SF₆ vs. RMUs aïllats sòlidament: Quin és millor per al vostre sistema de distribució d'energia?
1 Xarxa en anell de subministrament elèctric i unitats principals d'anell
Amb l'avanç de la urbanització, la demanda de més fiabilitat en la distribució d'electricitat continua augmentant, i un nombre cada vegada més gran d'usuaris necessiten dos o més fonts de subministrament. El mètode tradicional de "subministrament radial" es troba amb reptes com dificultats en la instal·lació dels cables, detecció complicada d'errors i inflexibilitat en les actualitzacions i ampliacions de la xarxa. En canvi, el "subministrament en xarxa en anell" permet fonts de subministrament dobles o múltiples per a càrregues crítiques, simplifica les línies de distribució, facilita la col·locació dels cables, reduïu el nombre de quadres de distribució, disminueix les taxes d'error i fa més fàcil la localització d'errors.
1.1 Subministrament en xarxa en anell
El subministrament en xarxa en anell es refereix a una configuració on dues o més línies de sortida de diferents subestacions o diferents barres de la mateixa subestació estan interconnectades per formar un bucle tancat per a la distribució d'electricitat. La seva principal avantatge és que cada branca de distribució pot rebre electricitat des de qualsevol costat de l'anell. Si un costat falla, encara es pot subministrar electricitat des de l'altre costat. Tot i que opera en mode de bucle únic, cada branca assolir eficientment un nivell de fiabilitat equivalent a una font de subministrament doble, millorant significativament la fiabilitat del sistema. A la Xina, els sistemes de xarxa en anell urbans segueixen el "criteri de seguretat N-1", volent dir que si qualsevol de les N càrregues falla, les restants N-1 càrregues encara poden ser alimentades sense interrupció o baixada de càrrega.
1.2 Configuracions de connexió de la xarxa en anell
(1) Connexió bàsica en anell: Una font de subministrament única amb els cables formant un anell, assegurant el subministrament continu a altres càrregues si una secció del cable falla (vegeu Fig. 1).
(2) Connexió en anell des de diferents barres: Dues fonts de subministrament, normalment operades en mode de bucle obert, oferint alta fiabilitat i operació flexible (vegeu Fig. 2).
(3) Configuració d'un sol anell: Fonts de subministrament derivades de diferents subestacions o barres; la manteniment de qualsevol secció de cable no interromp el subministrament a cap càrrega (vegeu Fig. 3).
(4) Configuració d'anell doble: Cada càrrega es subministra des de dos anells independents, proporcionant una fiabilitat extremadament alta (vegeu Fig. 4).
(5) Connexió doble "T": Dos línies de cable connectades a diferents seccions de barra, permetent que cada càrrega rebi subministrament des d'ambdues línies. Aquesta configuració assegura un subministrament quasi continu per als usuaris amb font doble i és especialment adequada per a aplicacions crítiques (vegeu Fig. 5).
1.3 Unitats principals d'anell i les seves característiques
Una unitat principal d'anell (RMU) és un quadre de distribució utilitzat en sistemes de subministrament en xarxa en anell, que normalment incorpora commutadors de càrrega, interruptors automàtics, combinacions de fusibles-interruptors, couplers de barra, dispositius de mesura, transformadors de tensió, o qualsevol combinació d'aquests. Les RMUs són compactes, pateixen menys espai, són econòmiques, fàcils d'instal·lar i ràpides de posar en marxa, satisfent la demanda de "miniaturització d'equips". Es fan servir ampliament en comunitats residencials, edificis públics, subestacions d'empreses petites i mitjanes, segones subestacions de commutació, subestacions de plataforma i caixes de distribució de cables.
1.4 Tipus d'unitats principals d'anell
RMUs aïllades amb aire: Utilitzen l'aire com a medi aïllant; aquests equips són grans, requereixen més espai i són sensibles a les condicions ambientals.
RMUs SF₆: Utilitzen gas hexafluoruro de sòfrega (SF₆) com a medi aïllant i apagalllam. L'interruptor principal està sellat en un ampollet metàl·lic omplert de SF₆, mentre que el mecanisme d'operació es troba fora. El disseny sellat minimitza l'impacte ambiental i permet un impacte de peu significativament menor en comparació amb les unitats aïllades amb aire. Actualment, les RMUs SF₆ són el tipus més ampliament utilitzat.
RMUs aïllades amb material sòlid: Utilitzen materials aïllants sòlids (per exemple, resina epoxi) per encapsular i fonre els commutadors i totes les parts vives. Aquest disseny redueix les distàncies d'aïllament entre fases i entre fase i terra, resultant en dimensions compactes comparables a les RMUs SF₆. A més, eliminan les emissions de SF₆ i poden aconseguir una operació sense manteniment.
2 Limitacions de les unitats principals d'anell SF₆
El SF₆ és un important contribuent a l'efecte hivernacle. Malgrat les seves excel·lents propietats elèctriques - com una força dielèctrica elevada, extinció efectiva d'arc, bona estabilitat tèrmica i forta electronegativitat - i la seva insensibilitat a l'humitat, la contaminació i les altes altituds, que el fan ideal per a equipaments elèctrics compactes, el SF₆ és reconegut com un potent gas d'efecte hivernacle. Aproximadament el 80% de la producció global de SF₆ es fa servir en l'indústria elèctrica. Tant el Grup Intergovernamental d'Experts sobre el Canvi Climàtic (IPCC) com l'Agència de Protecció Ambiental dels Estats Units (EPA) classifiquen el SF₆ com un dels gasos d'efecte hivernacle més prejudicials. La regulació de la UE sobre gasos fluorats (F-Gas, 2006) prohibeix l'ús de SF₆ en la majoria de les aplicacions, excepte quan no hi ha alternatives viables per a l'equipament de commutació elèctrica.
A més, les RMUs SF₆ involucren una complexitat d'ús elevada i una inversió significativa, requerint diversos equips auxiliars:
Sistemes de detecció de fugues de SF₆ per monitoritzar les fugues, concentració, nivells d'oxigen i humitat.
Equips de recuperació de SF₆: Durant la interrupció de l'arc, es generen subproductes com el SF₄; així, al final de la vida útil, no només cal recuperar el SF₆ residual, sinó també tractar de manera especial els subproductes toxics.
Sistemes de purificació de SF₆ per netejar i reutilitzar el gas.
Sistemes de ventilació en subestacions.
Quan s'utilitzen RMUs SF₆, s'han d'observar les següents mesures:
Minimitzar les fugues de SF₆. Encara que les RMUs SF₆ utilitzen ampollets sellades amb sobrepresió, les fugues de gas són inevitables. La pressió reduïda del gas disminueix la fiabilitat de la commutació, endangerant directament la seguretat del personal i acurtant la vida útil dels equips.
El personal ha de realitzar una ventilació forçada i portar equipament de protecció especial abans d'entrar a les subestacions amb equips SF₆.
Les operacions són complexes i requereixen formació exhaustiva i repetida per al personal rellevant.
3 Característiques i aplicacions de les unitats principals d'anell aïllades amb material sòlid
Els perills ambientals associats amb les RMUs SF₆ han limitat el seu desenvolupament addicional, fent que la cerca d'alternatives al SF₆ sigui un focus de recerca clau a nivell mundial. Les RMUs aïllades amb material sòlid van ser desenvolupades i introduïdes per primera vegada per Eaton Corporation dels Estats Units a finals dels anys 1990. Aquests equips no produeixen gasos nocius durant l'operació, no tenen impacte ambiental, oferint una fiabilitat més elevada i aconseguint una operació realment sense manteniment.
Una RMU aïllada amb material sòlid integra interruptors al buit, commutadors de separació, commutadors de terra, conductors principals, busos de branca, o combinacions d'aquests, encapsulats dins de resina epoxi o altres materials aïllants sòlids. Aquests components estan sellats en mòduls funcionals totalment aïllats i totalment tancats que es poden recombinar o expandir. S'apliquen capes de blindatge conductores o semiconductores a les superfícies exteriors dels mòduls accessibles al personal, assegurant una massa de terra fiable.
3.1 Característiques de les unitats principals d'anell aïllades amb material sòlid
(1) Disseny respectuós amb l'ambient. Aquests equips no utilitzen SF₆ com a medi aïllant o apagalllam. En canvi, utilitzen interruptors al buit per a la commutació i materials primaris aïllants beninns i reciclables. Reduint el nombre de components, asseguren un consum energètic baix i una taxa de falles reduïda durant l'operació.
(2) Realment sense manteniment. Les RMUs aïllades amb material sòlid eliminen la necessitat de contenidors de pressió de SF₆. L'aïllament intern i la interrupció de l'arc depenen de la tecnologia al buit, mentre que l'aïllament extern utilitza materials sòlids com caixes aïllants. A través de la tecnologia de col·locació, l'interruptor al buit, el camí conductor principal i els suports d'aïllament es converteixen en una unitat única sellada dins d'un ampollet metàl·lic, fent que el rendiment sigui immuni a factors ambientals externs. La estructura totalment aïllada i tancada elimina la necessitat de detecció de fugues de SF₆, refil de gas i gestió de residus, permetent una operació realment sense manteniment.
(3) Alta rentabilitat. Tot i que la inversió inicial per a les RMUs aïllades amb material sòlid és lleugerament superior a la de les RMUs SF₆, el cost total del cicle de vida és significativament inferior, tal com es mostra a la Taula 1. Els usuaris estan considerant cada cop més factors comprehensius com riscos de seguretat, qualitat de l'energia, control de costos i sostenibilitat, no només el preu d'adquisició inicial, sinó també el cost total de possessió. Els costos acumulats de manteniment, refil de gas, gestió de fugues i recuperació al final de la vida útil per a les RMUs SF₆ poden arribar al seu preu d'adquisició inicial, mentre que les RMUs aïllades amb material sòlid no requereixen costos addicionals després de la instal·lació. Així, des d'una perspectiva a llarg termini, les RMUs aïllades amb material sòlid ofereixen beneficis econòmics superiors.
(4) Estructura compacta. Dissenyades per ser tan compactes com sigui possible, assegurant la seguretat i facilitat d'operació, aquests equips tenen un impacte de peu i volum menor que fins i tot les RMUs SF₆, ajudant els usuaris a estalviar espai i aconseguir beneficis econòmics directs.
(5) Resistència a fallades d'arc intern, seguretat i fiabilitat millorades. Segons informes de Exnis, es produeixen pèrdues significatives degudes a arcs interns en quadres de commutació primaris i secundaris com a mínim una vegada anual. La majoria de les RMUs aïllades amb material sòlid incorporen dissenys resistents a l'arc que minimitzen l'impacte dels arcs interns, assegurant una operació més segura i fiable.
(6) Gaps d'isolament visibles. Equipades amb finestres d'observació, aquests equips permeten una inspecció visual directa dels contactes del commutador de separació en tres posicions, assegurant punts de ruptura visibles i augmentant la seguretat dels operadors.
(7) Capacitats intel·ligents. Les RMUs aïllades amb material sòlid són més adients a la automatització de la distribució. Instal·lant unitats terminals de distribució (DTUs) i dispositius de comunicació, es poden implementar fàcilment funcions com la monitorització d'estat, control remot ("funcions de quatre remots"), comunicació, autodiagnòstic i registre d'esdeveniments.
3.2 Situació actual de l'aplicació
Actualment, la adopció generalitzada de les RMUs aïllades amb material sòlid està limitada pel seu cost relativament elevat i pels processos de fabricació complexos. La seva producció requereix una precisió tècnica més elevada que les RMUs aïllades amb SF₆. Tècniques de fabricació inadequades poden conduir a riscos d'aïllament més grans, probabilitats d'error més elevades i perills més grans en comparació amb les RMUs SF₆, necessitant un control estrict de la qualitat dels materials bruts i els estàndards de processos. A més, les configuracions de cablat de les RMUs aïllades amb material sòlid són menys flexibles, especialment per a unitats funcionals com armari de transformadors de tensió (PT) i armari de mesura, oferint opcions limitades i restringint la seva aplicació i desenvolupament.
Amb l'optimització contínua dels processos de producció i l'increment de la standardització, la qualitat de les RMUs aïllades amb material sòlid es torna més estable, i els preus es van reduint gradualment. Alguns països oferint incentius del 5% al 10% per a productes que no utilitzen SF₆ per reduir emissions. Això anima els usuaris a considerar els costos totals del cicle de vida en comptes del preu d'adquisició inicial. Adoptant pràctiques internacionals, les RMUs aïllades amb material sòlid poden priorititzar-se en projectes sensibles a l'ambient o nous - com comunitats residencials, edificis públics i infraestructura municipal - mentre es va fent una transició gradual cap a les RMUs SF₆.
Les RMUs SF₆ antigues o al final de la vida útil es poden substituir sistemàticament basant-se en la vida útil especificada pel fabricant. Subsidis per als usuaris que adoptin RMUs aïllades amb material sòlid ecofriendly poden acompanyar més consideracions de costos de cicle de vida, promoure l'adopció del producte i avançar tecnologies responsablement ambientals. Com la consciència ambiental creix, les RMUs aïllades amb material sòlid, com una de les alternatives a les RMUs SF₆, substituiran gradualment una part de les unitats SF₆ existents i guanyaran una aplicació generalitzada, demostrant un fort potencial de mercat.
4 Conclusió
Les RMUs aïllades amb material sòlid són comparables tècnicament a les RMUs SF₆ i posseeixen avantatges únics com zero emissions nocives, operació realment sense manteniment i costos totals de cicle de vida més baixos, fent-les cada vegada més atractives per als usuaris. El "Primer Catàleg de Noves Tecnologies Clau per a la Promoció Prioritària" de la Corporació d'Electricitat d'Estat de Xina (2011) va declarar que, considerant les tendències cap a una fiabilitat tècnica més elevada i requisits ambientals més estrictes, les RMUs aïllades amb material sòlid estan preparades per substituir completament les RMUs SF₆.
A més, la "Especificació Tècnica per a Unitats Principals d'Anell Aïllades amb Material Sòlid de 12 kV" emitida per la Corporació d'Electricitat d'Estat de Xina el 2012 va confirmar que les RMUs aïllades amb material sòlid són tècnicament capaces de satisfer exigències operatives complexes i representen una nova direcció en el desenvolupament de les RMUs, mereixent una promoció activa. Això marca el reconeixement formal de les RMUs aïllades amb material sòlid per part de l'indústria i la comunitat tècnica. Com una alternativa viable a les RMUs SF₆, les RMUs aïllades amb material sòlid substituiran gradualment una part de les unitats SF₆ existents, aconseguint una aplicació generalitzada i demostrant excel·lents prospects de desenvolupament futur.
