SF₆ vs. RMUs aislados sólidamente: ¿Cuál es mejor para su sistema de distribución de energía?
1 Red de anillo de suministro eléctrico y unidades de red principal
Con el avance de la urbanización, la demanda de mayor confiabilidad en la distribución de energía continúa creciendo, y un número cada vez mayor de usuarios requiere dos o más fuentes de suministro de energía. El método tradicional de "suministro radial" enfrenta desafíos como dificultades en la instalación de cables, detección complicada de fallas e inflexibilidad en las actualizaciones y expansiones de la red. En contraste, el "suministro de red en anillo" permite fuentes de alimentación duales o múltiples para cargas críticas, simplifica las líneas de distribución, facilita la colocación de cables, reduce el número de equipos de conmutación, disminuye las tasas de fallo y hace que la localización de fallas sea más fácil.
1.1 Suministro de red en anillo
El suministro de red en anillo se refiere a una configuración donde dos o más líneas de salida de diferentes subestaciones o diferentes barras de la misma subestación están interconectadas para formar un bucle cerrado para la distribución de energía. Su principal ventaja es que cada rama de distribución puede recibir energía de cualquiera de los lados del anillo. Si falla uno de los lados, la energía aún puede suministrarse desde el otro lado. Aunque opera en modo de un solo bucle, cada rama logra efectivamente un nivel de confiabilidad de fuente de energía dual, lo que mejora significativamente la confiabilidad del sistema. En China, los sistemas de red en anillo urbanos siguen el "criterio de seguridad N-1", lo que significa que si falla cualquiera de las N cargas, las N-1 restantes pueden seguir siendo alimentadas de manera segura sin interrupción o reducción de carga.
1.2 Configuraciones de conexión de red en anillo
(1) Conexión básica en anillo: Fuente de energía única con los cables formando un anillo, asegurando el suministro continuo de energía a otras cargas si falla un tramo de cable (ver Fig. 1).
(2) Conexión en anillo desde diferentes barras: Dos fuentes de energía, típicamente operadas en modo de anillo abierto, ofreciendo alta confiabilidad y operación flexible (ver Fig. 2).
(3) Configuración de anillo único: Fuentes de energía derivadas de diferentes subestaciones o barras; el mantenimiento en cualquier tramo de cable no interrumpe el suministro de energía a ninguna carga (ver Fig. 3).
(4) Configuración de doble anillo: Cada carga es suministrada por dos redes en anillo independientes, proporcionando una confiabilidad extremadamente alta (ver Fig. 4).
(5) Conexión doble "T" de doble alimentación: Dos líneas de cable conectadas a diferentes secciones de barra, permitiendo que cada carga reciba energía de ambas líneas. Esta configuración asegura un suministro de energía casi continuo para usuarios de doble fuente y es especialmente adecuada para aplicaciones críticas (ver Fig. 5).
1.3 Unidades de red principal y sus características
Una unidad de red principal (RMU) es un equipo de conmutación utilizado en sistemas de red en anillo, que generalmente incorpora interruptores de carga, interruptores automáticos, combinaciones de interruptores-fusibles, acopladores de barras, dispositivos de medición, transformadores de voltaje o cualquier combinación de estos. Las RMUs son compactas, ahorran espacio, son rentables, fáciles de instalar y rápidas de poner en servicio, satisfaciendo la demanda de "miniaturización de equipos". Se utilizan ampliamente en comunidades residenciales, edificios públicos, subestaciones de pequeñas y medianas empresas, estaciones de conmutación secundarias, subestaciones montadas en pedestal y cajas de distribución de cables.
1.4 Tipos de unidades de red principal
RMUs aisladas por aire: Utilizan el aire como medio aislante; estas unidades son grandes, requieren más espacio y son susceptibles a las condiciones ambientales.
RMUs SF₆: Utilizan gas hexafluoruro de azufre (SF₆) como medio aislante y extintor de arco. El interruptor principal está sellado en un recipiente metálico lleno de SF₆, mientras que el mecanismo de operación se encuentra en el exterior. El diseño sellado minimiza el impacto ambiental y permite un tamaño mucho más pequeño en comparación con las unidades aisladas por aire. Las RMUs SF₆ son actualmente el tipo más ampliamente utilizado.
RMUs aisladas sólidamente: Utilizan materiales de aislamiento sólido (por ejemplo, resina epoxi) para encapsular y fundir los interruptores y todas las partes vivas. Este diseño reduce las distancias de aislamiento entre fases y entre fase y tierra, resultando en dimensiones compactas comparables a las RMUs SF₆. Además, eliminan las emisiones de SF₆ y pueden lograr una operación sin mantenimiento.
2 Limitaciones de las unidades de red principal SF₆
El SF₆ es un contribuyente importante al efecto invernadero. A pesar de sus excelentes propiedades eléctricas, como alta resistencia dieléctrica, extinción eficaz de arcos, buena estabilidad térmica y fuerte electronegatividad, y su insensibilidad a la humedad, contaminación y altitudes elevadas, lo que lo hace ideal para equipos eléctricos compactos, el SF₆ se reconoce como un potente gas de efecto invernadero. Aproximadamente el 80% de la producción global de SF₆ se utiliza en la industria eléctrica. Tanto el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC) como la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) clasifican al SF₆ como uno de los gases de efecto invernadero más perjudiciales. La Regulación de Gases F de la UE (2006) prohíbe el uso de SF₆ en la mayoría de las aplicaciones, excepto donde no existen alternativas viables para los equipos de conmutación eléctrica.
Además, las RMUs SF₆ implican una alta complejidad de uso y una inversión significativa, requiriendo diversos equipos auxiliares:
Sistemas de detección de fugas de SF₆ para monitorear la fuga de gas, concentración, niveles de oxígeno y contenido de humedad.
Equipos de recuperación de SF₆: Durante la interrupción del arco, se generan subproductos como el SF₄; por lo tanto, al final de su vida útil, no solo se debe recuperar el SF₆ residual, sino que también se deben tratar de manera especial los subproductos tóxicos.
Sistemas de purificación de SF₆ para limpiar y reutilizar el gas.
Sistemas de ventilación en subestaciones.
Al utilizar RMUs SF₆, se deben observar las siguientes medidas:
Minimizar las fugas de SF₆. Aunque las RMUs SF₆ utilizan recipientes sellados con sobrepresión, la fuga de gas es inevitable. La presión reducida del gas disminuye la confiabilidad de la conmutación, poniendo en peligro directamente la seguridad del personal y acortando la vida útil del equipo.
El personal debe realizar ventilación forzada y usar equipo de protección especializado antes de entrar en subestaciones con equipos SF₆.
Las operaciones son complejas, requiriendo formación exhaustiva y repetitiva para el personal relevante.
3 Características y aplicaciones de las unidades de red principal aisladas sólidamente
Los riesgos ambientales potenciales asociados con las unidades de red principal (RMUs) aisladas con SF₆ han limitado su desarrollo adicional, convirtiendo la búsqueda de alternativas al SF₆ en un enfoque de investigación clave a nivel mundial. Las RMUs aisladas sólidamente fueron desarrolladas e introducidas por primera vez por la Corporación Eaton de los Estados Unidos a finales de la década de 1990. Estas unidades no producen gases perjudiciales durante su operación, no tienen impacto ambiental, ofrecen mayor confiabilidad y logran una operación verdaderamente sin mantenimiento.
Una RMU aislada sólidamente integra interrumpidores de vacío, interruptores de desconexión, interruptores de tierra, conductores principales, barras de distribución o combinaciones de estos, encapsulados dentro de resina epoxi u otros materiales de aislamiento sólido. Estos componentes están sellados en módulos funcionales completamente aislados y sellados que pueden ser reconfigurados o expandidos. Se aplican capas de blindaje conductoras o semiconductoras a las superficies exteriores de los módulos accesibles al personal, asegurando una puesta a tierra confiable.
3.1 Características de las unidades de red principal aisladas sólidamente
(1) Diseño respetuoso con el medio ambiente. Estas unidades no utilizan SF₆ como medio de aislamiento o extinción de arcos. En su lugar, emplean interrumpidores de vacío para la conmutación y materiales primarios de aislamiento benignos y reciclables. Al minimizar el número de componentes, garantizan un bajo consumo de energía y una menor tasa de fallos durante la operación.
(2) Verdaderamente sin mantenimiento. Las RMUs aisladas sólidamente eliminan la necesidad de contenedores de presión de SF₆. El aislamiento interno y la interrupción de arcos dependen de la tecnología de vacío, mientras que el aislamiento externo utiliza materiales sólidos como carcasas aislantes. A través de la tecnología de encapsulado, el interrumpidor de vacío, el camino conductor principal y los soportes de aislamiento se integran en una sola unidad sellada dentro de un envolvente metálico, haciendo que el rendimiento sea inmune a factores ambientales externos. La estructura completamente aislada y sellada elimina la necesidad de detección de fugas de SF₆, recarga de gas y disposición de residuos, permitiendo una operación verdaderamente sin mantenimiento.
(3) Alta rentabilidad. Aunque la inversión inicial para las RMUs aisladas sólidamente es ligeramente superior a la de las RMUs SF₆, el costo total del ciclo de vida es significativamente menor, como se muestra en la Tabla 1. Los usuarios están considerando cada vez más factores comprehensivos como riesgos de seguridad, calidad de energía, control de costos y sostenibilidad, no solo el precio de compra inicial, sino también el costo total de propiedad. Los costos acumulativos de mantenimiento, recarga de gas, gestión de fugas y recuperación al final de la vida útil de las RMUs SF₆ pueden acercarse a su costo de compra inicial, mientras que las RMUs aisladas sólidamente no requieren costos adicionales después de la instalación. Por lo tanto, desde una perspectiva a largo plazo, las RMUs aisladas sólidamente ofrecen beneficios económicos superiores.
(4) Estructura compacta. Diseñadas para ser lo más compactas posible mientras se asegura la seguridad y facilidad de operación, estas unidades tienen una huella y volumen más pequeños incluso que las RMUs SF₆, ayudando a los usuarios a ahorrar espacio y lograr beneficios económicos directos.
(5) Resistencia a fallas de arco internas, mayor seguridad y confiabilidad. Según informes de Exnis, se producen pérdidas significativas debido a arcos internos en equipos de conmutación primaria y secundaria al menos una vez al año. La mayoría de las RMUs aisladas sólidamente incorporan diseños resistentes a arcos que minimizan el impacto de los arcos internos, asegurando una operación más segura y confiable.
(6) Brechas de aislamiento visibles. Equipadas con ventanas de observación, estas unidades permiten la inspección visual directa de los contactos del interruptor de desconexión de tres posiciones, asegurando puntos de interrupción visibles y mejorando la seguridad del operador.
(7) Capacidad inteligente. Las RMUs aisladas sólidamente son más adaptables a la automatización de la distribución. Al instalar unidades terminales de distribución (DTUs) y dispositivos de comunicación, se pueden implementar fácilmente funciones como monitoreo de estado, control remoto ("cuatro-remotos"), comunicación, autodiagnóstico y registro de eventos.
3.2 Estado actual de aplicación
Actualmente, la adopción generalizada de las RMUs aisladas sólidamente está limitada por su costo relativamente alto y procesos de fabricación complejos. Su producción requiere una precisión técnica superior a la de las RMUs aisladas con SF₆. Técnicas de fabricación inadecuadas pueden llevar a mayores riesgos de aislamiento, probabilidades de fallos más altas y mayores peligros en comparación con las RMUs SF₆, lo que requiere un control estricto de la calidad de las materias primas y los estándares de proceso. Además, las configuraciones de cableado de las RMUs aisladas sólidamente son menos flexibles, especialmente para unidades funcionales como gabinetes de transformadores de potencial (PT) y gabinetes de medición, ofreciendo opciones limitadas y restringiendo su aplicación y desarrollo.
Con la optimización continua de los procesos de producción y la creciente estandarización, la calidad de las RMUs aisladas sólidamente se está volviendo más estable y los precios están disminuyendo gradualmente. Algunos países ofrecen incentivos del 5% al 10% para productos que no utilicen SF₆ para reducir emisiones. Esto anima a los usuarios a considerar los costos totales del ciclo de vida en lugar de solo el precio de compra inicial. Siguiendo las prácticas internacionales, las RMUs aisladas sólidamente pueden priorizarse en proyectos sensibles al medio ambiente o nuevos, como comunidades residenciales, edificios públicos e infraestructura municipal, mientras se va reemplazando gradualmente a las RMUs SF₆.
Las RMUs SF₆ envejecidas o al final de su vida útil pueden reemplazarse sistemáticamente según la vida útil especificada por el fabricante. Los subsidios para los usuarios que adopten RMUs aisladas sólidamente ecológicas pueden apoyar aún más la consideración de los costos totales del ciclo de vida, promover la adopción del producto y avanzar en tecnologías responsables con el medio ambiente. A medida que aumenta la conciencia ambiental, las RMUs aisladas sólidamente, como una de las alternativas a las RMUs SF₆, reemplazarán gradualmente una parte de las unidades SF₆ existentes y tendrán una aplicación generalizada, demostrando un fuerte potencial de mercado.
4 Conclusión
Las RMUs aisladas sólidamente son técnicamente comparables a las RMUs SF₆ y poseen ventajas únicas como cero emisiones perjudiciales, operación verdaderamente sin mantenimiento y costos totales de ciclo de vida más bajos, lo que las hace cada vez más atractivas para los usuarios. El "Primer Catálogo de Tecnologías Clave de Nueva Generación para Promoción Prioritaria" de la Corporación Estatal de la Red de China (2011) afirmó que, considerando las tendencias hacia una mayor confiabilidad técnica y requisitos ambientales más estrictos, las RMUs aisladas sólidamente están preparadas para reemplazar completamente a las RMUs SF₆.
Además, la "Especificación Técnica para Unidades de Red Principal Aisladas Sólidamente de 12 kV" emitida por la Corporación Estatal de la Red de China en 2012 confirmó que las RMUs aisladas sólidamente son técnicamente capaces de satisfacer las demandas operativas complejas y representan una nueva dirección en el desarrollo de las RMUs, mereciendo una promoción activa. Esto marca el reconocimiento formal de las RMUs aisladas sólidamente por parte de la industria y la comunidad técnica. Como una alternativa viable a las RMUs SF₆, las RMUs aisladas sólidamente reemplazarán gradualmente una parte de las unidades SF₆ existentes, logrando una aplicación generalizada y demostrando excelentes perspectivas de desarrollo futuro.
