Comparación de unidades de anillo principal aisladas con gas SF6 y unidades de anillo principal aisladas sólidamente
Introducción
Actualmente, las unidades de anillo aisladas con gas SF6 (en adelante, "SF6 RMUs") dominan el mercado. Sin embargo, el gas SF6 es reconocido internacionalmente como uno de los principales gases de efecto invernadero. Para lograr la protección del medio ambiente y la reducción de emisiones, su uso debe ser reducido y restringido. La aparición de las unidades de anillo aisladas con material sólido (RMUs) ha abordado los problemas asociados con las SF6 RMUs mientras incorpora numerosas características nuevas.
1 Suministro de energía en anillo y Unidades de Anillo (RMUs)
El proceso de "urbanización" coloca demandas cada vez mayores en la confiabilidad de la distribución de energía. Más usuarios requieren suministro de energía desde fuentes duales (o múltiples). El uso de un sistema de "suministro de energía radial" puede llevar a dificultades en la instalación de cables, desafíos en la solución de problemas y inconvenientes durante las actualizaciones y expansiones de la red. Por otro lado, un "suministro de energía en anillo" puede proporcionar convenientemente fuentes de energía duales (o más) para cargas críticas, simplifica las líneas de distribución, facilita la ruta de los cables, reduce los requisitos de equipos de conmutación, disminuye las tasas de fallos y facilita la identificación de puntos de falla.
1.1 Suministro de energía en anillo
El suministro de energía en anillo se refiere a un sistema en el que dos (o más) líneas salientes de diferentes subestaciones o de diferentes barras de bus dentro de la misma subestación están interconectadas para formar un bucle de suministro de energía. Sus ventajas incluyen: cada rama de distribución puede obtener energía del alimentador principal a su izquierda o del alimentador principal a su derecha. Esto significa que si ocurre un fallo en cualquiera de los alimentadores principales, la energía puede seguir suministrándose desde el otro lado. Aunque es un suministro de energía en circuito único en esencia, cada rama de distribución obtiene efectivamente los beneficios similares a un suministro en doble circuito, mejorando significativamente la confiabilidad. Las regulaciones en China establecen que la conexión principal de anillo en las ciudades sigue el "Criterio de Seguridad N-1". Esto significa que si hay N cargas en la línea, cuando cualquier carga experimenta un fallo, el sistema puede aceptar la carga transferida, asegurando que las "N-1" cargas restantes continúen recibiendo suministro de energía seguro sin causar cortes de energía o descargas de carga.
1.2 Métodos de conexión en anillo
- Conexión en anillo estándar: Suministrada por una fuente única, formando un anillo a través de los propios cables, asegurando un suministro de energía confiable a todas las demás cargas cuando falla una sección de cable.
- Conexión en anillo desde diferentes barras de bus: Esta conexión tiene dos fuentes de energía, generalmente operada en bucle abierto, ofreciendo mayor confiabilidad de suministro y mayor flexibilidad operativa.
- Conexión en anillo única: Las fuentes de energía se toman de diferentes subestaciones o de dos secciones de barra de bus. Cuando cualquier sección de cable en la red está en mantenimiento, no causa ningún corte de carga.
- Conexión en anillo doble: Cada carga puede recibir energía de una red de anillo independiente, proporcionando una confiabilidad muy alta.
- Conexión doble "T" de doble fuente: Dos circuitos de cable se conectan desde diferentes secciones de barra de bus. Cada carga puede obtener energía de ambos cables. Este método esencialmente logra que no haya cortes para los usuarios de doble fuente y es particularmente adecuado para ciertos usuarios críticos.
1.3 Unidades de Anillo (RMUs) y sus características
Las RMUs se refieren a armarios de interruptores utilizados para el suministro de energía en anillo. Los tipos de armario incluyen interruptores de carga, interruptores automáticos, combinaciones de interruptor de carga + fusible, equipos combinados, acopladores de bus, unidades de medición, transformadores de voltaje (VTs), etc., o cualquier combinación o extensión de estos.
Las RMUs tienen una estructura compacta, un pequeño espacio de ocupación, bajo costo, fácil instalación y tiempos de puesta en marcha cortos, cumpliendo con el requisito de "miniaturización de equipos". Se utilizan ampliamente en complejos residenciales, edificios públicos, subestaciones de pequeñas y medianas empresas, estaciones de conmutación secundarias, subestaciones compactas y cajas de empalme de cables.
1.4 Tipos de RMUs
- RMUs aisladas con aire: Utilizan el aire como medio de aislamiento. Tienen un gran espacio de ocupación y volumen, y son susceptibles a las influencias ambientales.
- RMUs aisladas con SF6: Utilizan el gas SF6 como medio de aislamiento. El interruptor principal está encerrado dentro de una carcasa metálica sellada llena de gas SF6, con el mecanismo de operación ubicado fuera de la carcasa. Debido al encierro sellado, no se ven afectadas por el entorno externo. Su volumen es significativamente menor que el de las RMUs aisladas con aire estándar, lo que las convierte en el tipo más comúnmente utilizado actualmente.
- RMUs aisladas con material sólido: Utilizan materiales de aislamiento sólido como medio de aislamiento principal. El interruptor y todas las partes vivas están encapsuladas o potenciadas con materiales aislantes como resina epoxi. Debido a que las distancias de aislamiento seguras entre fases y entre fase y tierra dentro del interruptor se reducen, su tamaño y volumen son similares a las RMUs aisladas con SF6. No producen emisiones de SF6 y logran una operación verdaderamente sin mantenimiento.
2 Limitaciones de uso de las RMUs aisladas con SF6
El SF6 es un contribuyente importante a los efectos de invernadero atmosféricos. Sin embargo, el SF6 posee propiedades eléctricas ideales (excelente aislamiento, apagado de arco y rendimiento de enfriamiento), fuerte electronegatividad, buena conductividad térmica y estabilidad, es reutilizable, insensible a las condiciones ambientales (humedad, contaminación, altitud elevada) y permite diseños de armarios compactos. En consecuencia, se utiliza ampliamente como medio de aislamiento y apagado de arco en equipos eléctricos. El consumo de SF6 es el más alto en la industria eléctrica; las estadísticas indican que el 80% del gas SF6 producido anualmente se utiliza en equipos eléctricos.
El Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático de las Naciones Unidas (IPCC) y la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) clasifican al SF6 como un gas de efecto invernadero extremadamente perjudicial e impactante. El Reglamento de Gases F de la UE (2006) establece: excepto para los equipos de conmutación de energía donde no existe una alternativa viable, el uso de SF6 está prohibido en la mayoría de los campos.
Además, las RMUs aisladas con SF6 son complejas de usar y requieren una inversión sustancial, necesitando muchos dispositivos auxiliares:
- Compra de equipos de monitoreo de fugas de SF6: Utilizados para la detección de fugas de gas SF6, monitoreo de la concentración de SF6 y contenido de oxígeno, detección de humedad traza, etc.
- Equipamiento de unidades de recuperación de SF6: Se generan subproductos como SF4 dentro del compartimento de gas durante el proceso de apagado de arco con SF6. Por lo tanto, al final de su vida útil, no solo se debe recuperar el gas SF6 restante, sino que también se requiere un tratamiento especial para los subproductos tóxicos residuales.
- Configuración de equipos de purificación de gas SF6: Para purificar y reciclar el gas SF6.
- Instalación de equipos de ventilación en subestaciones.
Al utilizar RMUs aisladas con SF6, es imperativo:
- Minimizar las fugas de SF6: Las RMUs aisladas con SF6 utilizan cámaras selladas a presión, pero las fugas de gas son inevitables. Realizar operaciones de conmutación cuando la presión de SF6 es baja resulta en una baja confiabilidad, amenazando directamente la seguridad del operador y reduciendo la vida útil del equipo.
- Antes de que los trabajadores entren en la subestación, se debe realizar una ventilación forzada y deben usar equipo de protección especial.
- Las operaciones y procedimientos son complejos, requiriendo un entrenamiento repetido para el personal relevante.
3 Características y aplicaciones de las RMUs aisladas con material sólido
La amenaza ambiental potencial de las RMUs aisladas con SF6 limita su desarrollo adicional. Encontrar alternativas al SF6 ha sido un tema de investigación a nivel mundial. Las RMUs aisladas con material sólido fueron desarrolladas e introducidas por primera vez por la Corporación Eaton (EE. UU.) a finales de la década de 1990. Durante su operación, no generan gases tóxicos o perjudiciales, no tienen impacto ambiental, ofrecen mayor confiabilidad y logran una operación verdaderamente sin mantenimiento.
Las RMUs aisladas con material sólido se refieren a sistemas en los que los circuitos conductores primarios, como el interrumpidor de vacío, el interruptor de desconexión, el interruptor de tierra, la barra de bus principal, la barra de bus de rama, están individualmente o en combinación encerrados con materiales aislantes sólidos como resina epoxi. Están encapsulados dentro de módulos funcionales completamente aislados y sellados que pueden combinarse o expandirse aún más. Las superficies exteriores de los módulos accesibles al personal están revestidas con una capa de blindaje conductiva o semiconductora y pueden estar directa y confiablemente conectadas a tierra.
3.1 Características de las RMUs aisladas con material sólido
- Diseño ecológico: No utiliza SF6 como medio de aislamiento o conmutación. En su lugar, se utiliza el vacío como medio de apagado de arco para los interruptores, y se utilizan materiales ecológicos sin impacto ambiental (y que son reciclables) como medio de aislamiento principal. Además, se minimiza el número de componentes para garantizar un bajo consumo de energía durante la operación y menos puntos potenciales de falla.
- Verdaderamente sin mantenimiento: Las RMUs aisladas con material sólido eliminan el recipiente a presión de SF6. El aislamiento interno y el apagado de arco del cuerpo del interruptor utilizan un medio de vacío; el aislamiento externo utiliza materiales dieléctricos sólidos como cilindros aislantes. El cilindro aislante emplea tecnología de fundición sólida, integrando el interrumpidor de vacío, el circuito conductor principal y los soportes aislantes en una sola unidad, sellada dentro de una carcasa metálica, no afectada por el entorno externo. Debido a la estructura global completamente aislada y sellada, y a la ausencia de problemas como la detección de fugas de SF6, el relleno y la disposición de residuos, se logra una operación verdaderamente sin mantenimiento.
- Alta rentabilidad: Aunque la inversión inicial para las RMUs aisladas con material sólido es ligeramente superior a la de las RMUs aisladas con SF6, el costo total del ciclo de vida es significativamente menor, como se muestra en la Tabla 1. Las consideraciones de los usuarios son cada vez más comprehensivas, abarcando no solo el precio de compra inicial, sino también los costos totales del ciclo de vida, incluyendo riesgos de seguridad, calidad de la red, control de costos y sostenibilidad. Los costos requeridos para el mantenimiento, el relleno de gas, la gestión de fugas y la recuperación final de las RMUs aisladas con SF6 durante su vida útil son casi equivalentes al costo de compra. En contraste, las RMUs aisladas con material sólido implican una inversión inicial con prácticamente ningún costo posterior. Por lo tanto, desde una perspectiva a largo plazo, la eficiencia económica de las RMUs aisladas con material sólido es mucho superior a la de las RMUs aisladas con SF6.
Tabla 1: Comparación de costos de ciclo de vida entre RMUs aisladas con SF6 y RMUs aisladas con material sólido
