Zasilacze UPS w układach zasilania urządzeń elektromedycznych

Wymagania dotyczące zasilania budynków zostały sprecyzowane w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2015 roku, poz. 1422) [2]. Zgodnie z § 181 pkt 1 Rozporządzenia [2]:

„Budynek, w którym zanik napięcia w elektroenergetycznej sieci zasilającej może spowodować zagrożenie życia lub zdrowia ludzi, poważne zagrożenie środowiska, a także znaczne straty materialne, należy zasilać co najmniej z dwóch niezależnych, samoczynnie załączających się źródeł energii elektrycznej oraz wyposażyć w samoczynnie załączające się oświetlenie awaryjne (zapasowe lub ewakuacyjne). W budynku wysokościowym jednym ze źródeł zasilania powinien być zespół prądotwórczy”.

Są to bardzo ogólne wytyczne, które nie precyzują wymagań w zakresie niezawodności zasilania oraz metodyki projektowania układów zasilania. W odniesieniu do innych obiektów budowlanych obowiązujące przepisy techniczno-prawne jedynie wspominają o wymaganiach dotyczących zasilania w energię elektryczną oraz pomijają wymagania dotyczące układów zasilania i wymaganego poziomu niezawodności dostaw energii elektrycznej.

Wyjątkiem w tym zakresie jest Rozporządzenie Ministra Łączności z 21 kwietnia 1995 roku w sprawie zasilania energią elektryczną obiektów budowlanych łączności (DzU nr 50/1995, poz. 271) [3]. Z uwagi na to, że jest to jedyny dokument formalnoprawny precyzyjnie określający wymagania dotyczące zasilania obiektów budowlanych łączności, można na jego podstawie opracować koncepcję układu zasilania dowolnego budynku przedstawioną na rys. 1.

W prezentowanym układzie zasilania znajdą się wszystkie źródła zasilania, a ich stosowanie w określonym układzie zasilania może być przyjmowane w zależności od potrzeb i wymaganego poziomu niezawodności. Natomiast podział na poziomy rezerwowania oraz przypisane im źródła zasilania wynikają z przyjętego w gospodarce elektroenergetycznej podziału na kategorie zasilanych odbiorników.

Widoczny na rys. 1. pojedynczy zespół prądotwórczy oraz pojedynczy zasilacz UPS w zależności od potrzeb może być projektowany w układzie redundantnym lub w układzie pracy równoległej.

Metodyka zasilania obiektów szpitalnych

Istotne znaczenie dla bezpieczeństwa pacjentów ma zapewnienie ciągłości zasilania, chociażby z tego powodu, że niektóre zabiegi nie są obojętne dla zdrowia, a część z nich pociąga za sobą nawet zagrożenie dla życia. W związku z tym w obiekcie szpitalnym na etapie opracowywania koncepcji zasilania należy dokonać podziału odbiorników na kategorie zasilania.

Warunkiem zapewnienia wysokiej niezawodności jest doprowadzenie zasilania do budynku szpitala z dwóch różnych stacji transformatorowych 15/0,42 kV zasilanych przynajmniej z dwóch różnych sekcji SN jednego GPZ-tu. Takie rozwiązanie pozwala na uzyskanie właściwego rezerwowania zasilanych odbiorników przy zasilaniu z SEE (systemu elektroenergetycznego).

• Przy głównym złączu budynku szpitala powinien być zainstalowany SZR, z którego energia elektryczna powinna być doprowadzona do rozdzielni głównej szpitala (RGnn), gdzie należy wydzielić obwody odbiorników zaliczonych do III kategorii zasilania oraz obwód zasilający kolejny SZR, przeznaczony do współpracy z zespołem prądotwórczym (ZP), stanowiącym awaryjne źródło zasilania.
• Z drugiego SZR zasilanie należy doprowadzić do rozdzielnicy RNA – odbiorników II kategorii zasilania.
  Do odbiorników tej kategorii należy zaliczyć ogólne sale chorych, apteki, korytarze, windy, oświetlenie ogólne itp.
  Dla odbiorników zaliczonych do II kategorii dopuszcza się czas przerwy w zasilaniu do 60 sekund (tj. czas niezbędny dla dokonania samorozruchu ZP).
• W rozdzielni RNA należy wydzielić obwód zasilający zasilacz UPS, przeznaczony do zasilania odbiorników I kategorii zasilania, dla których niedopuszczalna jest jakakolwiek przerwa w zasilaniu.

Układ współpracy ZP z UPS nazywa się tandemem ZP – UPS. Dokonanie takiego podziału jest konieczne ze względu na warunki lokalowe, jakimi dysponuje szpital, oraz wysokie koszty zakupu, eksploatacji ZP i zasilaczy UPS.

Zakwalifikowanie sal operacyjnych, OIOM oraz laboratoriów do I kategorii zasilania jest uzasadnione tym, że pacjent podłączony do aparatury nie może być pozbawiany czynności podtrzymujących życie, a brak oświetlenia (nawet przez kilka sekund) podczas operacji odbywającej się w nocy może być tragiczny w skutkach dla pacjenta. Dlatego zasilanie tych pomieszczeń w sposób bezprzerwowy jest uzasadnione i możliwe do realizacji tylko z wykorzystaniem zasilacza UPS o mocy dostosowanej do zasilanych przez niego urządzeń.

Pomieszczenia użytkowane medycznie

Pod pojęciem „pomieszczenie użytkowane medycznie” należy rozumieć nie tylko pomieszczenia szpitalne, ale również pomieszczenia pozaszpitalne, gdzie mogą być wykonywane zabiegi medyczne. Zwiększone zagrożenie dotyczy tylko pacjentów (również zwierząt w weterynarii), natomiast personel nie wymaga ochrony o wyższym stopniu bezpieczeństwa niż w innych obiektach budownictwa powszechnego.

Pomieszczenie „szpitalne” w interesującym nas zakresie dotyczy tylko pomieszczeń, gdzie pacjent może przebywać i poddawany jest badaniom lub zabiegom. Będą to więc sale chorych, gabinety badań, zabiegowe, sale operacyjne, porodowe, fizykoterapii, gabinety rentgenowskie itp.

Nie są nimi pomieszczenia niedostępne dla pacjentów oraz takie, w których pacjent nie jest poddawany żadnym zabiegom medycznym (pomieszczenia administracyjne, kuchnie, pralnie, laboratoria, kioski, korytarze w oddziałach, sale pobytu dziennego, dyżurki lekarskie, a także nastawnie pracowni rentgenowskich, przygotowanie lekarzy w bloku operacyjnym itd.).

Zgodnie z publikacją [16] należy przyjąć następujący podział pomieszczeń medycznych:

a) grupa 0:

— należą do niej pomieszczenia medyczne, w których nie przewiduje się stosowania części aplikacyjnych aparatury elektromedycznej, a zanik zasilania nie powoduje zagrożenia życia. Są to pomieszczenia, w których pacjenci nie stykają się z urządzeniami elektromedycznymi. Urządzenia występujące w tej strefie mają własne wbudowane źródło zasilania w postaci ogniwa. Będą to gabinety ordynatorów, sale opatrunkowe, masażu, gimnastyki, hydroterapii, inhalacji, czy też ogólnych badań otolaryngologicznych, okulistycznych, gabinety stomatologiczne itp.;

b) grupa 1:

— należą do niej pomieszczenia medyczne, w których przewiduje się stosowanie części aplikacyjnych aparatury elektromedycznej zewnętrznie lub wewnętrznie do różnych części ciała, poza zastosowaniami dotyczącymi pomieszczeń grupy 2, a zanik zasilania również nie powoduje zagrożenia życia. W pomieszczeniach tych mogą być stosowane aparaty medyczne mające bezpośredni kontakt z ciałem pacjenta, również wprowadzane pod skórę lub do naturalnych, lub sztucznie wykonanych otworów ciała człowieka, pod warunkiem, że żadna z części nie może znajdować się w bezpośredniej bliskości serca. Będą to sale hydro- i fizykoterapii, radiologii (z wyłączeniem badań naczyniowych) dializy zewnątrzustrojowej, sale porodowe, chirurgii ambulatoryjnej, stomatologii (fotel pacjenta), wszelkiego rodzaju endoskopii itd.;

c) grupa 2:

— należą do niej pomieszczenia najwyższego ryzyka, a więc pomieszczeń, gdzie przewiduje się stosowanie części aplikacyjnych aparatury elektromedycznej przy zabiegach na sercu, w salach operacyjnych, intensywnej opieki medycznej i innych zabiegach, przy których zanik zasilania może być przyczyną zagrożenia życia. Grupa ta obejmuje pomieszczenia, gdzie są lub mogą być stosowane aparaty elektromedyczne, których elementy mogą stykać się z sercem lub znajdować się w jego bezpośrednim sąsiedztwie. Będą to sale operacyjne i związane z nimi sale przygotowania pacjenta, sale intensywnej opieki medycznej (OIOM) i pooperacyjnej, rentgenowskich badań naczyniowych oraz częściowo endoskopii i sal porodowych z możliwością zastosowania aparatów elektromedycznych.

Podane przykłady są przypadkami oczywistymi, zaklasyfikowanie pomieszczeń do odpowiedniej grupy powinno jednak odbywać się przy współudziale lekarza tam pracującego.

Koncepcja ochrony przeciwporażeniowej

Pomieszczenia grupy 0 i 1 muszą spełniać wszystkie warunki normy przedmiotowej PN-HD 60364-4-41 [7], Prawa budowlanego, rozporządzeń wykonawczych oraz cech osobniczych człowieka chorego i jego podatności na działanie prądu elektrycznego.

Wszystkie pomieszczenia muszą mieć podłogi o rezystancji R_i ≥ 50 kW, a urządzenia w nich zainstalowane powinny posiadać ochronę przy uszkodzeniu. Instalacja odbiorcza musi być wykonana w układzie zasilania TN‑S, mieć połączenia wyrównawcze i być chroniona przed przeciążeniami i zwarciami, a także mieć ochronę przeciwprzepięciową.

Natomiast w pomieszczeniach grupy 2 instalacja odbiorcza oprócz skutecznej ochrony przeciwporażeniowej powinna gwarantować ciągłość zasilania. W pomieszczeniach tych niedopuszczalne są jakiekolwiek przerwy w zasilaniu wynikłe z przeciążeń lub zwarć.

Spośród pięciu dostępnych układów zasilania (TN: TN-S, TN‑C‑S, TN‑C, TT oraz IT) tylko system IT może podołać tym wymaganiom. Układ ten buduje się z wykorzystaniem jednofazowych transformatorów separacyjnych ze stałą kontrolą stanu izolacji, np. ES710 produkcji firmy Bender.

Każde pomieszczenie lub grupa pomieszczeń funkcjonalnie związanych ze sobą (np. sala operacyjna i pomieszczenia przygotowania pacjenta) powinny być zasilane z osobnego transformatora o mocy (3,15–10) kVA.

W przypadku większych mocy zapotrzebowanych należy wykonać klika sieci elektromedycznych zasilanych z osobnych transformatorów o mocach dobranych do potrzeb zasilanych odbiorników (zgodnie z normą PN-HD 60364-7-710:2012 [17] transformatory elektromedyczne nie mogą być łączone równolegle).

Przykładowe rozwiązania układów zasilania zostały zamieszczone w publikacji [16].

Układ zasilania IT

W odróżnieniu od układów TN, w których jeden przewód ma potencjał ziemi, a pozostałe są pod napięciem 230 V, układ IT charakteryzuje się odizolowanym punktem neutralnym. W związku z tym różnica potencjałów pomiędzy przewodami a ziemią nie jest określona, a bezpośrednie doziemienie jednego z nich powoduje tylko wyrównanie potencjału z potencjałem ziemi, co sprowadza się do krótkotrwałego, niegroźnego w skutkach (przy niezbyt dużych pojemnościach sieci) przepływu przez człowieka prądu wyrównawczego.

System ten jednak jest tak długo bezpieczny, jak długo nie nastąpi pierwsze doziemienie, gdyż wówczas upodabnia się on swoją konfiguracją do układu TT.

Do szczególnie korzystnych cech układu IT należy zaliczyć:

• duże bezpieczeństwo eksploatacji,
• wysoki stopień bezpieczeństwa pożarowego,
• występowanie minimalnego prądu dotykowego i doziemieniowego,
• możliwość łatwego wykrycia doziemienia,
• możliwość bezprzerwowego zasilania po wystąpieniu doziemienia jednobiegunowego,
• małe wymagania oporności uziemień ochronnych.

Cechy te spowodowały, że układ IT ma szczególne predyspozycje do stosowania w obiektach o wysokim zagrożeniu porażeniowym i pożarowym.

Jak zostało wspomniane na początku, układ IT jest bezpieczny do chwili powstania pierwszego zwarcia. Podczas zwarć podwójnych na obudowach chronionych odbiorników pojawia się pełne napięcie znamionowe.

Miejscem szczególnego zagrożenia są sale operacyjne i inne pomieszczenia szpitalne, w których wykonuje się zabiegi za pomocą aparatów elektromedycznych z pominięciem wierzchniej warstwy naskórka, a często bezpośrednio na sercu. Dlatego też w warunkach szpitalnych może dojść do mikroporażenia, przy którym cały prąd rażeniowy przepływa przez mięsień sercowy.O ile więc w warunkach pozaszpitalnych granicą zagrożenia jest prąd 10 mA, to w salach operacyjnych ta granica przesuwa się do wartości 10 mA.

Należy pamiętać, że zwiększona podatność pacjentów na działanie prądu elektrycznego wynika między innymi z następujących czynników:

• brak możliwości reagowania na odczucie przepływu prądu (choroba, brak przytomności, działanie anestyków, ograniczenie swobody ruchu),
• zmniejszenie rezystancji naskórka (pocenie się, stres),
• konieczność stałego podłączenia do aparatury podtrzymującej podstawowe funkcje życiowe.

Wszystko to prowadzi do konieczności zastosowania układu elektrycznego gwarantującego wysoki stopień bezpieczeństwa (szczególnie w pomieszczeniach drugiej grupy). Gniazda wtyczkowe i odbiorniki znajdujące się w zasięgu ręki muszą więc być zasilane przez transformatory separacyjne z kontrolą stanu izolacji (medyczne transformatory ochronne).

Poszczególne obwody powinny mieć zabezpieczenie przed prądami zwarciowymi, a przypadkowe przeciążenia powinny być natychmiast sygnalizowane. Odporność na krótkotrwałe przeciążenie uzyskuje się przez stosowanie transformatorów separacyjnych o uzwojeniach z przewodami o zwiększonym przekroju.

Z uwagi na to, że całość obiektu szpitalnego zasilana jest w systemie sieci TN-S, koniecznym jest przejście na sieć IT, w celu realizacji zasilania bloku operacyjnego oraz OIOM-u. Schemat takiego układu przedstawia rys. 2.

W przypadku obwodów IT eksploatowanych w obiektach służby zdrowia, nie wolno w żadnym przypadku dodatkowo lub zamiennie stosować wyłączników różnicowoprądowych, gdyż nie chronią one przed upływem mogącym spowodować mikroporażenie, a nawet mogą doprowadzić do wyłączenia napięcia w trakcie zabiegu, co nigdy nie powinno nastąpić.

Wyłączniki różnicowoprądowe muszą być natomiast stosowane jako zabezpieczenia przewoźnych aparatów rentgenowskich i mogą być stosowane do zabezpieczania odbiorników o mocy ponad 5 kVA zainstalowanych na stałe, obwodów gniazdek, które nie mogą mieć zastosowania medycznego, instalacji oświetleniowej (zawsze w układzie TN-S).

Należy podkreślić, że mimo stosowania transformatorów separacyjnych, system ten nie ma nic wspólnego z ochroną przez separację, dla której nie wolno stosować żadnych uziemień.

Należy przy tym pamiętać o zabezpieczeniu pacjenta przed pojawieniem się przypadkowej różnicy potencjałów na dowolnych dostępnych częściach przewodzących. W tym celu wszystkie metalowe obudowy urządzeń elektrycznych i kołki ochronne gniazd odbiorczych powinny być połączone z szyną wyrównawczą PE, a stałe masy metalowe nienależące do urządzeń elektrycznych (grzejniki c.o., metalowe futryny drzwi, wbudowane szafy, konstrukcje budowlane, ekrany itp.) – z szyną EC. Obydwie szyny PE i EC powinny być ze sobą połączone w sposób łatwy do rozłączenia i uziemione.

Przypadkowa różnica potencjałów na różnych częściach przewodzących nie powinna przekraczać 10 mV i 1 mV dla pomieszczeń grupy 2. Wprawdzie te zalecenia dotyczące grupy 2 pomieszczeń eksploatowanych medycznie dotyczą tylko bezpośredniego otoczenia pacjenta (rys. 3.), to jednak ze względu na długości przewodów łączeniowych i przypadkowych połączeń mas metalowych, rozciągają się na całe pomieszczenie.

Dobór mocy zasilacza UPS

Podstawą doboru mocy zasilacza UPS jest zapotrzebowanie zasilanych przez niego odbiorników na moc czynną i bierną. Moc czynną zapotrzebowaną należy wyznaczyć ze wzoru (1), natomiast moc bierną zapotrzebowaną należy obliczyć ze wzoru (2).

Za podstawę doboru mocy zespołu prądotwórczego należy przyjąć wartość mocy czynnej zapotrzebowanej oraz mocy biernej przez odbiorniki, które mają zostać objęte systemem zasilania awaryjnego. Moc czynną zapotrzebowaną należy wyznaczyć z następującego wzoru:

gdzie:

k_Z – współczynnik zapotrzebowania, w [-],

P_Z– moc czynna zapotrzebowana, w [kW],

P_i – moc czynna i-tego odbiornika objętego systemem zasilania awaryjnego, w [kW].

Kolejnym krokiem jest obliczenie mocy biernej zapotrzebowanej, którą należy wyznaczyć w następujący sposób:

gdzie:

Q_Z – moc bierna zapotrzebowana, w [kvar],

cos φ – współczynnik mocy i-tego odbiornika objętego systemem zasilania gwarantowanego, w [-].

Kolejnym krokiem jest obliczenie minimalnej mocy pozornej na podstawie mocy czynnej zapotrzebowanej oraz mocy biernej zapotrzebowanej ze wzoru (3):

W przypadku gdy systemem zasilania gwarantowanego zostaną objęte silniki, zasilacz UPS musi zapewnić pokrycie zwiększonego zapotrzebowania mocy wynikającego z rozruchu zasilanych silników.

W przypadku zasilania odbiorników nieliniowych wyznaczenie mocy czynnej zapotrzebowanej należy obliczyć ze wzoru:

gdzie:

W_i – współczynnik zniekształceń i-tego odbiornika, zależny od współczynnika zawartości harmonicznych, w [-].

Uwzględnienie prądów rozruchowych oraz odkształconych przy doborze mocy zasilacza UPS jest niezbędne dla jego poprawnego funkcjonowania.

UPS o zbyt małej mocy przeznaczony do zasilania odbiorników nieliniowych lub silników elektrycznych przy wzroście obciążenia automatycznie przejdzie na bypass zewnętrzny, co skutkowało będzie pozbawieniem układu zasilania funkcji napięcia gwarantowanego.

Przy doborze zasilacza UPS należy również zwrócić uwagę na znamionowy współczynnik szczytu, który określa, ile może zostać przekroczona chwilowa wartość szczytowa prądu w stosunku do rzeczywistej wartości skutecznej tego prądu. W produkowanych obecnie zasilaczach UPS współczynnik szczytu wynosi na ogół 3.

Jeżeli wartość współczynnika szczytu w przebiegu prądu pobieranego z UPS-a przekroczy wartość znamionowego współczynnika szczytu, to mogą wystąpić zakłócenia w pracy zasilacza łącznie z jego wyłączeniem.

Uwaga!

• Moc zasilacza UPS podawana w kartach katalogowych dotyczy wyjścia.

• Moc wejściowa zasilacza nie jest równa mocy wyjściowej.

• Zasilacz pobiera z sieci moc większą niż oddaje zasilanym odbiornikom.

Podczas projektowania układów zasilania UPS należy uwzględnić ten problem. Dobierając moc zasilacza UPS na podstawie mocy czynnej zapotrzebowanej P_z należy przyjmować 25% rezerwy w celu skompensowania chwilowego wzrostu mocy lub ewentualnych błędów jej oszacowania.

Ponieważ zasilacz UPS musi pokryć zapotrzebowanie mocy czynnej P_Z oraz mocy biernej Q_Z, w przypadku gdy UPS konwertuje energię przy współczynniku mocy cos φ_Z < cos φ_nUPS, zmniejsza się zdolność wykorzystania mocy czynnej UPS ze względu na możliwości przełączeniowe układu półprzewodnikowego falownika.

Falownik zasilacza UPS zasilający odbiorniki ma ograniczenia wydajności mocy czynnej związanej z kształtowaniem przebiegu napięcia przy poborze prądu odbiorników zarówno o charakterze pojemnościowym, jak i indukcyjnym, czyli cos φ_nUPS, zatem w przypadku wytwarzania energii elektrycznej przy współczynniku cosφ_Z < cosφ_nUPS skutkuje zmniejszeniem jego wykorzystania.

Względne obciążenie zasilacza UPS mocą czynną można określić współczynnikiem wykorzystania, który należy obliczyć ze wzoru:

Wymagana minimalna moc czynna zasilacza UPS musi spełniać następującą nierówność:

Obliczony ze wzoru (5) współczynnik wykorzystania „p”, należy podstawić do wzoru (6).

W przypadku gdy p ≥ 1, do wzoru (6) należy wstawić wartość 1.

Wartość współczynnika mocy cosφ_nUPS należy przyjąć zgodnie z DTR zasilacza UPS.

W przypadku braku informacji w tym zakresie można przyjmować cosφ_nUPS = 0,8 dla zasilaczy UPS o konstrukcji transformatorowej lub cosφ_nUPS = 0,9 dla zasilaczy beztransformatorowych z falownikiem IGBT oraz cos φ_nUPS = 1 dla falowników wielostopniowych. Moc pozorna zasilacza UPS musi spełniać następującą nierówność:

gdzie:

P_UPSmin – minimalna mocy czynna, jaką musi pokryć generator zespołu prądotwórczego, w [kW],

cosφ_nUPS – znamionowy współczynnik mocy zasilacza UPS, w [-] (wartość cosφnUPS należy przyjmować na podstawie DTR producenta UPS; w przypadku braku danych można przyjmować wartość 0,9)

Mała wartość współczynnika mocy cosφ_Z powoduje przeciążenie falownika, a w konsekwencji może doprowadzić do jego wyłączenia lub przełączenia zasilacza UPS na wewnętrzny tor obejściowy.

Jeżeli zasilacz UPS oddaje większą moc bierną niż znamionowa, ze względu na konieczność utrzymania napięcia znamionowego i nieprzeciążanie falownika należy zmniejszyć moc czynną obciążenia. Zatem przetwarzanie energii elektrycznej przez zasilacz UPS przy współczynniku cos φ_Z < cos φ_nUPS mocy skutkuje koniecznością zwiększenia jego mocy do wartości umożliwiającej pełne pokrycie mocy czynnej zapotrzebowanej P_Z oraz mocy biernej zapotrzebowanej Q_Z.

Wprowadzenie układów kompensacji mocy biernej (szczególnie indukcyjnej) jest niewskazane ze względu na charakter pracy źródła zasilającego i w konsekwencji może doprowadzić do przedwczesnego zniszczenia kondensatorów.

W przypadku gdy zasilacz służy do zasilania urządzeń z dużym prądem rozruchowym, za podstawę doboru mocy należy przyjmować prądy rozruchowe tych urządzeń, które nie mogą przekraczać wartości prądu znamionowego zasilacza UPS z uwzględnieniem jego chwilowego przeciążenia określonego w DTR producenta.

Nieco problemu w tym zakresie może nastręczyć transformator elektromedyczny, którego prądy rozruchowe zgodnie z katalogiem producenta mogą wynosić: I_r = 12 × I_n, gdzie: I_n – prąd znamionowy transformatora.

W takim przypadku przyjęcie mocy zapotrzebowanej wyznaczonej z wykorzystaniem spodziewanej wartości prądu rozruchowego transformatora dla potrzeb doboru zasilacza UPS nie znajduje technicznego uzasadnienia. Przyjęcie tak dużych wartości prądów dla potrzeb doboru mocy zasilacza UPS skutkowałoby znaczącym przewymiarowaniem zasilacza, które jest nieuzasadnione technicznie i ekonomicznie. Zasadnym jest dobór zasilacza UPS do zasilania transformatora elektromedycznego dla wartości mocy znamionowej przy pracy w stanie ustalonym, ze względu na rozruch transformatora przez tor bypassu zasilacza UPS.

Jest to jednoznaczne z wyeliminowaniem akumulatorów z toru zasilania na czas rozruchu transformatora, który trwa bardzo krótko i jest realizowany w warunkach niezagrażających życiu pacjentów. Należy jednak mieć świadomość, że w takim przypadku również występują pewne ograniczenia wynikające z wartości dopuszczalnego prądu obciążenia toru bypassu oraz czasu trwania rozruchu. Dopuszczalne wartości prądów możliwe do pobrania przy pracy z baterii wybranych zasilaczy UPS przedstawiono w tab. 1.

W przypadku gdy zasilacz UPS zasila odbiorniki nieliniowe, powstają zniekształcenia prądu pobieranego ze źródła. Zniekształcenia te powodują pojawianie się w sieci zasilającej oraz instalacji odbiorczej harmonicznych, interharmonicznych i subharmonicznych, które na ogół nie są w fazie z napięciem.

Zjawisko wyższych harmonicznych powoduje, że oprócz mocy czynnej i biernej pojawia się moc deformacji, co oznacza, że moc pozorna nie może być określona jako iloczyn prądu i napięcia podstawowej harmonicznej. Wartość mocy deformacji zależy od stopnia odkształcenia przebiegów napięcia i prądów, czyli od zawartości wyższych harmonicznych, a w układach wielofazowych również od stopnia asymetrii.

W przypadku obciążeń asymetrycznych współczynnik mocy cosj nie jest jednakowy dla poszczególnych faz. W każdej fazie jego wartość może być różna i uzależniona od wartości mocy czynnej i biernej obciążającej fazę.

Oszacowanie wartości mocy deformacji powodowanej niesymetrycznym obciążeniem jest dość trudne, jednak współczesne zasilacze UPS beztransformatorowe z falownikiem wykonanym w technologii IGBT są odporne na niesymetrię obciążenia wyjściowego. Zależność mocy wejściowej oraz mocy wyjściowej przedstawia rys. 4.

Osobnym problemem jest wymagany czas podtrzymania zasilania przy pracy bateryjnej. W tym przypadku jedynym wyznacznikiem są wymagania stawiane przez użytkownika.

W praktyce przy zasilaniu zasilacza UPS przez zespół prądotwórczy można przyjmować czas podtrzymania na 15–20 minut, gdyż zespół prądotwórczy przejmie zasilanie w czasie do 30 s po zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej (jeśli zespół prądotwórczy zasila urządzenia przeciwpożarowe oprócz ogólnego podtrzymania zasilania całego obiektu, wymagany czas przejęcia zasilania zgodnie z normą PN-EN 12101-10:2017 [20] wynosi 15 s).

Z uwagi na to, że obiekty szpitalne wymagają zasilania awaryjnego realizowanego przez zespół prądotwórczy, można pominąć wymóg dotyczący czasu podtrzymania w przypadku braku zespołu prądotwórczego. W praktyce czas ten wynosi 180 minut:

gdzie:

p – współczynnik wykorzystania określony wzorem (5), w [-],

P_z – moc czynna zapotrzebowana przez odbiorniki objęte systemem zasilania gwarantowanego, w [kW],

P_Gmin – wymagana minimalna moc czynna zasilacza UPS, w [kW],

– współczynnik zniekształceń zasilacza UPS, w [-], w którym:

THD_i% – współczynnik odkształcenia prądu, w [-].

Dobór zabezpieczeń zasilacza UPS na jego wejściu jest uzależniony od wartości mocy zapotrzebowanej przez przyłączone do jego wyjścia odbiorniki. Przy zasilaniu odbiorników przez tor przekształtnika moc zapotrzebowana jest większa niż moc pobierana przy zasilaniu przez tor bypassu zewnętrznego. Skutkuje to tym, że zabezpiecza się osobno tor przekształtnika oraz tor bypassu statycznego i tor bypassu zewnętrznego.

Tor przekształtnika oraz bypassu statycznego zabezpiecza się bezpiecznikami topikowymi lub wyłącznikami nadprądowym instalacyjnymi o jednakowym prądzie znamionowym.

Decydującym czynnikiem o doborze prądu znamionowego zabezpieczenia jest moc zapotrzebowana na wejściu zasilacza UPS przy pełnym obciążeniu. Natomiast prąd znamionowy zabezpieczeń toru bypassu zewnętrznego jest uzależniony od mocy zapotrzebowanej przez odbiorniki.

Przykład 1

Należy dobrać zabezpieczenia dla zasilacza trójazowego UPS MASTERYS BC 15 kVA, przeznaczonego do zasilania odbiorników o mocy zapotrzebowanej P_z = 12 kW przy współczynniku mocy cos φ= 0,9.

Współczynnik zniekształceń zasilacza UPS wynosi: W = 0,9, a sprawność η = 0,95.

Należy przyjąć zabezpieczenie DO2gG35.

Należy przyjąć bezpiecznik Do2gG20.

Przykład 2

Należy dobrać zasilacz UPS do zasilania urządzeń elektrycznych poprzez transformator elektromedyczny ES710/8000 o następujących parametrach:

U_n1/U_n2 = 230 V/230 V;

Sn = 8000 VA;

prąd rozruchu I_r = 12 × I_n

Czas trwania stanu nieustalonego transformatora jest krótki, przez co dobór mocy zasilacza UPS do mocy zapotrzebowanej przez rozruch transformatora jest bezcelowym działaniem.

Zgodnie z katalogiem transformatorów elektromedycznych, transformator ES710/8000 wymaga zabezpieczenia bezpiecznikiem typu gG przy prądzie znamionowym I_n = 63 A. Oznacza to, że współczynnik k = I_n/I_B = 63/34,7 ∈ (1,8 – 2). Zatem należy przyjąć obciążenie prądowe zasilacza UPS o wartości 63 A.

Przy takim założeniu wymagana moc wyjściowa zasilacza UPS powinna wynosić 10 kVA.

Przy zabezpieczeniu transformatora bezpiecznikiem Do2gG63 w torze bypassu dobranym ze względu na rozruch transformatora, odporność zwarciowa zasilacza wynosi 4 kA.

Prąd wyłączenia zabezpieczenia w czasie nie dłuższym od 0,4 s zgodnie z charakterystyką prądowo-czasową bezpiecznika wynosi I_a = 655,2 A.

Podczas zwarcia w transformatorze zasilacz UPS musi przejść na bypass, gdyż zgodnie z jego kartą katalogową praca z baterii dopuszcza jedynie pobór prądu o wartości 113 A. Prąd ten nie gwarantuje zadziałania zabezpieczeń w czasie nieprzekraczającym 5 s, gdyż zgodnie z charakterystyką prądowo-czasową bezpiecznika Do2gG63 prąd gwarantujący zadziałanie zabezpieczenia w czasie nie dłuższym od 5 s, wynosi I_a = 333,9 A.

Po rozruchu transformatora prąd obciążenia spada i wynosi po stronie pierwotnej 36 A. Zatem moc zasilacza UPS przy pracy bateryjnej musi gwarantować wydatek prądowy wynoszący więcej niż 36 A.

Moc wyjściowa zasilacza w takim przypadku musi wynosić nie mniej niż:

Zabezpieczenie toru przekształtnika, przy założeniu współczynnika mocy zapotrzebowanej przez odbiorniki przyłączone do transformatora elektromedycznego cos φ = 0,9, czyli P_Z =10 000 × 0,9 = 9000 W:

Do zabezpieczenia toru bypassu wewnętrznego należy przyjąć zabezpieczenie Do2gD63. Natomiast ochronę przeciwporażeniowa w obwodach elektromedycznych należy projektować zgodnie z zasadami opisanymi w treści artykułu.

Uwaga! Zgodnie z normą IEC 60364-7-710:2012 „Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 7-710: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Pomieszczenia medyczne”  wymagany czas pracy zasilacza UPS wynosi:

• bez współpracy z zespołem prądotwórczym – 3 godziny,
• przy współpracy z zespołem prądotwórczym – 1 godzinę.

Norma ta dostępna jest w wersji angielskiej i nie została powołana w rozporządzeniu [1], przez co jej stosowanie jest dobrowolne na zasadach wiedzy technicznej.

Ochrona przed porażeniem w obwodach zasilanych przez UPS

W newralgicznych pomieszczeniach elektromedycznych, takich jak blok operacyjny lub OIOM, ze względu na wymaganą wysoką niezawodność zasilania zabronione jest stosowanie wyłączników różnicowoprądowych. Zdolność zwarciową wraz z dopuszczalnymi czasami trwania zwarcia dla wybranych zasilaczy UPS przedstawia tab. 1.

Analiza danych zawartych w tab. 1. prowadzi do wniosku, że zasilacz UPS nie jest w stanie zagwarantować przepływu prądu o wartości umożliwiającej zadziałanie zabezpieczenia nadprądowego w czasie nie dłuższym od określonego w normie PN-HD 60364-4-41 [7].

Dla przykładu, zasilacz o mocy 60 kVA gwarantuje prąd zwarciowy z baterii o wartości 520 A przez czas nie dłuższy od 100 ms, podczas gdy prąd zwarciowy gwarantujący nieprzekroczenie dopuszczalnego czasu trwania zwarcia, w jakim nastąpić powinno samoczynne wyłączenie, nie powinien przekraczać wartości 2400 A. Stan ten nie gwarantuje zapewnienia skutecznej ochrony przed porażeniem realizowanej przez samoczynne wyłączenie.

Ograniczenie prądu zwarciowego w zasilaczu UPS do wartośći z przedziału (2,5–3) × I_n jest spowodowane koniecznością ochrony elementów aktywnych przekształtnika. W takim przypadku pomocne może być sterowanie wartością spodziewanego napięcia dotykowego U_ST, tak by jego wartość nie przekraczała wartości napięcia dotykowego dopuszczalnego długotrwale U_L. Postępowanie takie jest zgodne z normą [7], a sposób realizacji tego zalecenia (przy uproszczonym załażeniu: Z_PE ≈ R_PE) wyjaśnia rys. 5.

Dokładna analiza rys. 5. oraz zamieszczonych przy nim wzorów, prowadzi do oceny dwóch przypadków:

a) jeżeli I_k < I_a – czy spodziewane napięcie dotykowe U_ST, jakie powstanie na częściach przewodzących dostępnych chronionego urządzenia, w warunkach zakłóconych nie przekroczy napięcia dotykowego dopuszczalnego długotrwale U_L?

b) jeżeli I_k ≥ I_a – czy nastąpi samoczynne wyłączenie zasilania w czasie nie dłuższym od określonego w normie PN-HD 60364-4-41:2009 [7]?

Przyjęcie takiego sposobu rozwiązania ochrony przeciwporażeniowej gwarantuje jej zachowanie przy dowolnej wartości spodziewanego prądu zwarciowego I_k.

Uwaga!

• W przypadku zastosowania zasilacza UPS typu 3/3, gdzie każda faza na jego wyjściu tworzy osobny obwód jednofazowy, zwarcie w jednej z faz za UPS-em skutkowało będzie przełączeniem układu zasilania na bypass.

• W przypadku długotrwałego utrzymywania się takiego stanu, co będzie miało miejsce w przypadku I_k < I_a, tracimy bezpieczeństwo zasilania w fazach nieobjętych zwarciem.

• W celu wyeliminowania fazy objętej zwarciem i umożliwienia szybkiego powrotu do pracy przekształtnikowej zasilacza UPS, każda faza musi zostać dodatkowo zabezpieczona z wykorzystaniem układu automatyki umożliwiającej przerwanie zasilania w fazie objętej zwarciem w czasie jak najkrótszym od jego powstania, lecz nie dłuższym od 5 sekund. Układ automatyki zabezpieczeniowej należy wówczas projektować przed transformatorem elektromedycznym.

Literatura:

1. Ustawa o ochronie przeciwpożarowej [tekst jednolity: Dz. U. z 2017 roku poz. 736]
2. Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z 12  kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [Dz. U. z 2015 roku poz.1422].
3. Rozporządzenie Ministra  Łączności z 21 kwietnia 1995 roku w sprawie zasilania energią elektryczną obiektów budowlanych łączności [Dz. U. Nr 50/1995 poz. 271].
4. Rozporządzeniu Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 20 czerwca 2007 r. w sprawie wykazu wyrobów służących zapewnieniu bezpieczeństwa publicznego lub ochronie zdrowia i życia oraz mienia, a także zasad wydawania dopuszczenia tych wyrobów do użytkowania [Dz. U. 2007 nr 143 poz. 1002 z późniejszymi zmianami].
5. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych  i Administracji z dnia 7 czerwca 2010, w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków innych obiektów i terenów [Dz. U. Nr 109/2010 poz. 719].
6. Rozporządzenie  Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 17 listopada 2016 roku, w sprawie sposobu deklarowania właściwości użytkowych wyrobów budowlanych oraz sposobu znakowania ich znakiem budowlanym Dz. U. z 2016 roku poz. 1966].
7. PN-HD 60364-4-41:2009 „Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41. Instalacje dla zapewnia bezpieczeństwa Ochrona przed porażeniem elektrycznym” .
8. PN-EN 50160:2010 „Parametry jakościowe napięcia w publicznych sieciach rozdzielczych” .
9. ISO8528-5 „Zespoły prądotwórcze prądu przemiennego napędzane silnikiem spalinowym tłokowym. Zespoły prądotwórcze”.
10. PN-EN 62040-1:2009 „Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Część 1. Wymagania ogólne i wymagania dotyczące bezpieczeństwa UPS. Aneks M (normatywny). Wentylacja przedziałów bateryjnych” .
11. Z. Łęgosz – Potrzeby własne w elektroenergetyce - OPBEE – materiał konferencyjne, Szklarska Poręba 11-13 grudnia 2011
12. Poradnik projektanta Systemów Sygnalizacji Pożaru – cz. II – SITP Warszawa 2009
13. J. Wiatr, M. Orzechowski – Poradnik Projektanta Elektryka – Grupa Medium Warszawa 2012, wydanie V
14. Ochrona przeciwporażeniowa oraz dobór przewodów i ich zabezpieczeń w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia - Zeszyty dla elektryków – nr 8
15. T. Sutkowski – Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną. Urządzenia i układy. – COSiW SEP 2007
16. K. Sałasiński – Bezpieczeństwo elektryczne w zakładach opieki zdrowotnej – COSiW SEP 2007
17. PN-HD 60364-7-710:2012 „Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 7-710: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Pomieszczenia medyczne” . – wersja angielska
18. PN-EN 60896-11:2007 „Baterie ołowiowe stacjonarne. Część 11. Ogólne wymagania i metody badań”.
19. www.aval.com.pl -19.07.2017 - karta katalogowa akumulatora EPL 201-12
20. PN-HD 60364-7-710:2012 „Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 7-710. Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Pomieszczenia medyczne”. 

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!