Aplicação de Unidades de Anel Principal em Sistemas de Distribuição

Com o desenvolvimento econômico contínuo e o crescente impacto da eletricidade na vida das pessoas, especialmente em áreas urbanas com alta densidade de carga, a confiabilidade do fornecimento de energia é especialmente crucial. Estabelecer uma rede de distribuição principalmente baseada em uma estrutura de anel principal pode melhorar efetivamente a confiabilidade do fornecimento de energia, garantir a continuidade do fornecimento e minimizar o impacto de falhas de equipamentos de distribuição e interrupções de manutenção. Como um dispositivo-chave no modo de operação de anel principal, a Unidade de Anel Principal (RMU) é amplamente utilizada em subestações de distribuição e subestações compactas em centros de carga, como bairros residenciais urbanos, edifícios altos, grandes estruturas públicas e plantas industriais, graças às suas vantagens, como estrutura simples, tamanho compacto, baixo custo e capacidade de melhorar os parâmetros, desempenho e segurança do fornecimento de energia.

1. Tipos de Unidades de Anel Principal

Em sistemas de distribuição, o equipamento capaz de realizar funções de anel principal inclui principalmente caixas de ramificação de cabo de anel principal e RMUs. As caixas de ramificação de cabo de anel principal têm custo mais baixo e oferecem locais de instalação mais flexíveis. Elas são particularmente vantajosas em áreas urbanas consolidadas onde obter espaço para uma sala de distribuição (necessária para RMUs) é difícil, demonstrando sua flexibilidade. No entanto, em comparação com as RMUs, as maiores desvantagens das caixas de ramificação de anel principal são o desempenho de segurança inferior (especialmente em relação a medidas contra operações errôneas), ambientes operacionais insatisfatórios e certos riscos. Se as condições permitirem, o autor recomenda priorizar o uso de RMUs para configurações de anel principal. As RMUs podem ser classificadas em vários tipos com base no tipo de chave de carga usada: RMUs a ar, RMUs a pistão, RMUs a vácuo e RMUs SF6. Dentre estas, as RMUs a ar e a pistão foram largamente descontinuadas devido a defeitos fatais e baixa confiabilidade em suas chaves de carga. As RMUs a vácuo e SF6 são amplamente utilizadas em sistemas de distribuição devido ao seu alto desempenho, operação e manutenção confiáveis.

1.1 Unidades de Anel Principal a Vácuo

Anos de produção e uso doméstico de disjuntores a vácuo e quadros de comando a vácuo tornaram a tecnologia a vácuo relativamente madura na China. As RMUs a vácuo desenvolvidas localmente demonstraram alto desempenho em testes de tipo, mas não tiveram uso generalizado. A principal razão é o desempenho insuficiente do mecanismo de operação. O design dos mecanismos de operação para chaves a vácuo é relativamente complexo, e devido ao nível de matérias-primas, tecnologia de processamento e controle de qualidade domésticos, a qualidade dos mecanismos de operação produzidos por fabricantes domésticos ainda não atingiu verdadeiramente o padrão. A operação e manutenção são difíceis, e como medir o grau de vácuo nas RMUs a vácuo é um grande desafio na manutenção.

1.2 Vantagens e Desvantagens das Unidades de Anel Principal SF6

A aplicação de RMUs SF6 em sistemas de distribuição é principalmente dominada por produtos importados. Elas são amplamente bem-vindas pelos departamentos de fornecimento de energia devido ao seu excelente desempenho, operação confiável, design totalmente selado e isento de manutenção. Exemplos típicos de RMUs SF6 incluem o RM6 da Schneider, o SafeRing da ABB e o 8DJ20 da Siemens. No entanto, também existem algumas desvantagens durante a operação.

1.2.1 Vantagens das RMUs SF6:

(1) Especificações de Alto Desempenho: As RMUs SF6 têm alta frequência de operação, podendo fazer e quebrar cargas ativas nominais até 100 vezes. Elas também possuem boa capacidade de interrupção e podem suportar correntes elevadas.

(2) Manutenção Conveniente: O design da superfície do gabinete é amigável ao usuário. Os diagramas de fiação claros no painel fornecem orientação para a operação. Alguns produtos até notam precauções na superfície do gabinete, reduzindo ainda mais a incidência de erros do operador. A maioria dos produtos de RMU está equipada com dispositivos que podem detectar o estado vivo do circuito principal, fornecendo indicação do estado de energia e, quando combinado com travas eletromagnéticas, impedindo a porta do manípulo de ser fechada quando viva, reduzindo operações errôneas. Além disso, uma janela de observação de acrílico transparente na porta frontal permite a visualização direta do estado de abertura/fechamento do interruptor, o que é muito conveniente.

(3) Alta Flexibilidade: As RMUs modernas podem atender de forma muito flexível aos requisitos de vários designs de redes de distribuição e podem ser combinadas arbitrariamente de acordo com as situações reais. Além disso, os métodos de conexão de cabos também são muito flexíveis, permitindo conexões adaptáveis mesmo em superfícies irregulares sem causar descargas parciais.

1.2.2 Desvantagens das RMUs SF6:

(1) Configuração Inflexível: Elas só podem ser selecionadas a partir de um número limitado de esquemas fornecidos pelo fabricante, tornando difícil atender a várias necessidades específicas dos usuários.

(2) Incapacidade de Expansão: Após a comissionamento do quadro de comando, geralmente não é possível expandir.

(3) Requisito de Acessórios Especiais: Elas requerem acessórios especiais, como terminações de cabo específicas, que podem ser caras.

(4) Requisitos de Instalação Rígidos: Se os requisitos de instalação não forem atendidos, as unidades podem não alcançar o desempenho pretendido.

Devido à configuração inflexível das RMUs SF6 totalmente seladas, o uso de RMUs SF6 semi-seladas expansíveis em redes de distribuição tem aumentado. As RMUs semi-seladas têm compartimentos de gás independentes para cada unidade, facilitando a expansão, instalação e substituição. Atualmente, as RMUs amplamente utilizadas incluem o SM6 da Schneider, o Uniswitch da ABB e o 8DH10 da Siemens. À medida que os fabricantes domésticos gradualmente dominam a tecnologia de chaves de carga SF6, a quantidade e a qualidade das RMUs SF6 produzidas localmente estão melhorando constantemente. No entanto, atualmente, o mercado para RMUs SF6 de 10kV e 20kV ainda é predominantemente dominado por empresas estrangeiras (como a Schneider ou a ABB).

2. Problemas com as Unidades de Anel Principal SF6

2.1 Conteúdo de Umidade no Gás SF6

As RMUs SF6 raramente vêm com relatórios de teste de conteúdo de umidade. Como operadores do equipamento, as empresas de fornecimento de energia frequentemente não conseguem medir o conteúdo de umidade por si mesmas. O nível de umidade no gás SF6 afeta diretamente seu desempenho de extinção de arco e o desempenho operacional seguro do equipamento. Para RMUs SF6 que já estão em operação há anos, avaliar o estado de sua capacidade de extinção de arco é um desafio.

2.2 Problemas de Vazamento de Gás SF6

As RMUs SF6 podem ter problemas de vedação levando a vazamentos de gás. A experiência prática mostra que, embora o equipamento importado geralmente tenha bom desempenho de vedação, incidentes de vazamento ainda ocorrem. Como a maioria das unidades não possui dispositivos de monitoramento de gás, os usuários podem não estar cientes dos vazamentos, potencialmente criando perigos ocultos. Isso é particularmente preocupante em relação ao desempenho (isolamento, comutação, etc.) da RMU sob pressão zero e sua capacidade de suportar falhas de arco internas. Muitos desses produtos usam mecanismos de operação manual, e os operadores trabalham em proximidade. Um acidente poderia ter consequências graves. Atualmente, incluir um indicador de pressão tornou-se um requisito obrigatório, incluído como um acessório necessário para RMUs semi-seladas.

2.3 Problemas de Mecanismo

Na proteção de transformadores de distribuição, unidades combinadas usando chaves de carga mais fusíveis são comuns. A chave de carga interrompe a corrente de carga, e o fusível interrompe as correntes de curto-circuito e sobrecarga. Na rede de distribuição de Hebei, ocorreram incidentes com RMUs totalmente seladas onde o fusível fundiu, mas a chave de carga não abriu de forma confiável, impedindo que o transformador com falha fosse desenergizado, causando danos graves. A causa foi um curso excessivo no fio de disparo do mecanismo de operação controlado para o disparo, que impediu a força de impacto do pino de percussão do fusível de ativar com sucesso o mecanismo de disparo da chave de carga. Este defeito pode ser resolvido ajustando o fio de disparo e o aperto das porcas. Além disso, simular a operação do fusível para unidades de alimentação de transformador foi incluída como um teste pré-comissionamento obrigatório.

2.4 Problema de Material do Escudo de Equalização

As RMUs semi-seladas geralmente não podem usar terminações de cabo tocáveis. Escudos de equalização são frequentemente usados para resolver a distância insuficiente entre fases nos pontos de conexão das terminações de cabo. No entanto, escudos de equalização de alumínio são altamente suscetíveis a ambientes úmidos. Mesmo quando usados com aquecedores anti-condensação, sua eficácia em condições úmidas é limitada. Em sistemas de distribuição de 20kV, foi observada corrosão severa desses escudos. A rugosidade da superfície e os produtos de corrosão brancos e em pó perturbam a uniformidade do campo elétrico na superfície do escudo, anulando o efeito de equalização. Devido às pequenas distâncias entre fases em torno dos escudos, combinadas com variações diurnas de temperatura, a condensação se forma na parte inferior do compartimento de gás e pode fluir de volta para a área do escudo, criando um caminho de descarga. O material de epóxi das barreiras isolantes na parte inferior do compartimento de gás pode sofrer corrosão elétrica severa, eventualmente levando a caminhos de descarga entre fases e, finalmente, a falhas de isolamento superficial. Este processo de descarga é gradual. Para lidar com a condensação, as empresas de fornecimento de energia podem modificar o escudo de equalização da RMU, mudando para tampas de cabo de silicone. Essas tampas usam internamente uma camada semicondutora, que ainda pode fornecer um efeito de equalização. O design aprimorado da RMU passou por testes de condensação e resistência a tensão e está programado para operação piloto na rede de distribuição.

3. Recomendações para a Seleção de RMUs SF6

(1) Escolha RMUs expansíveis: Sua configuração flexível, instalação fácil e facilidade de expansão representam a direção futura para o uso de RMUs SF6.

(2) Considere a manutenção: Idealmente, a chave de carga SF6 deve ser equipada com um dispositivo para monitorar a pressão do SF6. Caso contrário, deve ter passado por um teste de comutação sob pressão zero.

(3) Considere o clima e a localização: Selecione produtos que tenham passado por testes de condensação. Para pequenas unidades de anel principal, como unidades terminais, onde a expansão futura não é considerada, o uso de RMUs totalmente seladas pode reduzir significativamente o impacto da condensação no equipamento.

Resumo

Anos de prática operacional mostram que, entre os vários tipos de RMU, as RMUs SF6 oferecem alto desempenho, confiabilidade, tamanho compacto, baixa exigência de espaço e mínima manutenção, levando à sua aplicação mais ampla. Considerando vários fatores, como custos de manutenção, investimentos secundários e confiabilidade, recomenda-se, onde as condições permitirem, priorizar o uso de RMUs SF6 em projetos de renovação e construção de redes de distribuição. Durante o planejamento e a construção, deve-se dar suficiente consideração à incorporação de dispositivos de automação e à adoção de equipamentos seguros, confiáveis e avançados para melhorar os níveis de distribuição, tornando a rede de distribuição mais confiável e segura.