Fundamentos de la Red Aislada IT

En el ámbito hospitalario el desarrollo tecnológico ha dado lugar a la aparición de una gran cantidad de equipos electromédicos que se aplican  a  la  atención  de  pacientes  para  efectuar  diagnósticos, cirugías y monitorizaciones.

Esto   permite   mejores   tratamientos,   pero   también   implica   un aumento del riesgo de accidente por descarga eléctrica lo cual es especialmente  peligroso  cuando  se  trata  de  procesos  de  tipo invasivo, ya que las corrientes eléctricas, aunque sean de pequeña magnitud, pueden tener consecuencias fatales para el paciente.

Garantizar  la  continuidad

Es  importante  garantizar  la  continuidad  del  servicio  eléctrico mediante  fuentes  alternativas  de  energía,  ya  que  la  vida  de  los pacientes depende de las máquinas que los asisten.

La  necesidad  de  garantizar  la  seguridad  eléctrica  desde  estos puntos  de  vista,  como  asi  también  la  de  prevenir  los  riesgos  de incendio  y  explosión,    obligará  en  estos  recintos  hospitalarios  a realizar el suministro eléctrico de energía por medio de un sistema aislado, llamado red IT.

Normas nacionales como internacionales coinciden en clasificar los locales hospitalarios,   de acuerdo a las tareas allí realizadas. En Argentina,  la  reglamentación  vigente, AEA90364  –  Sección  710, define los tres tipos de salas de medicina humana y las clasifica en: salas del grupo 0, 1, 2a y 2b.

Tabla 1 – Tipos de Sala Según subclaúsulas 710.3.2.1 a 710.3.2.3

TABLEROS DE AISLACIÓN

La conformación de una red aislada para un recinto médico requiere  la  instalación  de  un  tablero  de  aislación  desde donde se alimentará y monitoreará la misma.

El  tablero  de  aislación  estará  compuesto  de  4  partes fundamentales:

1-La conmutación entre red principal y alternativa.

2-El transformador de aislación.

3-El monitor de aislación y su repetidor.

4-Los elementos de mando control y protección.

Diagrama Unifilar

Conmutación entre Red Principal y Alternativa

La red aislada hospitalaria IT debe contemplar elementos que permitan una alimentación primaria de tipo redundante.

La   necesidad   de   asegurar   el   mantenimiento   de   la continuidad del servicio eléctrico obliga a que la alimentación de energía eléctrica primaria al transformador de la red IT se realice  desde     al  menos  dos  circuitos  independientes denominados línea normal y emergencia.

Estas redes de alimentación de energía serán comandadas por  automatismos  que  realicen  la  transferencia  de  una alimentación hacia la otra frente a una falla en la primera y que  permitan  además  al  personal  técnico  a  cargo  de  la instalación, la selección manual de una u otra.

Transformador de Aislación

Los  transformadores  de  aislación  deben  estar  diseñados  para satisfacer los requisitos relacionados a las salas del grupo 2 (a y b), ya que en éstas es condición indispensable la instalación de una red aislada IT, a fin de lograr un suministro eléctrico seguro a los equipos electromédicos para intervenciones quirúrgicas y medidas vitales.

La  referida  reglamentación  710  de  la AEA,  determina  el  uso  de transformadores  monofásicos  y  de  aislación  seca  debido  a  su menor riesgo de incendio, contaminación y mayor confiabilidad para la prestación del servicio y define un acotado rango de potencias que  va  desde  3.15kVA hasta  8kVA,  siendo  de  5kVA la  potencia preferida para las Unidades de Terapia Intensiva y Quirófanos.

Transformadores  de  potencia  menor  a  3.15kVA  no  son aconsejables debido al elevado valor de su impedancia de cortocircuito   que   impedirá   la   actuación   segura   de   los interruptores termomagnéticos colocados aguas abajo del transformador.  Transformadores  de  potencias  mayores  a 8kVA no son aconsejables debido a la elevada capacidad distribuída que tendrá tanto el propio transformador como así también la instalación, ó sea el cableado de la red IT.

Los transformadores de aislación para uso médico deben cumplir con las especificaciones técnicas definidas en las normativas anteriormente citadas y éstas serán de carácter obligatorio. Sin embargo existen otras, que a pesar de no estar específicamente indicadas, son indispensables para que   el   transformador   cumpla   con   las   condiciones   de prestación requeridas para las salas del Grupo 2.

Principales características técnicas que deben cumplir los transformadores:

Tipo: monofásicos de aislación seca. (1)

Rango de potencias: de 3.15kVAa 8kVA.

Relación: 1:1 con tensión nominal máxima de 230Vca.

Corriente de vacío: menor al 3% de la corriente nominal (Inom).

Corriente de conexión: menor a 12 veces la corriente nominal.

Tensión  de  cortocircuito:  menor  al  3%  de  la  tensión nominal.

Clase térmica: aislación clase H.

Nivel de aislación: 3kVca.

Rigidez dieléctrica, mayor a 500 Mohms.

Corriente de fuga a tierra: menor a 0.1mA.

Nivel de ruido: menor a 40dB a 30cm de distancia y a potencia nominal.

Pantalla electrostática entre primario y secundario.

Conexión para monitoreo de fuga, a mitad del bobinado secundario y a borne aislado.

Sensor de temperatura: de tipo PTC ó Pt100.

Elevada capacidad de sobrecarga

(1) Los   transformadores   trifásicos   podrán   ser   utilizados solo  para   la   alimentación    de   una   carga   trifásica.

Los requisitos listados pueden ser alcanzados si se adoptan criterios muy cuidados y selectivos en todos los procesos de diseño  y  fabricación,  tales  como:  diseños  verificados  y validados, severos controles en los materiales usados en su construcción, procesos controlados y documentados en su fabricación y ensayos finales registrados para la verificación del cumplimiento de los requisitos definidos por las normas de aplicación.

“Es  evidente  que  solo  aquellas  empresas que  operen  bajo  procedimientos documentados  y  certificados  por  un Sistema  de  Gestión  de  la  Calidad  según ISO  9001,  podrán  alcanzar  las  metas citadas.”

Para lograr las características técnicas mencionadas en la fabricación de estos transformadores, se deberán tener en cuenta al menos los siguientes aspectos durante el proyecto, cálculo y fabricación de los mismos:

A.1 Elementos del tablero – Partes del transformador | NÚCLEO

Núcleo de Elevada Calidad y Bajas Pérdidas

Un núcleo construido con chapa de Fe-Si de grano orientado M4,    preferentemente  con  corte  step-lap,  garantiza  baja corriente de vacío y disminuye de manera significativa las pérdidas en el mismo. La primer característica es necesaria para cumplir con el requisito de un valor inferior al 3% de la Inom y la segunda, posibilitará disminuir significativamente la sobre elevación de temperatura en el núcleo.

Bajas pérdidas específicas en el núcleo junto a la elección de una  adecuada  inducción  magnética  de  trabajo  y  correcto diseño en la geometría de los bobinados, permite alcanzar el requisito de una corriente de inserción inferior a 12 veces la Inom.

“Este  requisito  es  indispensable para  evitar  la  actuación  intempestiva de  las  protecciones  magnéticas aguas  arriba  del  transformador, durante  la  conexión  del  mismo  a  la red”.

Las curvas mostradas en la Fig.1, muestran oscilogramas de las corrientes de inserción de un transformador de 5kVA a dos  columnas  obtenidas  durante  un  ensayo  según  lo indicado el punto 13.3 de la IEC61558-2-15.

“El  transformador  en  vacío  se alimenta  a  la  tensión primaria asignada.  La  tensión  de  alimentación se  conecta  y  desconecta  un  total  de 20  veces  a  intervalos  de aproximadamente  10  s.”

El  valor  de  la  corriente  de  inserción  del  transformador (Iinserción) será igual al máximo valor cresta registrado. El oscilograma  (c)  corresponde  al  mayor  valor  registrado durante el ensayo, 320 Apico, valor que corresponde a una corriente de inserción de 10.4 veces la nominal.

Figura 1.1 Valores registrados entre 20 disparos Escalas Vertical: 100A pico/div Horizontal: 5ms/div

A.2 Gran Capacidad de Sobrecarga

Los  transformadores  analizados  deben  tener  una  gran capacidad de sobrecarga aún durante prolongados lapsos de tiempo, “característica ésta muy importante en redes IT para salas del Grupo 2, ya que en todo momento se debe priorizar y garantizar la continuidad prestación del servicio de energía eléctrica aún en condiciones anómalas”.

Para  lograr  este  objetivo  el  transformador  deberá  estar construido  con  aislaciones  clase  H  y  proyectado  con  una “muy   baja   sobre   elevación   térmica   para   condiciones normales”, de manera tal que en condición de sobrecarga, las temperaturas alcanzadas por los bobinados no superen las máximas admitidas para la clase térmica citada, “125ºC de  sobre  elevación  térmica  sobre  un  ambiente  de  40ºC según la IEC61558”.

Lograr este objetivo

Lleva a “disponer el transformador sobre un   núcleo   a   dos   columnas   e   incorporar   canales   de ventilación entre bobinados para aumentar la superficie de disipación térmica del mismo”, mientras que la elección de un número de espiras reducido y baja densidad de corriente en los bobinados, disminuye la potencia disipada por el conjunto logrando de este modo reducir la sobre elevación térmica.

Las  curvas  de  la  Fig.2,  muestran  el  calentamiento  de  un transformador  de  5kVA  a  dos  columnas,  para  distintas condiciones de carga (a potencia nominal y con un 30 y 50% de  sobrecarga).  Es  de  notar  que  a  potencia  nominal  el transformador ensayado presenta una DT de 63ºC, y que aún con un 50% de sobre carga, la máxima sobre elevación térmica alcanzada por los bobinados es de 116ºC, valor que no sobrepasa el límite de 125ºC definido por la norma IEC para la clase H.

Figura 2 – Curvas de Calentamiento

Curvas de calentamiento de un transformador de 5KVA Relación 230/230Vca (dos columnas). Las temperaturas del eje Y representan las sobre-elevaciones térmicas alcanzadas en régimen

A.3 Proceso de Fabricación Controlado

El proceso de fabricación de estos transformadores debe contemplar un cuidadoso armado de su parte activa (núcleo + bobinas), como así también la impregnación del conjunto con barnices clase H y su posterior horneado en condiciones controladas para el óptimo secado y curado del mismo. Esto permite garantizar el cumplimiento de los requisitos de baja rumorosidad (menor a 40dB) y elevada rigidez dieléctrica (mayor a 3kVca).

El   uso   de   prensa yugos   de   sujeción   aislados   y   con tratamiento anticorrosivo, bornes de carril con conexión a tornillo, bulón para toma de tierra con aterrado del núcleo y marcado según Norma, define un transformador adecuado para su utilización en locales de uso médico.

A.4 Monitor de Aislación

El  tercer  componente  para  la  formación  de  una  red  IT hospitalaria  será  el  monitor  de  aislación.  Este  dispositivo debe   monitorear   permanentemente   el   estado   de   las aislaciones de la red IT dando una señal de alarma cuando la misma se deteriora.

La presentación de estos valores se realiza según el tipo y modelo del monitor, ya sea como el valor de la impedancia de pérdida total de la instalación en kOhms ó como el valor de la corriente probable de fuga en mA. Las normas hospitalarias definen  estos  valores  mínimos  a  ser  respetados,  50  a 110k hms en el primer caso y 2 a 5 mA en el segundo caso, Ya   sean   instalaciones   nuevas   ó   instalaciones existentes.

El monitoreo permanente

De los valores es indispensable en las salas del grupo 2, ya que una disminución paulatina en el valor de la impedancia de pérdida como un aumento en la corriente   probable   de   fuga,   indicaría   que   se   está produciendo un deterioro en las aislaciones de la instalación eléctrica  del  recinto  ó  en  los  aparatos  conectados  a  ella, elevando  de  esta  manera  la  posibilidad  de  aparición  de situaciones de microshock ó de macroshock eléctrico, tanto para el paciente como para el personal médico.

Además una puesta a tierra de uno de los conductores de la red aislada conocida como primer fallo a tierra, colocará la instalación en la condición de línea no aislada y como tal, de producirse una nueva puesta a tierra del otro conductor de la instalación (segunda falla a tierra) producirá la actuación de las protecciones contra cortocircuito, dando como resultado la interrupción del suministro de corriente eléctrica al recinto. Esta condición es sumamente peligrosa, ya que implicará la parada de las máquinas de mantenimiento de vida a las que puede estar conectado el paciente.

En todo momento

El monitor de aislación debe verificar en todo momento el estado de carga del transformador de aislación. Si bien los transformadores  para  estas  redes  son  máquinas  de  alta confiabilidad   y   de   gran   capacidad   de   sobrecarga,   la permanencia en el tiempo de una situación de este tipo, trae aparejado  el  incremento  de  la  temperatura  del  aparato produciendo  una  disminución  del  tiempo  de  vida  de  la máquina como el incremento de la posibilidad de falla de sus aislaciones.

La presentación de este valor de sobrecarga se realiza según el tipo y modelo del monitor; ya sea mediante la medición de la temperatura interna de los bobinados como del valor de la corriente de carga del sistema, o en el mejor de los casos, con la presentación de ambos valores.

Repetidor remoto

El  monitor  de  aislación  se  complementa  con  su  repetidor remoto. Este dispositivo está conectado permanentemente al monitor y exhibe de manera simplificada los parámetros medidos  por  éste  dando  una  señal  de  alarma  acústica  y lumínica ante el surgimiento de una falla.

La señal acústica podrá ser silenciada mientras que la lumínica no, esta debe permanecer encendida hasta tanto se haya solucionado la causa que dispara la alarma. Si se trata de una línea aislada para  quirófano,  el  repetidor  remoto  debe  estar  ubicado dentro de esta sala, si se trata de una línea para UTI ó UCI el repetidor estará ubicado dentro del Office de Enfermería.

A.5 Protecciones

Finalmente  para  la  formación  de  una  red  IT  hospitalaria serán  necesarios  los  dispositivos  de  mando,  control  y protección      de   sobretensiones,   los   que   deben   ser seleccionados de manera tal de impedir que sus actuaciones provoquen un daño mayor frente al que se quiere evitar.

La selectividad  de  las  protecciones  deberá  ser  calculada  y verificada tanto en el valor de las corrientes nominales de los dispositivos como así también con respecto a sus curvas de actuación. El interruptor de cabecera será magnético con curva de actuación tipo D (10 a 12 Inom), el interruptor de conexión   del   protector   de   sobretensiones   será termomagnético con curva de actuación tipo C (8 a 10 Inom) y los interruptores de las líneas de salida de la red aislada serán termomagnéticos con curva de actuación tipo B (3 a 5 Inom).

Como se pone de manifiesto, los componentes de una red aislada   hospitalaria   IT   deben   ser   cuidadosamente seleccionados y calculados ya que constituyen una unidad de altas prestaciones y que por lo tanto debe ser verificada y ensayada según exigentes procedimientos definidos en las Normas específicas AEA90364-Sección   710.   IEC60439-1

Si   los   elementos   básicos   antes   citados   confluyen físicamente  en  un  tablero  eléctrico  y  éste  se  presenta debidamente ensayado y protocolizado, estaremos frente a una solución integral que garantice el cumplimiento de las especificaciones técnicas definidas para el mismo.

Recomendaciones de Uso

Quirófanos

Se debe colocar un tablero de 5 kVA por cada quirófano como medida estándar.

Terapia Intensiva

Se recomienda colocar un tablero de 5 kVA cada 4 camas.

Asimismo se debe alimentar cada cama desde dos tableros distintos en los casos que sea posible.

Sala de Diálisis

Se calcula un tablero de 8 kVA por cada 4 máquina dediálisis.

Ensayos

Los ensayos realizados sobre un tablero deberán incluir al menos lo siguiente:

Ensayos  de  RIGIDÉZ  DIELÉCTRICA  que  incluirán; medición  de  resistencia  de  aislación  y  ensayo  de tensión aplicada a frecuencia industrial.

Configuración   y   parametrización   del   monitor   de aislación

Verificación de la actuación de las alarmas del monitor de aislación; baja resistencia de aislación ó corriente de fuga  elevada,  alta  temperatura  del  transformador  y corriente de carga del transformador fuera de rango.

Verificación de las señalizaciones luminosas y acústica del   repetidor   y   de   los   pulsadores   de   prueba   y silenciamiento.

Verificación  por  inspección  de  la  selectividad  de  los dispositivos de mando y protección.

Ensayo   del   funcionamiento   general   del   tablero energizado

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Fuentes/ referencias/autores:

Agradecimiento a Servelec por el detallado artículo