SF₆ vs. RMUs aislados sólidamente: Cal é mellor para o teu sistema de distribución de enerxía?
1 Rede de enerxía eléctrica en anel e unidades de distribución en anel
Co avance da urbanización, a demanda de maior fiabilidade na distribución de enerxía eléctrica continua a aumentar, e un número cada vez maior de usuarios requiren dúas ou máis fontes de abastecemento. O método tradicional de "abastecemento radial" fíxase ante desafíos como dificultades na instalación de cables, detección complicada de fallos e inflexibilidade nas actualizacións e ampliacións da rede. En contraste, o "abastecemento en anel" permite fontes de enerxía duales ou múltiples para cargas críticas, simplifica as liñas de distribución, facilita a colocación de cables, reduce o número de equipamentos de conmutación, baixa as taxas de fallo e facilita a localización de fallos.
1.1 Abastecemento en anel
O abastecemento en anel refírese a unha configuración onde dúas ou máis liñas de saída de subestacións diferentes ou de barras diferentes da mesma subestación están interconectadas para formar un bucle pechado para a distribución de enerxía. A súa principal vantaxe é que cada rama de distribución pode recibir enerxía de calquera lado do anel. Se un lado falla, a enerxía aínda pode ser suministrada desde o outro lado. Aínda que funcione en modo de anel único, cada rama logra eficazmente un nivel de fiabilidade de dúas fontes de enerxía, mellorando significativamente a fiabilidade do sistema. En China, os sistemas de anel urbano siguen o "criterio de seguridade N-1", o que significa que se calquera das N cargas falla, as restantes N-1 cargas aínda poden ser alimentadas de forma segura sen interrupción ou descarga de carga.
1.2 Configuracións de conexión en anel
(1) Conexión básica en anel: Fonte de enerxía única con os cables formando un anel, asegurando o suministro continuo de enerxía a outras cargas se falla unha sección de cable (ver Fig. 1).
(2) Conexión en anel desde diferentes barras: Dúas fontes de enerxía, xeralmente operadas en modo de anel aberto, ofrecendo alta fiabilidade e operación flexible (ver Fig. 2).
(3) Configuración de anel único: Fontes de enerxía derivadas de diferentes subestacións ou barras; a manutención de calquera sección de cable non interrompe a enerxía a calquera carga (ver Fig. 3).
(4) Configuración de duple anel: Cada carga é alimentada desde dúas redes en anel independentes, proporcionando extremadamente alta fiabilidade (ver Fig. 4).
(5) Conexión duple "T" de duplo abastecemento: Dúas liñas de cable conectadas a diferentes seccións de barra, permitindo que cada carga reciba enerxía de ambas as liñas. Esta configuración asegura un suministro de enerxía case continuo para usuarios de duplo abastecemento e é especialmente adecuada para aplicacións críticas (ver Fig. 5).
1.3 Unidades de distribución en anel e as súas características
Unha unidade de distribución en anel (RMU) é un equipamento de conmutación usado en sistemas de distribución en anel, xeralmente incorporando interruptores de carga, interruptores automáticos, combinacións de fusibles-interruptores, acopladores de barras, dispositivos de medida, transformadores de tensión, ou calquera combinación destes. As RMUs son compactas, poupadoras de espazo, económicas, fáciles de instalar e rápidas de comisionar, atendendo á demanda de "miniaturización de equipos". Son ampliamente utilizadas en comunidades residenciais, edificios públicos, subestacións de pequenas e medianas empresas, subestacións secundarias, subestacións montadas en pedestal e caixas de distribución de cables.
1.4 Tipos de unidades de distribución en anel
RMUs aisladas por aire: Utilizan o aire como medio aislante; estas unidades son grandes en tamaño, requieren máis espazo e son susceptibles a condicións ambientais.
RMUs SF₆: Utilizan gas hexafluoruro de azufre (SF₆) como medio aislante e de extinción de arco. O interruptor principal está selado nun encerramento metálico cheo de SF₆, mentres que o mecanismo de operación está situado no exterior. O deseño selado minimiza o impacto ambiental e permite unha pegada significativamente menor comparado cos unidades aisladas por aire. As RMUs SF₆ son actualmente o tipo máis ampliamente utilizado.
RMUs aisladas sólidas: Empregan materiais de aislamiento sólido (por exemplo, resina epoxi) para encapsular e fundir os interruptores e todas as partes vivas. Este deseño reduz as distancias de aislamento entre fases e entre fase y tierra, resultando en dimensións compactas comparables ás RMUs SF₆. Ademais, eliminan as emisións de SF₆ e poden lograr un funcionamento libre de manutención.
2 Limitacións das unidades de distribución en anel SF₆
O SF₆ é un importante contribuínte ao efecto invernadero. A pesar das súas excelentes propiedades eléctricas, como a alta resistencia dieléctrica, a efectiva extinción de arcos, a boa estabilidade térmica e a forte electronegatividade, e a súa insensibilidade á humidade, contaminación e altitudes elevadas, que o fan ideal para equipos eléctricos compactos, o SF₆ está recoñecido como un potente gas de efecto invernadero. Aproximadamente o 80% da produción mundial de SF₆ emprega-se na industria eléctrica. Tanto o Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC) como a Agencia de Protección Ambiental dos Estados Unidos (EPA) clasifican o SF₆ como un dos gases de efecto invernadero máis perniciosos. A regulación F-Gas da UE (2006) prohibe o uso de SF₆ en moitas aplicacións, excepto onde non existan alternativas viables para equipos de conmutación eléctrica.
Ademais, as RMUs SF₆ implican un uso complexo e unha investimento significativa, requirindo diversos equipos auxiliares:
Sistemas de detección de fugas de SF₆ para monitorizar a fuga de gas, concentración, niveles de oxíxeno e contido de humidade.
Equipos de recuperación de SF₆: Durante a interrupción de arcos, xéranse subproductos como SF₄; así, ao final da vida útil, non só debe recuperarse o SF₆ residual, senón que tamén deben tratarse de xeito especial os subproductos tóxicos.
Sistemas de purificación de SF₆ para limpar e reutilizar o gas.
Sistemas de ventilación en subestacións.
Ao utilizar RMUs SF₆, deben observarse as seguintes medidas:
Minimizar as fugas de SF₆. Aínda que as RMUs SF₆ usen encerramentos selados a sobrepresión, a fuga de gas é inevitábel. A presión reducida do gas baixa a fiabilidade de conmutación, ponendo en perigo directo a seguridade do persoal e acortando a vida útil do equipo.
O persoal debe realizar ventilación forzada e usar equipamento protector especializado antes de entrar en subestacións con equipos SF₆.
As operacións son complejas, requirindo formación exhaustiva e repetida para o persoal relevante.
3 Características e aplicacións das unidades de distribución en anel aisladas sólidamente
Os perigos ambientais asociados coas unidades de distribución en anel SF₆ (RMUs) limitaron o seu desenvolvemento adicional, facendo que a busca de alternativas ao SF₆ sexa un foco de investigación clave a nivel mundial. As RMUs aisladas sólidamente foron desenvolvidas e introducidas por primeira vez pola Eaton Corporation dos Estados Unidos a finais dos anos 90. Estas unidades non producen gases nocivos durante a súa operación, non teñen impacto ambiental, ofrecen maior fiabilidade e logran un verdadeiro funcionamento libre de manutención.
Unha RMU aislada sólidamente integra interrumpidores de vacío, interruptores de separación, interruptores de aterramento, conductores principais, barras de distribución, ou combinacións destes, encapsulados dentro de resina epoxi ou outros materiais de aislamiento sólido. Estas compoñentes están seladas en módulos funcionais totalmente aislados e selados que poden recombinarse ou expandirse. Aplicanse capas de blindaxe condutoras ou semicondutoras ás superficies externas dos módulos accesibles ao persoal, asegurando unha aterrado fiable.
3.1 Características das unidades de distribución en anel aisladas sólidamente
(1) Diseño respetuoso co medio ambiente. Estas unidades non usan SF₆ como medio de aislamento ou extinción de arco. En cambio, empregan interrumpidores de vacío para a conmutación e materiais primarios de aislamiento benévolos co medio ambiente e reciclables. Minimizando o número de compoñentes, aseguran un consumo de enerxía baixo e taxas de fallo reducidas durante a operación.
(2) Verdadeiramente libres de manutención. As RMUs aisladas sólidamente eliminan a necesidade de recipientes de presión de SF₆. O aislamento interno e a interrupción de arcos dependen da tecnoloxía de vacío, mentres que o aislamento externo usa materiais sólidos como cajas de aislamento. A través da tecnoloxía de colada, o interrumpidor de vacío, o camiño conductor principal e os soportes de aislamento están integrados nunha unidade selada dentro dun encerramento metálico, facendo que o rendemento sexa inmune a factores ambientais externos. A estrutura totalmente aislada e selada elimina a necesidade de detección de fugas de SF₆, repostar de gas e disposición de residuos, permitindo un verdadeiro funcionamento libre de manutención.
(3) Alta rentabilidade. Aínda que a inversión inicial para as RMUs aisladas sólidamente é ligeiramente superior á das RMUs SF₆, o custo total do ciclo de vida é significativamente menor, como mostra a Táboa 1. Os usuarios están considerando cada vez máis factores comprehensivos como riscos de seguridade, calidade da enerxía, control de custos e sustentabilidade, non só o prezo de compra inicial, senón tamén o custo total de posse. Os custos acumulados de manutención, repostar de gas, xestión de fugas e recuperación ao final da vida útil para as RMUs SF₆ poden aproximar ao seu prezo de compra inicial, mentres que as RMUs aisladas sólidamente non requiren custos adicionais despois da instalación. Así, a longo prazo, as RMUs aisladas sólidamente ofrecen beneficios económicos superiores.
(4) Estructura compacta. Diseñadas para ser tan compactas como sea posible, asegurando seguridade e facilidade de operación, estas unidades teñen unha pegada e volumen menor incluso que as RMUs SF₆, axudando aos usuarios a ahorrar espazo e a lograr beneficios económicos directos.
(5) Resistencia a fallos de arco internos, seguridade e fiabilidade aumentadas. Segundo informes de Exnis, as perdas significativas debido a arcos internos en equipos de conmutación primaria e secundaria ocorren polo menos unha vez ao ano. A maioría das RMUs aisladas sólidamente incorporan deseños resistentes a arcos que minimizan o impacto dos arcos internos, asegurando un funcionamento máis seguro e fiable.
(6) Brechas de aislamento visibles. Equipadas con ventanas de observación, estas unidades permiten a inspección visual directa dos contactos do interruptor de separación de tres posicións, asegurando puntos de ruptura visibles e aumentando a seguridade do operador.
(7) Capacidades inteligentes. As RMUs aisladas sólidamente son máis adaptables á automatización de distribución. Instalando unidades terminais de distribución (DTUs) e dispositivos de comunicación, as funcións como a monitorización de estado, o control remoto ("funcións de catro remotos"), a comunicación, o autodiagnóstico e o rexistro de eventos poden implementarse facilmente.
3.2 Estado actual da aplicación
Actualmente, a adopción xeralizada das RMUs aisladas sólidamente está limitada polo seu custo relativamente alto e procesos de fabricación complexos. A súa produción require unha precisión técnica superior ás RMUs aisladas con SF₆. Técnicas de fabricación inadequadas poden levar a maiores riscos de aislamento, maiores probabilidades de fallo e maiores perigos en comparación cos RMUs SF₆, requirindo un control estrito sobre a calidade dos materias primas e os estándares de proceso. Ademais, as configuracións de cableado das RMUs aisladas sólidamente son menos flexibles, especialmente para unidades funcionais como armarios de transformadores de potencial (PT) e armarios de medida, ofrecendo opcións limitadas e restrinxindo a súa aplicación e desenvolvemento.
Con a optimización continua dos procesos de fabricación e a crecente estandarización, a calidade das RMUs aisladas sólidamente está a tornarse máis estable, e os prezos están a diminuír gradualmente. Algunhas países ofrecen incentivos do 5% al 10% para produtos que non usan SF₆ para reducir emisións. Isto anima aos usuarios a considerar o custo total do ciclo de vida en lugar do prezo de compra inicial. Basándose en prácticas internacionais, as RMUs aisladas sólidamente poden priorizarse en proxectos sensibles ao medio ambiente ou novos, como comunidades residenciais, edificios públicos e infraestrutura municipal, mentres que se van substituíndo gradualmente as RMUs SF₆.
As RMUs SF₆ envejecidas ou ao final da súa vida útil poden ser substituídas de forma sistemática baseándose na vida útil especificada polo fabricante. Subvencións para os usuarios que adoptan RMUs aisladas sólidamente eco-friendly poden apoiar a consideración do custo total do ciclo de vida, promover a adopción do produto e avanzar en tecnoloxías responsables co medio ambiente. A medida que crece a consciencia ambiental, as RMUs aisladas sólidamente, como unha das alternativas ás RMUs SF₆, irán substituíndo gradualmente unha parte das unidades SF₆ existentes e obterán unha aplicación xeralizada, demostrando un gran potencial de mercado.
4 Conclusión
As RMUs aisladas sólidamente son tecnologicamente comparables ás RMUs SF₆ e posúen ventaxes únicas como emisións nulas de gases nocivos, verdadeiro funcionamento libre de manutención e custos totais de ciclo de vida menores, facendo que sexan cada vez máis atractivas para os usuarios. O "Primeiro Catálogo de Tecnoloxías Novas Prioritarias para Promoción" da State Grid Corporation of China (2011) afirmou que, tendo en conta as tendencias cara a unha maior fiabilidade técnica e requisitos ambientais máis estritos, as RMUs aisladas sólidamente están preparadas para substituír completamente as RMUs SF₆.
Ademais, a "Especificación Técnica para Unidades de Distribución en Anel Aisladas Sólidamente de 12 kV" emitida pola State Grid Corporation en 2012 confirmou que as RMUs aisladas sólidamente son técnicamente capaces de atender demandas operativas complexas e representan unha nova dirección no desenvolvemento de RMUs, merecendo unha promoción activa. Isto marca o recoñecemento formal das RMUs aisladas sólidamente pola industria e a comunidade técnica. Como alternativa viable ás RMUs SF₆, as RMUs aisladas sólidamente substituirán gradualmente unha parte das unidades SF₆ existentes, logrando unha aplicación xeralizada e demostrando excelentes perspectivas de desenvolvemento futuro.
