SF₆ vs. RMUs com Isolamento Sólido: Qual é Melhor para o Seu Sistema de Distribuição de Energia?
1 Rede Elétrica de Distribuição e Unidades de Distribuição em Anel
Com o avanço da urbanização, a demanda por maior confiabilidade na distribuição de energia continua a crescer, e um número cada vez maior de usuários requer duas ou mais fontes de alimentação. O método tradicional de "alimentação radial" enfrenta desafios como dificuldades na instalação de cabos, detecção complicada de falhas e inflexibilidade nas atualizações e expansões da rede. Em contraste, a "rede elétrica em anel" permite fontes de alimentação duplas ou múltiplas para cargas críticas, simplifica as linhas de distribuição, facilita a colocação de cabos, reduz o número de equipamentos de comutação, diminui as taxas de falha e torna a localização de falhas mais fácil.
1.1 Rede Elétrica de Distribuição em Anel
A rede elétrica de distribuição em anel refere-se a uma configuração onde duas ou mais linhas de saída de diferentes subestações ou barramentos diferentes da mesma subestação são interconectadas para formar um loop fechado para a distribuição de energia. Sua principal vantagem é que cada ramo de distribuição pode receber energia de qualquer lado do anel. Se um lado falhar, a energia ainda pode ser fornecida pelo outro lado. Embora operando em modo de anel único, cada ramo efetivamente atinge um nível de confiabilidade de fonte de alimentação dupla, aumentando significativamente a confiabilidade do sistema. Na China, os sistemas de rede elétrica urbana seguem o "critério de segurança N-1", o que significa que, se qualquer uma das N cargas falhar, as N-1 restantes ainda podem ser alimentadas sem interrupção ou desligamento de carga.
1.2 Configurações de Conexão em Anel
(1) Conexão Básica em Anel: Fonte única de energia com os cabos formando um anel, garantindo o fornecimento contínuo de energia para outras cargas se uma seção de cabo falhar (ver Fig. 1).
(2) Conexão em Anel de Barramentos Diferentes: Duas fontes de energia, geralmente operadas em modo de anel aberto, oferecendo alta confiabilidade e operação flexível (ver Fig. 2).
(3) Configuração de Anel Único: Fontes de energia derivadas de subestações ou barramentos diferentes; manutenção em qualquer seção de cabo não interrompe a energia para qualquer carga (ver Fig. 3).
(4) Configuração de Anel Duplo: Cada carga é alimentada por duas redes independentes em anel, proporcionando confiabilidade extremamente alta (ver Fig. 4).
(5) Conexão Dupla "T": Duas linhas de cabo conectadas a seções diferentes de barramento, permitindo que cada carga receba energia de ambas as linhas. Essa configuração garante fornecimento quase contínuo de energia para usuários com fonte dupla e é especialmente adequada para aplicações críticas (ver Fig. 5).
1.3 Unidades de Distribuição em Anel e Suas Características
Uma unidade de distribuição em anel (RMU) é um equipamento de comutação usado em sistemas de rede elétrica em anel, tipicamente incorporando interruptores de carga, disjuntores, combinações de fusíveis-interruptores, acopladores de barramento, dispositivos de medição, transformadores de tensão, ou qualquer combinação desses. As RMUs são compactas, economizam espaço, são custo-efetivas, fáceis de instalar e rápidas para comissionar, atendendo à demanda por "miniaturização de equipamentos". São amplamente utilizadas em comunidades residenciais, edifícios públicos, subestações de pequenas e médias empresas, estações de comutação secundárias, subestações padronizadas e caixas de distribuição de cabos.
1.4 Tipos de Unidades de Distribuição em Anel
RMUs Isoladas a Ar: Usam ar como meio isolante; essas unidades são grandes, requerem mais espaço e são suscetíveis a condições ambientais.
RMUs SF₆: Utilizam gás hexafluoreto de enxofre (SF₆) como meio isolante e extintor de arco. O interruptor principal é selado em um invólucro metálico preenchido com SF₆, enquanto o mecanismo de operação está localizado externamente. O design selado minimiza o impacto ambiental e permite uma pegada significativamente menor em comparação com as unidades isoladas a ar. As RMUs SF₆ são atualmente o tipo mais amplamente utilizado.
RMUs Isoladas a Sólido: Empregam materiais isolantes sólidos (por exemplo, resina epóxi) para encapsular e moldar os interruptores e todas as partes vivas. Este design reduz as distâncias de isolamento fase-fase e fase-terra, resultando em dimensões compactas comparáveis às RMUs SF₆. Além disso, eliminam as emissões de SF₆ e podem alcançar operação sem manutenção.
2 Limitações das Unidades de Distribuição em Anel SF₆
O SF₆ é um importante contribuinte para o efeito estufa. Apesar de suas excelentes propriedades elétricas, como alta resistência dielétrica, extinção eficaz de arcos, boa estabilidade térmica e forte eletronegatividade, e sua insensibilidade à umidade, poluição e altitudes elevadas, tornando-o ideal para equipamentos elétricos compactos, o SF₆ é reconhecido como um gás de efeito estufa potente. Aproximadamente 80% da produção global de SF₆ é usada na indústria de energia. Tanto o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) quanto a Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA) classificam o SF₆ como um dos gases de efeito estufa mais prejudiciais. O Regulamento F-Gas da UE (2006) proíbe o uso de SF₆ na maioria das aplicações, exceto onde não existem alternativas viáveis para equipamentos de comutação elétrica.
Além disso, as RMUs SF₆ envolvem complexidade de uso alta e investimento significativo, exigindo diversos equipamentos auxiliares:
Sistemas de detecção de vazamento de SF₆ para monitorar vazamento de gás, concentração, níveis de oxigênio e teor de umidade.
Equipamentos de recuperação de SF₆: Durante a interrupção do arco, são gerados subprodutos como SF₄; portanto, no final da vida útil, não apenas o SF₆ residual deve ser recuperado, mas também os subprodutos tóxicos devem ser tratados de forma especial.
Sistemas de purificação de SF₆ para limpar e reutilizar o gás.
Sistemas de ventilação em subestações.
Ao usar RMUs SF₆, as seguintes medidas devem ser observadas:
Minimizar o vazamento de SF₆. Embora as RMUs SF₆ usem invólucros selados sob pressão, o vazamento de gás é inevitável. A redução da pressão do gás diminui a confiabilidade da comutação, ameaçando diretamente a segurança das pessoas e encurtando a vida útil do equipamento.
As equipes devem realizar ventilação forçada e usar equipamentos de proteção especializados antes de entrar em subestações com equipamentos SF₆.
As operações são complexas, exigindo treinamento minucioso e repetido para as equipes relevantes.
3 Características e Aplicações das Unidades de Distribuição em Anel Isoladas a Sólido
Os perigos ambientais associados às RMUs SF₆ limitaram seu desenvolvimento adicional, tornando a busca por alternativas ao SF₆ um foco de pesquisa-chave em todo o mundo. As RMUs isoladas a sólido foram desenvolvidas e introduzidas pela primeira vez pela Eaton Corporation dos Estados Unidos no final dos anos 1990. Essas unidades não produzem gases nocivos durante a operação, não têm impacto ambiental, oferecem maior confiabilidade e alcançam operação verdadeiramente sem manutenção.
Uma RMU isolada a sólido integra interrompedores a vácuo, interruptores de desconexão, interruptores de aterramento, condutores principais, barramentos de ramo, ou combinações desses, encapsulados em resina epóxi ou outros materiais isolantes sólidos. Esses componentes são selados em módulos funcionais totalmente isolados e totalmente selados que podem ser reconfigurados ou expandidos. Camadas de blindagem condutoras ou semicondutoras são aplicadas nas superfícies externas dos módulos acessíveis ao pessoal, garantindo aterramento confiável.
3.1 Características das Unidades de Distribuição em Anel Isoladas a Sólido
(1) Design Ecológico. Essas unidades não usam SF₆ como meio isolante ou extintor de arco. Em vez disso, empregam interrompedores a vácuo para comutação e materiais primários isolantes ambientalmente benignos e recicláveis. Ao minimizar o número de componentes, elas garantem baixo consumo de energia e menores taxas de falha durante a operação.
(2) Realmente Sem Manutenção. As RMUs isoladas a sólido eliminam a necessidade de recipientes de pressão de SF₆. O isolamento interno e a interrupção do arco dependem da tecnologia a vácuo, enquanto o isolamento externo usa materiais sólidos, como casamentos isolantes. Através da tecnologia de potting, o interrompedor a vácuo, o caminho condutor principal e os suportes de isolamento são integrados em uma única unidade selada em um invólucro metálico, tornando o desempenho imune a fatores ambientais externos. A estrutura totalmente isolada e selada elimina a necessidade de detecção de vazamento de SF₆, recarga de gás e disposição de resíduos, permitindo operação realmente sem manutenção.
(3) Alta Rentabilidade. Embora o investimento inicial para RMUs isoladas a sólido seja ligeiramente maior do que o das RMUs SF₆, o custo total do ciclo de vida é significativamente menor, conforme mostrado na Tabela 1. Os usuários estão considerando cada vez mais fatores abrangentes, como riscos de segurança, qualidade de energia, controle de custos e sustentabilidade, não apenas o preço de compra inicial, mas também o custo total de propriedade. Os custos cumulativos de manutenção, recarga de gás, gestão de vazamentos e recuperação no final da vida útil das RMUs SF₆ podem se aproximar do custo de compra inicial, enquanto as RMUs isoladas a sólido não requerem custos adicionais após a instalação. Portanto, a longo prazo, as RMUs isoladas a sólido oferecem benefícios econômicos superiores.
(4) Estrutura Compacta. Projetadas para serem tão compactas quanto possível, garantindo segurança e facilidade de operação, essas unidades têm uma pegada e volume menores até mesmo do que as RMUs SF₆, ajudando os usuários a economizar espaço e obter benefícios econômicos diretos.
(5) Resistência a Falhas de Arco Interno, Segurança e Confiabilidade Aumentadas. De acordo com relatórios Exnis, perdas significativas devido a arcos internos em equipamentos de comutação primária e secundária ocorrem pelo menos uma vez por ano. A maioria das RMUs isoladas a sólido incorpora designs resistentes a arcos que minimizam o impacto de arcos internos, garantindo operação mais segura e confiável.
(6) Lacunas de Isolamento Visíveis. Equipadas com janelas de observação, essas unidades permitem a inspeção visual direta dos contatos do interruptor de três posições, garantindo pontos de corte visíveis e aumentando a segurança do operador.
(7) Capacidades Inteligentes. As RMUs isoladas a sólido são mais facilmente adaptáveis à automação de distribuição. Ao instalar terminais de distribuição (DTUs) e dispositivos de comunicação, funções como monitoramento de estado, controle remoto ("quatro-remotos"), comunicação, autodiagnóstico e registro de eventos podem ser facilmente implementadas.
3.2 Status Atual de Aplicação
Atualmente, a adoção generalizada de RMUs isoladas a sólido é limitada por seu custo relativamente alto e processos de fabricação complexos. Sua produção requer precisão técnica superior às RMUs isoladas a SF₆. Técnicas inadequadas de fabricação podem levar a maiores riscos de isolamento, maiores probabilidades de falha e maiores perigos em comparação com as RMUs SF₆, exigindo controle rigoroso da qualidade de matérias-primas e padrões de processo. Além disso, as configurações de fiação das RMUs isoladas a sólido são menos flexíveis, especialmente para unidades funcionais como gabinetes de transformadores de tensão (PT) e gabinetes de medição, oferecendo opções limitadas e restringindo sua aplicação e desenvolvimento.
Com a otimização contínua dos processos de produção e a crescente padronização, a qualidade das RMUs isoladas a sólido está se tornando mais estável, e os preços estão diminuindo gradualmente. Alguns países oferecem incentivos de 5% a 10% para produtos que não usam SF₆ para reduzir emissões. Isso encoraja os usuários a considerarem o custo total do ciclo de vida, não apenas o preço de compra inicial. Baseando-se nas práticas internacionais, as RMUs isoladas a sólido podem ser priorizadas em projetos sensíveis ao meio ambiente ou novos, como comunidades residenciais, edifícios públicos e infraestrutura municipal, substituindo gradualmente as RMUs SF₆.
RMUs SF₆ envelhecidas ou no final da vida útil podem ser substituídas sistematicamente com base na vida útil especificada pelo fabricante. Subsídios para usuários que adotam RMUs isoladas a sólido ecológicas podem ainda mais apoiar a consideração do custo total do ciclo de vida, promover a adoção do produto e avançar tecnologias ambientalmente responsáveis. À medida que a consciência ambiental aumenta, as RMUs isoladas a sólido, como uma das alternativas às RMUs SF₆, gradualmente substituirão parte das unidades SF₆ existentes e ganharão aplicação generalizada, demonstrando forte potencial de mercado.
4 Conclusão
As RMUs isoladas a sólido são tecnicamente comparáveis às RMUs SF₆ e possuem vantagens únicas, como zero emissões nocivas, operação realmente sem manutenção e custos totais de ciclo de vida mais baixos, tornando-as cada vez mais atraentes para os usuários. O "Primeiro Catálogo de Novas Tecnologias Prioritárias para Promoção" da State Grid Corporation of China (2011) afirmou que, considerando as tendências de maior confiabilidade técnica e requisitos ambientais mais rigorosos, as RMUs isoladas a sólido estão preparadas para substituir completamente as RMUs SF₆.
Além disso, a "Especificação Técnica para Unidades de Distribuição em Anel Isoladas a Sólido de 12 kV" emitida pela State Grid Corporation em 2012 confirmou que as RMUs isoladas a sólido são tecnicamente capazes de atender às demandas operacionais complexas e representam uma nova direção no desenvolvimento de RMUs, merecendo promoção ativa. Isso marca o reconhecimento formal das RMUs isoladas a sólido pela indústria e pela comunidade técnica. Como uma alternativa viável às RMUs SF₆, as RMUs isoladas a sólido gradualmente substituirão parte das unidades SF₆ existentes, alcançando aplicação ampla e demonstrando excelentes perspectivas de desenvolvimento futuro.
