), lo cual es más efectivo que un filtro central grande.
P3. ¿Cómo se selecciona la capacidad AHF? ¿Qué significa 630 A?
La clasificación (por ejemplo, 630 A) es la corriente de compensación máxima que puede generar el AHF, no la corriente de carga de la barra colectora. El dimensionamiento real comienza con mediciones de calidad de energía en sitio de la corriente armónica en cada área de distribución, más el margen para el crecimiento de la carga.
P4. ¿Por qué la barra colectora de radiología (imágenes) se trata con un AHF independiente?
Los equipos de tomografía computarizada, rayos X y otros equipos de imágenes producen fuertes fluctuaciones de energía y fuertes corrientes no lineales. En este proyecto, las cargas de radiación se alimentan desde una barra colectora independiente, por lo que se configuró un grupo dedicado de AHF de 630 A en lugar de mezclarlo con otras cargas críticas, lo que evita el acoplamiento cruzado entre las alteraciones de las imágenes y otros equipos médicos.
P5. ¿Dónde deberían instalarse los ICA en la distribución de BT de un hospital?
Siga la ruta de los armónicos: instale AHF a nivel de carga (por ejemplo, módulos de pared de 100 A) lo más cerca posible de equipos no lineales críticos, y AHF a nivel de bus (por ejemplo, gabinetes de 630 A) en las líneas entrantes de BT y en las barras colectoras funcionales principales donde convergen los armónicos. Las posiciones finales deben seguir el diagrama unifilar y las mediciones en sitio.
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