نقش دیزل ژنراتور در 10 ثانیه حیاتی(NFPA110-Type10)

قابلیت موتور ژنراتورها در راه‌اندازی سریع و تامین برق اضطراری با ولتاژ و فرکانس مجاز در هنگام خاموشی‌های شبکه برق و در زمانی کمتر از 10 ثانیه، باعث شده است که این تجهیزات جهت استفاده به عنوان مولدهای برق اضطراری برای مصارف حیاتی و مراکز درمانی، انتخاب مناسبی در نظر گرفته شوند. با این حال قوانینی که الزامات این راه‌اندازی سریع را تعریف می‌کنند دارای ابهام بوده و این امر منجر به مطرح شدن پرسش‌هایی از سوی صنایع و کاربری‌های حساس در خصوص نحوه محاسبه زمان 10 ثانیه‌ای شده است. همچنین در برخی از موارد نیز زمان راه اندازی وابسته به کاربری موتور ژنراتور می‌باشد. در این مقاله قصد داریم سیستم‌های برق اضطراری Type 10 را معرفی و مورد بررسی قرار دهیم. در ابتدا به معرفی مفاهیمی که مهندسین و مشاورین لازم است در خصوص استاندارد NFPA 110 و چگونگی بکارگیری آن‌ بدانند، می‌پردازیم.

استاندارد NFPA 110

NFPA 110 یک استاندارد جامع و کاربردی برای طراحی، نصب، تست و نگهداری سیستم‌های تامین برق اضطراری مورد استفاده در محل‌های عمومی و صنعتی است که توسط آژانس ملی حفاظت از آتش‌سوزی (NFPA ) در ایالات متحده آمریکا تهیه شده است. NFPA آمریکا با تشکیل کمیته‌ای متشکل از افراد فنی و غیر فنی، از طریق انتشار استانداردها و آیین‌نامه‌های مختلف، در راستای افزایش ایمنی جمعی و جلوگیری از ایجاد آتش‌سوزی گام برمی‌دارد. NFPA اولین بار در سال 1896 میلادی تشکیل شد اما کمیته فنی منابع تغذیه اضطراری در سال 1976 شکل گرفت و اولین استاندارد منتشر شده توسط این کمیته که به طور جامع جنبه‌های ایمنی بهره‌برداری از سیستم‌های تامین برق اضطراری را پوشش می‌داد، در سال 1985تحت عنوان NFPA 110 در اختیار عموم قرار گرفت. از زمان انتشار اولین نسخه تا به امروز این استاندارد مورد توجه علاقمندان قرار گرفته و با مشارکت متخصصین صنایع و نمایندگان تولیدکنندگان و مصرف کنندگان، چندین و چند مرتبه مورد بازبینی و اصلاحات قرار گرفته است. NFPA 110 یک دوره بازنگری سه ساله دارد که آخرین نسخه اصلاحی در سال 2020 منتشر شده است. این استاندارد به منظور حفظ ایمنی و عملکرد مطلوب سیستم‌های تامین برق اضطراری در محل‌های عمومی مورد استفاده قرار می‌گیرد و برای اطمینان از عملکرد صحیح و قابل اطمینان سیستم‌های برق اضطراری در شرایطی مانند قطع برق اصلی، الزامات و راهنمایی‌های دقیقی را در زمینه طراحی و عملکرد آن‌ها ارائه می‌دهد. هدف این استاندارد دستیابی به قابلیت اطمینان برای سیستم است.

برای درک بهتر NFPA 110 لازم است با برخی از تعاریف مورد استفاده در این استاندارد آشنا شویم. تعاریف مهم مورد استفاده در این استاندارد عبارتند از:

منبع برق اضطراری (EPS) : به عنوان منبع تامین برق با ظرفیت و کیفیت مورد نیاز برای سیستم تامین برق اضطراری تعریف می‌شود.

سیستم تامین برق اضطراری (EPSS) : به مجموعه موتور ژنراتور، سیستم کابل‌کشی، کلیدها و تجهیزات حفاظت جریانی، کلیدهای ATS و کلیه تجهیزات مربوط به نظارت و کنترل سیستم تا ترمینال‌های بار که برای عملکرد مطمئن و ایمن منبع برق مورد نیاز است، سیستم تامین برق اضطراری اتلاق می‌گردد.

شکل 1- تفاوت EPSS و EPS

از دیدگاه NFPA110 منبع برق اضطراری (EPS)با سیستم تامین برق اضطراری (EPSS)متمایز بوده و ژنراتور اضطراری به همراه تابلو برق ATS و ترانسفورماتور، زیر مجموعه‌های سیستم تامین برق اضطراری می‌باشند. مطابقت با NFPA 110 برای کل سیستم تامین برق اضطراری (EPSS) صادر شده و منبع برق اضطراری (EPS) به تنهایی در این استاندارد مورد بررسی قرار نمی‌گیرد، اما عدم توانایی منبع برق اضطراری در برآورده کردن الزامات مورد نیاز این استاندارد، باعث می‌شود کل سیستم تامین برق اضطراری فاقد تاییدیه NFPA 110 باشد. لذا موتور ژنراتور مورد استفاده در EPSS نقش تعیین کننده‌ای در اخد تاییدیه NFPA 110 دارد.
NFPA 110 انواع سیستم‌های تامین برق اضطراری را با استفاده از تعاریف تایپ ، کلاس و سطح دسته بندی می‌کند:

تعریف سطح

NFPA 110 دو سطح را برای الزامات نصب، عملکرد و نگهداری تجهیزات بر اساس کاربری بارهای در نظر گرفته شده برای سیستم تامین برق اضطراری تعریف می‌کند که:

• سطح 1 : این سیستم‌ها در مکان‌هایی باید نصب شوند که خطا در کارکرد تجهیزات منجر به از دست رفتن جان انسان‌ها یا مصدومیت‌های جدی می‌شود
• سطح 2 : این سیستم‌ها در مکان‌هایی باید نصب شوند که خطا در کارکرد تجهیزات، برای جان انسان‌ها و ایمنی کمتر ضروری می‌باشد.

NFPA 110 سیستم‌های تامین برق اضطراری را بر اساس تاثیر مستقیم روی جان انسان‌ها تعریف می‌کند و مطابق انتظار، در طراحی و اجرای EPSS های سطح 1، سخت‌گیری و دقت بیشتری لحاظ می‌گردد. همچنین اکثر تجهیزات طراحی شده برای الزامات سطح 1، می‌توانند برای EPSS های سطح 2 مورد استفاده قرار گیرد. شایان ذکر است که NFPA 110 به طور دقیق مشخص نمی‌کند که کدام کاربری‌ها به EPSS های سطح 1 و کدام مصارف به EPSS سطح 2 احتیاج دارند و این امر را به مراجع ذی‌صلاح و سایر استانداردها محول نموده است. در جدول (1) مثال‌ کاربری‌های ممکن برای EPSS های سطح 1 و2 بر اساس استاندارد NFPA 70 قید شده است.

جدول 1- کاربری EPSS های سطح 1 و 2

در نظر داشته باشید که کاربری‌هایی مانند دیتاسنتر، صنایع تحقیقاتی و … که در آن‌ها قطع برق می‌تواند به ضررهای هنگفت اقتصادی منجر گردد، به دلیل اینکه برای جان انسان‌ها حیاتی نمی‌باشند، توسط NFPA 110 مورد بررسی قرار نگرفته‌اند.

تعریف تایپ

تایپ موتور ژنراتور، نشان دهنده حداکثر زمان ممکن برحسب ثانیه است که ترمینال‌های خروجی بار سیستم تامین برق اضطراری، در هنگام قطع منبع اولیه، بدون برق با ولتاژ و فرکانس مجاز می‌باشد.

جدول 2- زمان بازیابی مربوط به Type های مختلف

در واقع حدفاصل زمان بین قطع برق شبکه و بازیابی برق منبع اضطراری با ولتاژ و فرکانس مجاز (معمولا 90 درصد مقادیر نامی در نظر گرفته می‌شوند) در ترمینال بار، Type سیستم تامین برق اضطراری را مشخص می‌نماید.

تعریف کلاس

کلاس حداقل زمانی را تعریف می‌کند که سیستم تامین برق اضطراری طراحی شده قادر است در آن زمان بدون سوخت‌گیری مجدد، تحت توان نامی خود کار کند.

جدول 3- کلاس‌بندی EPSS ها

به طور مثال در یک سیستم کلاس 2، EPSS باید به مدت 2 ساعت و بدون سوخت‌گیری مجدد بتواند در توان نامی خود کار کند. کلاس‌های بالا برای موتور ژنراتورهای نوع دیزلی، معضلاتی مانند ذخیره سوخت را نیز به دنبال دارند.
کلاس مدت زمانی که موتور ژنراتور مورد استفاده قرار می‌گیرد را نشان می‌دهد در حالی که تایپ زمان بین قطع برق شبکه و بازیابی ولتاژ و فرکانس قابل قبول توسط منبع برق اضطراری در ترمینال‌های خروجی را نشان می‌دهد.

سیستم‌های Type 10

استاندارد NFPA 110 تنها الزامات عمومی استفاده از سیستم‌های تامین برق اضطراری را مشخص می‌کند و تعیین تایپ، کلاس و سطح مربوط به کاربری‌های مختلف، به عهده دیگر استانداردها مانند NFPA 70 و NFPA 99 می‌باشد. به طور مثال ماده 700 استاندارد NFPA 70 که به NEC هم شناخته می‌شود، به طور کامل به بررسی سیستم‌های اضطراری پرداخته و تایپ بارها و حداکثر زمان مورد نیاز برای دوباره برق دار شدن ترمینال‌های بار بعد از خاموشی را مشخص می‌کند. NEC صراحتا بیان می‌کند که بارها و روشنایی ضروری برای ایمنی انسان‌ها، باید در زمان 10 ثانیه توسط سیستم اضطراری بازیابی شوند. لذا این نوع بارها در صنایع و تاسیسات به بارهای Type 10 معروف می‌باشند. به عنوان مثالی دیگر NFPA99 (استاندارد مراکز درمانی) الزامات قید شده در NFPA 110 را در قسمت سیستم برق اضطراری تکرار کرده و سیستم‌های تامین برق حیاتی خود را در دسته Type 10 و کلاس X طبقه‌بندی می‌کند.

سیستم‌هایی که برای ایمنی و حفاظت جان انسان‌ها به عنوان سیستم‌های حیاتی در نظر گرفته شده‌اند، باید مطابق با NFPA 110 الزامات Type 10 بودن را برآورده کنند.

زمان آمادگی 10 ثانیه‌ای
سیستم تامین برق اضطراری باید در طول خطاهای برق شبکه، یک منبع برق با ظرفیت کافی، قابل اطمینان و با کیفیت را در مدت زمان کمتر از 10 ثانیه فراهم کند. این جمله دو مولفه اصلی در نظر گرفته شده توسط NFPA 110 را برای بارهای حیاتی مشخص می‌کند؛ زمان بازیابی و توان الکتریکی مجاز؛ در ادامه به بررسی این دو مولفه برای سیستم‌های تامین برق اضطراری می‌پردازیم:

1. زمان بازیابی

در اکثر کاربری‌های اضطراری، مصارف ایمنی که به یک منبع تولید برق در محل احتیاج دارند، از یک موتور موتور ژنراتور بهره می‌برند. سلسله مراحل به همراه زمان هر مرحله در هنگام قطع برق و تامین آن توسط موتور ژنراتور اضطراری به شرح ذیل می‌باشد.

سه مرحله ابتدایی از فرایند فوق مربوط به برد کنترلی و تابلوی ATS بوده و مجموعا 1 ثانیه زمان می‌برد. NFPA 110 به منظور جلوگیری از روشن شدن موتور ژنراتور و تغییر وضعیت تابلو ATS در حین نوسانات مجاز و قابل قبول در شبکه، وجود یک تاخیر زمانی بعد از شناسایی خطا در شبکه را الزامی نموده و مقدار آن را برای بسیاری از کاربری‌ها، یک ثانیه را کافی دانسته است. این مقدار باید به اندازه‌ای کوتاه باشد که موتور ژنراتور برای تایپ در نظرگرفته شده مناسب باشد.
از گام چهار تا گام ششم مربوط به موتور ژنراتور بوده و بیشترین سهم در زمان راه اندازی سیستم EPSS را دارد که بسته به تنظیمات، ممکن است تا 8 ثانیه طول بکشد.

سه مرحله انتهایی مجددا مربوط به تابلوی ATS بوده و بسته به نوع کلید و کاربری موتور ژنراتور، ممکن است 5/0 تا 5/1زمان ببرد.
برای اینکه یک سیستم تامین برق اضطراری بتواند Type 10 باشد، لازم است کلیه فرآیندها شامل تشخیص سیگنال، تغییر وضعیت کلیدهای تابلو ATS و زمان در نظر گرفته شده برای کلیه وقفه‌های در نظر گرفته شده در زمانی کمتر از 10 ثانیه انجام گیرد. در واقع زمان آمادگی سیستم EPSS از لحظه بی برق شدن ترمینال‌های بار تا لحظه بازگشت برق با ولتاژ و فرکانسی در محدوده مجاز به ترمینال‌های بار در نظر گرفته می‌شود.

2. توان الکتریکی مجاز

استاندارد NFPA 110 بر بازیابی برق با کیفیت در زمانی محدود الزام داشته و این بدین معنی می‌باشد که علاوه بر زمان، کیفیت توان نیز حائز اهمیت است. برد کنترلی PCC قادر به شناسایی مشخصه‌های ولتاژ و فرکانس برق بوده و پس از اطمینان از ورود ولتاژ و فرکانس ترمینال بار به محدوده مجاز، اجازه وصل شدن کلید را صادر می‌کند. تنظیمات ولتاژ و فرکانس قابل قبول در اکثر تابلوهای ATS صنعتی بسته به نوع کاربری، قابل تنظیم بوده اما به منظور برآورده کردن الزامات Type 10 بودن سیستم تامین برق اضطراری، این مقادیر معمولا بر روی 90 درصد ولتاژ نامی و 90 درصد فرکانس نامی تنظیم می‌گردند. شایان ذکر است که در بازه 10 ثانیه مورد نظر، زمان بازیابی بارهای الکتریکی درنظر گرفته نمی‌شود.

خلاصه

سیستم‌های برق اضطراری که با هدف محافظت از جان انسان و ایمنی در برابر خطرات مورد استفاده قرار می‌گیرند، باید الزاماتType 10 بودن را براساس استاندارد NFPA110 برآورده نمایند. این الزامات شامل معیارهای زمانی و معیارهای مربوط به مشخصه‌های ولتاژ و فرکانس برق در ترمینال خروجی بار می‌گردد. معیارهای زمانی از لحظه قطع برق در ترمینال بار تابلوی ATS را تا زمان بازیابی برق با فرکانس و ولتاژ قابل قبول در ترمینال بار به همراه کلیه وقفه‌های مربوط به تشخیص سیگنال‌ها و عملکرد کلیدها در بر می‌گیرد. همیچنین در خصوص کیفیت توان خروجی، توانی قابل قبول در نظر گرفته می‌شود مشخصه‌های ولتاژ و فرکانس آن که در محدوده در نظر گرفته قرار داشته باشند و باعث عملکرد تجهیزات حفاظتی و قطع کلیدهای منبع برق اضطراری نگردد. همانگونه که گفته مطابقت با NFPA 110 برای کل سیستم تامین برق اضطراری (EPSS) صادر شده و منبع برق اضطراری (EPS) به تنهایی در این استاندارد مورد بررسی قرار نمی‌گیرد، اما عدم توانایی منبع برق اضطراری در برآورده کردن الزامات مورد نیاز این استاندارد، باعث می‌شود کل سیستم تامین برق اضطراری فاقد تاییدیه NFPA 110 باشد. لذا موتور ژنراتور مورد استفاده در EPSS نقش تعیین کننده‌ای در اخد تاییدیه NFPA 110 دارد. موتور ژنراتورهای ساخت شرکت کامینز پاور قادرند در کمتر از 10 ثانیه راه‌اندازی و 100 درصد بار را تامین کنند که این ویژگی اخذ تاییدیه NFPA 110 را برای سیستم تامین برق اضطراری به راحتی میسر می‌سازد.