Comparació d'unitats principals de anell aïllades amb gas SF6 i unitats principals de anell aïllades sòlidament

Introducció​
Actualment, les unitats de distribució en anell aïllades amb gas SF6 (d'ara endavant, "SF6 RMUs") dominen el mercat. No obstant això, el gas SF6 és reconegut internacionalment com un dels principals gasos d’efecte hivernacle. Per aconseguir la protecció ambiental i la reducció d'emissions, el seu ús ha de ser reduït i restringit. L'aparició de les unitats de distribució en anell aïllades amb material sòlid (RMUs) ha resolt els problemes associats als SF6 RMUs i incorpora moltes noves característiques.

​1 Alimentació en anell i unitats de distribució en anell (RMUs)​​
El procés d'"urbanització" col·loca una demanda cada vegada més gran sobre la fiabilitat de la distribució d'energia. Més usuaris necessiten alimentacions duals (o múltiples). L'ús d'un sistema d'"alimentació radial" pot portar a dificultats en l'instal·lació de cables, desafiaments en la solució de problemes i inconvenient durant l'actualització i l'ampliació de la xarxa. En canvi, una "alimentació en anell" pot proporcionar convenientment fonts d'alimentació duals (o superiors) per a càrregues crítiques, simplifica les línies de distribució, facilita la disposició dels cables, redueix els requisits de maquinari de commutació, disminueix les taules d'error i fa més fàcil la identificació dels punts de fallida.

​1.1 Alimentació en anell​
L'alimentació en anell es refereix a un sistema on dues (o més) línies d'eixida de diferents subestacions o de diferents barres de la mateixa subestació estan interconnectades per formar un bucle per a l'alimentació. Les seves avantatges inclouen: cada branca de distribució pot obtenir energia de la línia principal a la seva esquerra o de la línia principal a la seva dreta. Això significa que si hi ha una fallida en qualsevol de les línies principals, l'energia pot seguir sent suministrada des de l'altre costat. Tot i que és essencialment un suministrament en circuit únic, cada branca de distribució guanya efectivament els beneficis similars a un suministrament en doble circuit, millorant significativament la fiabilitat. La regulació a Xina estableix que la connexió principal en anell a les ciutats segueix el "Criteri de Seguretat N-1". Això significa que si hi ha N càrregues a la línia, quan qualsevol d'aquestes càrregues experimenti una fallida, el sistema pot acceptar la càrrega transferida, assegurant que les restants "N-1" càrregues continuen rebent un suministrament d'energia segur sense causar apagades o descàrregues de càrrega.

​1.2 Mètodes de connexió en anell​

• ​Connexió en anell estàndard:​​ Suministrada per una única font, formant un anell mitjançant els propis cables, assegurant un suministrament d'energia fiable a totes les altres càrregues quan falli una secció de cable.
• ​Connexió en anell des de diferents barres:​​ Aquesta connexió té dues fonts d'energia, normalment operada en bucle obert, oferint una major fiabilitat de suministrament i una major flexibilitat operativa.
• ​Connexió en anell simple:​​ Les fonts d'energia es prenen de diferents subestacions o de dues seccions de barra. Quan qualsevol secció de cable de la xarxa està en manteniment, no provoca cap apagada de càrrega.
• ​Connexió en doble anell:​​ Cada càrrega pot rebre energia d'una xarxa en anell independent, proporcionant una fiabilitat molt alta.
• ​Connexió doble "T" amb doble font:​​ Dos circuits de cable es connecten des de diferents seccions de barra. Cada càrrega pot obtenir energia de tots dos cables. Aquest mètode aconsegueix essencialment no haver-hi apagades per a usuaris amb doble font i és particularment adequat per a certs usuaris crítics.

​1.3 Unitats de distribució en anell (RMUs) i les seves característiques​
Les RMUs es refereixen a armaris de maquinari de commutació utilitzats per a l'alimentació en anell. Els tipus d'armari inclouen interruptors de càrrega, disjuntores, combinacions d'interruptors de càrrega + fusibles, aparells combinats, acobladors de barra, unitats de mesura, transformadors de tensió (VTs), etc., o qualsevol combinació o extensió d'aquests.

Les RMUs tenen una estructura compacta, ocupa poca superfície, són econòmiques, fàcils d'instal·lar i de posar en marxa ràpidament, complint la exigència de "miniaturització de l'equipament". Es fan un ús ampli en complexos residencials, edificis públics, subestacions d'empreses petites i mitjanes, segones estacions de commutació, subestacions compactes i caixes de juntament de cables.

​1.4 Tipus de RMUs​

• ​RMUs aïllades amb aire:​​ Utilitzen l'aire com a mitjà aïllant. Tienen una gran superfície i volum, i són susceptibles a influències ambientals.
• ​RMUs aïllades amb SF6:​​ Utilitzen el gas SF6 com a mitjà aïllant. L'interruptor principal està tancat dins d'una carcassa metàlica sel·lada plena de gas SF6, amb el mecanisme de funcionament situat fora de la carcassa. Degut a l'envolupament sel·lat, no són afectades pel medi extern. El seu volum és significativament menor que el de les RMUs aïllades amb aire estàndard, fent-les el tipus més utilitzat actualment.
• ​RMUs aïllades amb material sòlid:​​ Utilitzen materials aïllants sòlids com a principi aïllant. L'interruptor i totes les parts vives estan encapsulades o embolcallades amb materials aïllants com l'epoxi. Com que les distàncies segures entre fases i entre fase i terra a l'interruptor estan reduïdes, el seu tamany i volum són similars a les RMUs aïllades amb SF6. No produeixen emissions de SF6 i aconsegueixen una operació realment sense manteniment.

​2 Limitacions d'ús de les RMUs aïllades amb SF6​
El SF6 és un important contribuent als efectes de l'hivernacle atmosfèric. No obstant això, el SF6 posseeix propietats elèctriques ideals (excel·lent aïllament, apagament d'arc i rendiment de refredament), forta electronegativitat, bona conductivitat tèrmica i estabilitat, és reutilitzable, insensible a les condicions ambientals (humitat, contaminació, alçada) i permet dissenys d'armaris compacts. Conseqüentment, s'utilitza àmpliament com a mitjà aïllant i apagador d'arc en equips elèctrics. El consum de SF6 és el més alt a l'indústria elèctrica; les estadístiques indiquen que el 80% del gas SF6 produït anualment s'utilitza en equips elèctrics.

El Grup Intergovernamental d'Experts sobre el Canvi Climàtic (IPCC) de les Nacions Unides i l'Agència de Protecció Ambiental dels Estats Units (EPA) classifiquen el SF6 com un gas d'efecte hivernacle extremadament perjudicial i impactant. La Regulació de Gas F de la UE (2006) estipula: excepte per a l'equips de commutació elèctrica on no existeix una alternativa viable, l'ús de SF6 està prohibit en la majoria dels camps.

A més, les RMUs aïllades amb SF6 són complexes d'usar i requereixen una inversió substancial, necessitant molts dispositius auxiliars:

• ​Adquirir equipament de monitorització de fugues de SF6:​​ Utilitzat per a la detecció de fugues de gas SF6, la monitorització de la concentració de SF6 i el contingut d'oxigen, la detecció d'humitat traça, etc.
• ​Equipar unitats de recuperació de SF6:​​ Són generats subproductes com el SF4 dins del compartiment de gas durant el procés d'apagament d'arc amb SF6. Per tant, al final de la vida útil, no només cal recuperar el gas SF6 restant, sinó que també cal tractar de manera especial els subproductes residuals tòxics.
• ​Configurar equipament de purificació de gas SF6:​​ Per a purificar i reciclar el gas SF6.
• ​Instal·lar equipament de ventilació a les subestacions.​​

Quan s'utilitzen RMUs aïllades amb SF6, és imperatiu:

• ​Minimitzar les fugues de SF6:​​ Les RMUs aïllades amb SF6 utilitzen cavidades sel·lades pressionades, però les fugues de gas són inevitables. Realitzar operacions de commutació quan la pressió de SF6 és baixa resulta en una baixa fiabilitat, amenaçant directament la seguretat dels operadors i reduint la vida útil de l'equipament.
• ​Abans que els treballadors entren a la subestació, s'ha de realitzar una ventilació forçada, i han de portar equipament de protecció especial.​​
• ​Les operacions i procediments són complexos, requerint formació repetida del personal rellevant.​​

​3 Característiques i aplicacions de les RMUs aïllades amb material sòlid​
La possible amenaça ambiental de les RMUs aïllades amb SF6 limita el seu desenvolupament ulterior. Trobar alternatives al SF6 ha estat un tema d'estudi a nivell mundial. Les RMUs aïllades amb material sòlid van ser desenvolupades i introduïdes primer per la Corporació Eaton (EUA) a finals dels anys 90. Durant la seva operació, no generen gassos tòxics o nocius, no tenen impacte ambiental, ofereixen una major fiabilitat i aconsegueixen una operació realment sense manteniment.

Les RMUs aïllades amb material sòlid es referen a sistemes on els circuits conductors primaris, com l'interruptor a buit, el separador, l'interruptor de terra, la barra principal, la barra de branca, estan individualment o en combinació envoltats amb materials aïllants sòlids com l'epoxi. Estan encapsulats dins de mòduls funcionals totalment aïllats i sel·lats que poden ser més endavant combinats o ampliats. Les superfícies exteriors dels mòduls accessibles al personal estan revestides amb una capa de blindatge conductora o semiconductora i poden ser terretitzades directament i de manera fiable.

​3.1 Característiques de les RMUs aïllades amb material sòlid​

• ​Disseny ecològic:​​ No utilitza SF6 com a mitjà aïllant o de commutació. En comptes, s'utilitza el buit com a mitjà d'apagament d'arc per a interruptors, i materials ecològics sense impacte ambiental (i que són reciclables) com a principi aïllant. A més, es minimitza el nombre de components per assegurar un baix consum d'energia durant la operació i menys punts potencials de fallida.
• ​Realment sense manteniment:​​ Les RMUs aïllades amb material sòlid eliminen el recipient de pressió de SF6. L'aïllament intern i l'apagament d'arc del cos de l'interruptor utilitzen un mitjà de buit; l'aïllament extern utilitza materials dielèctrics sòlids com cilindres aïllants. El cilindre aïllant utilitza tecnologia de fundició sòlida, integrant l'interruptor a buit, el circuit conductor principal i els suports aïllants en una sola unitat, sel·lada dins d'una carcassa metàlica, no afectada pel medi extern. Gràcies a l'estructura totalment aïllada i sel·lada, i a la falta de problemes com la detecció de fugues de SF6, el reompliment i la gestió de residus, s'aconsegueix una operació realment sense manteniment.
• ​Alta rentabilitat:​​ Encara que la inversió inicial per a les RMUs aïllades amb material sòlid és lleugerament superior a la de les RMUs aïllades amb SF6, el cost total del cicle de vida és significativament inferior, com es mostra a la Taula 1. Les consideracions dels usuaris són cada vegada més comprehensives, incloent no només el preu d'adquisició inicial, sinó també els costos totals del cicle de vida, inclosos els riscos de seguretat, la qualitat de la xarxa, el control de costos i la sostenibilitat. Els costos requerits per a mantenir, reomplir gas, gestionar fugues i la recuperació final de les RMUs aïllades amb SF6 durant la seva vida útil són gairebé equivalents al cost d'adquisició. En canvi, les RMUs aïllades amb material sòlid impliquen una inversió inicial amb gairebé cap cost posterior. Per tant, des d'una perspectiva a llarg termini, l'eficiència econòmica de les RMUs aïllades amb material sòlid és molt superior a la de les RMUs aïllades amb SF6.

​Taula 1: Comparació dels costos del cicle de vida entre les RMUs aïllades amb SF6 i les RMUs aïllades amb material sòlid​

• ​Estructura compacta:​​ Dissenyada per ser tan compacta com sigui possible mentre es garanteix la seguretat i la facilitat d'operació de l'armari. La seva superfície i volum són encara més petits que les RMUs aïllades amb SF6, ajudant els usuaris a estalviar espai i proporcionant beneficis econòmics directes.
• ​Disseny resistència a arcs interns, més segur i fiable:​​ Per a l'equip de commutació primari i secundari, danys importants deguts a arcs interns ocorren almenys una vegada anualment. La majoria de les RMUs aïllades amb material sòlid incorporen un disseny de resistència a arcs interns. Quan ocorre un arc intern, el seu impacte sobre la RMU es minimitza tant com sigui possible, garantint una operació de l'equip més segura i fiable.
• ​Gap d'aïllament visualitzat:​​ Dispõn d'una finestra d'observació visual per comprovar fàcilment l'estat de contacte del separador de tres posicions intern, proporcionant aïllament visible in situ i augmentant la seguretat de l'operador.
• ​Capacitats intel·ligents:​​ És més fàcil implementar la automatització de la distribució en comparació amb les RMUs aïllades amb SF6. Després d'instal·lar una Unitat Terminal de Distribució (DTU) i dispositius de comunicació, es poden aconseguir funcions com l'adquisició i monitorització de dades d'estat, les funcions "de quatre remots" (teleindicació, telemetria, telecontrol, teleajustament), comunicació, autodiagnòstic i registre/informe.

​3.2 Estatus d'aplicació​
Actualment, l'adopció generalitzada de les RMUs aïllades amb material sòlid està limitada pel seu preu relativament més elevat i pels seus processos de fabricació complexos. Les seves exigències de processos superen les de les RMUs aïllades amb gas SF6. Si les tècniques de processament no són adequades, els riscos d'aïllament, les probabilitats de fallida i els perills podrien ser superiors als de les RMUs aïllades amb SF6, necessitant un estrict control de la qualitat dels materials bruts i de la feina. A més, la flexibilitat de cablagem de les RMUs aïllades amb material sòlid pot estar limitada, especialment per a unitats funcionals com els armaris PT (VT) i els armaris de mesura, oferint menys opcions de connexió i limitant la tria de l'usuari, el que també restringeix parcialment l'aplicació i el desenvolupament de les RMUs aïllades amb material sòlid.

Amb l'optimització contínua de les estructures de producció i l'increment de la normalització en la fabricació del producte, la qualitat del producte de les RMUs aïllades amb material sòlid es va tornant més estable, i els preus es van reduint gradualment. Algunes països ofereixen incentius del 5%~10% per a productes que no utilitzen SF6, per reduir-ne l'ús i les emissions. Això significa que els usuaris no consideren només els costos d'adquisició en la presa de decisions. També podem aprendre de les pràctiques internacionals: priorititzar l'ús de les RMUs aïllades amb material sòlid en projectes sensibles a l'ambient i nous projectes (per exemple, comunitats residencials, edificis públics, construcció municipal), mentre s'anulen progressivament les RMUs aïllades amb SF6. S'han de substituir les RMUs aïllades amb SF6 antigues o en funcionament segons la vida útil promesa pel fabricant i s'han de proporcionar subvencions als usuaris que adoptin RMUs aïllades amb material sòlid ecològiques per a suportar aquests productes. A mesura que creix la consciència ambiental dels usuaris i augmenten les consideracions dels costos del cicle de vida, les perspectives per a les RMUs aïllades amb material sòlid són àmplies.

​4 Conclusió​
Les RMUs aïllades amb material sòlid són tècnicament equivalents a les RMUs aïllades amb SF6 i posseeixen algunes característiques que les RMUs aïllades amb SF6 no tenen, com ara no emetre gasos nocius, operació realment sense manteniment i un cost total del cicle de vida més baix. Estan atraient cada vegada més l'atenció i la preferència dels usuaris.