Comparación de unidades de anillo principal aisladas a gas SF6 e unidades de anillo principal aisladas sólidamente

Introdución​
Actualmente, as unidades de anel principal aisladas con gas SF6 (a partir de agora denominadas "SF6 RMUs") dominan o mercado. No obstante, o gas SF6 é recoñecido internacionalmente como un dos principais gases de efecto invernadero. Para lograr a protección do medio ambiente e a redución de emisións, o seu uso debe ser reducido e restrinxido. A aparición das unidades de anel principal aisladas sólidamente (RMUs) abordou os problemas asociados coas SF6 RMUs mentres incorporaba numerosas novas características.

​1 Suministro de enerxía en anel e Unidades de Anel Principal (RMUs)​​
O proceso de "urbanización" coloca demandas cada vez maiores sobre a fiabilidade da distribución de enerxía. Máis usuarios requiren suministros de enerxía de dúas (ou múltiples) fontes. O uso dun sistema de "suministro radial de enerxía" pode levar a dificultades na instalación de cables, desafíos na resolución de problemas e inconvenientes durante a actualización e expansión da rede. Por outro lado, un "suministro de enerxía en anel" pode proporcionar facilmente dúas (ou máis) fontes de enerxía para cargas críticas, simplifica as liñas de distribución, facilita a roteirización de cables, reduce a necesidade de equipamento de comutación, diminúe as taxas de fallo e facilita a identificación dos puntos de fallo.

​1.1 Suministro de enerxía en anel​
O suministro de enerxía en anel refírese a un sistema no que dúas (ou máis) liñas de saída de subestacións diferentes ou de barras diferentes dentro da mesma subestación están interconectadas para formar un anel para o suministro de enerxía. As súas vantaxes inclúen: cada ramo de distribución pode recibir enerxía do alimentador principal á súa esquerda ou do alimentador principal á súa dereita. Isto significa que se ocorre un fallo en calquera dos alimentadores principais, a enerxía pode continuar sendo suministrada desde o outro lado. Aínda que en esencia é un suministro de enerxía de circuito único, cada ramo de distribución gana eficazmente os beneficios similares ao suministro de dous circuitos, mellorando significativamente a fiabilidade. As regulacións en China estipulan que a conexión principal de anel en cidades segue o "Criterio de Seguridade N-1". Esto significa que se hai N cargas na liña, cando calquera carga experimenta un fallo, o sistema pode aceptar a carga transferida, asegurando que as restantes "N-1" cargas continúen recibindo un suministro de enerxía seguro sen causar cortes ou descargas de carga.

​1.2 Métodos de conexión en anel​

• ​Conexión en anel estándar:​​ Suministrado por unha única fonte, formando un anel a través dos propios cables, asegurando un suministro de enerxía fiable a todas as outras cargas cando falla un tramo de cable.
• ​Conexión en anel desde diferentes barras:​​ Esta conexión ten dúas fontes de enerxía, xeralmente operadas en bucle aberto, ofrecendo maior fiabilidade de suministro e maior flexibilidade operativa.
• ​Conexión en anel única:​​ As fontes de enerxía son tomadas de subestacións diferentes ou de dúas seccións de barra. Cando calquera tramo de cable da rede está en mantemento, non causa ningún corte de carga.
• ​Conexión en anel dobre:​​ Cada carga pode recibir enerxía dunha rede de anel independente, proporcionando unha fiabilidade moi alta.
• ​Conexión dobre "T" de dúas fontes:​​ Dúas liñas de cable están conectadas desde diferentes seccións de barra. Cada carga pode recibir enerxía de ambos os cables. Este método logra esencialmente ausencia de cortes para usuarios de dúas fontes e é particularmente adecuado para certos usuarios críticos.

​1.3 Unidades de Anel Principal (RMUs) e súas características​
As RMUs refírense a armarios de interruptores utilizados para o suministro de enerxía en anel. Os tipos de armario inclúen interruptores de carga, disxuntores, combinacións de interruptores de carga + fusibles, equipos combinados, acopladores de barras, unidades de medida, transformadores de tensión (VTs), etc., ou calquera combinación ou extensión delles.

As RMUs presentan unha estrutura compacta, unha peza de terra pequena, un baixo custo, unha fácil instalación e tiempos de puesta en marcha curtos, satisfacendo o requisito de "miniaturización de equipos". Son ampliamente utilizadas en complejos residenciais, edificios públicos, subestacións de pequenas e medianas empresas, subestacións secundarias, subestacións compactas e cajas de conexión de cables.

​1.4 Tipos de RMUs​

• ​RMUs aisladas con aire:​​ Utilizan o aire como medio de aislamento. Teñen unha gran peza de terra e volume, e son susceptibles á influencia do medio ambiente.
• ​RMUs aisladas con SF6:​​ Utilizan o gas SF6 como medio de aislamento. O interruptor principal está encerrado nunha carcasa metálica selada chea de gas SF6, co mecanismo de funcionamento situado fóra da carcasa. Debido ao selo, non están afectadas polo medio externo. O seu volume é significativamente menor que o das RMUs aisladas con aire estándar, facéndolas o tipo máis comúnmente utilizado actualmente.
• ​RMUs aisladas sólidamente:​​ Utilizan materiais de aislamento sólidos como medio de aislamento principal. O interruptor e todas as partes activas están encapsuladas ou empotradadas con materiais de aislamento como a resina epoxi. Como as distancias seguras entre fases e entre fase e terra dentro do interruptor están reducidas, o seu tamaño e volume son similares ás RMUs aisladas con SF6. Non producen emisións de SF6 e logran un verdadeiro funcionamento sen manutención.

​2 Limitacións de uso das RMUs aisladas con SF6​
O SF6 é un importante contribuínte aos efectos de invernado atmosférico. No entanto, o SF6 posúe propiedades eléctricas ideais (excelentes aislamento, apagado de arcos e rendemento de refrigeración), forte electronegatividade, boa conductividad térmica e estabilidade, é reutilizable, insensible ás condicións ambientais (humidade, contaminación, gran altura) e permite diseños de armarios compactos. En consecuencia, é ampliamente utilizado como medio de aislamento e apagado de arcos en equipos eléctricos. O consumo de SF6 é o máis alto na industria eléctrica; as estatísticas indican que o 80% do gas SF6 producido anualmente se utiliza en equipos eléctricos.

O Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPCC) das Nacións Unidas e a Agencia de Protección Ambiental (EPA) dos Estados Unidos clasifican o SF6 como un gas de efecto invernadero extremadamente pernicioso e impactante. A Regulación F-Gas da UE (2006) estipula: salvo para equipos de comutación de enerxía onde non existe unha alternativa viable, o uso de SF6 está prohibido na maioría dos campos.

Ademais, as RMUs aisladas con SF6 son complexas de usar e requiren unha inversión substancial, necesitando moitos dispositivos auxiliares:

• ​Compra de equipos de monitorización de fugas de SF6:​​ Utilizados para a detección de fugas de gas SF6, monitorización da concentración de SF6 e contido de oxixe, detección de humidade traço, etc.
• ​Equipar unidades de recuperación de SF6:​​ Durante o proceso de apagado de arcos de SF6, xéranse subproductos como SF4 dentro do compartimento de gas. Polo tanto, ao final da vida útil, non só debe recuperarse o gas SF6 remanente, senón que os subproductos tóxicos residuais requiren un tratamento especial.
• ​Configurar equipos de purificación de gas SF6:​​ Para purificar e reciclar o gas SF6.
• ​Instalar equipos de ventilación nas subestacións.​​

Ao utilizar RMUs aisladas con SF6, é imperativo:

• ​Minimizar as fugas de SF6:​​ As RMUs aisladas con SF6 utilizan cavidades seladas presurizadas, pero a fuga de gas é inevitable. Realizar operacións de comutación cando a presión de SF6 é baixa resulta en baixa fiabilidade, ameazando directamente a seguridade do operador e reducindo a vida útil do equipo.
• ​Antes de que os traballadores entren na subestación, debe realizarse unha ventilación forzada e deben usar equipamento de protección especial.​​
• ​As operacións e procedementos son complexos, requirindo un adestramento repetido para o persoal relevante.​​

​3 Características e aplicacións das RMUs aisladas sólidamente​
A ameaza potencial ao medio ambiente das RMUs aisladas con SF6 limita o seu desenvolvemento adicional. Encontrar alternativas ao SF6 foi un tema de investigación a nivel mundial. As RMUs aisladas sólidamente foron desenvoltas e introducidas inicialmente pola Eaton Corporation (EE.UU.) a finais dos anos 90. Durante a súa operación, non xeran ningún gas tóxico ou pernicioso, non teñen impacto ambiental, ofrecen maior fiabilidade e logran un verdadeiro funcionamento sen manutención.

As RMUs aisladas sólidamente refírense a sistemas nos que os circuitos primarios de conducción, como o interrumpidor de vacío, o interruptor de separación, o interruptor de terra, a barra principal, a barra de ramo, están individualmente ou en combinación envoltos con materiais de aislamento sólidos como a resina epoxi. Están encapsulados dentro de módulos funcionais totalmente aislados e selados que poden ser combinados ou expandidos adicionalmente. As superficies exteriores dos módulos accesibles ao persoal están revestidas cunha capa de blindaxe condutora ou semiconductora e poden ser terradas directamente e de forma fiable.

​3.1 Características das RMUs aisladas sólidamente​

• ​Deseño ecolóxico:​​ Non utiliza SF6 como medio de aislamento ou comutación. En cambio, utiliza o vacío como medio de apagado de arcos para interruptores e materiais ambientalmente amigables sen impacto ambiental (e que son reciclables) como medio de aislamento principal. Ademais, o número de compoñentes está minimizado para asegurar un baixo consumo de enerxía durante a operación e menos puntos potenciais de fallo.
• ​Verdadeiro funcionamento sen manutención:​​ As RMUs aisladas sólidamente eliminan o recipiente de presión de SF6. O aislamento interno e o apagado de arcos do corpo do interruptor utilizan un medio de vacío; o aislamento externo utiliza materiais dieléctricos sólidos como cilindros de aislamiento. O cilindro de aislamento utiliza tecnoloxía de fundición sólida, integrando o interrumpidor de vacío, o circuito de conducción principal e os soportes de aislamento nunha unidade, sellada dentro dunha carcasa metálica, non afectada polo medio externo. Debido á súa estrutura global totalmente aislada e selada, e á ausencia de problemas como a detección de fugas de SF6, o recheo e a disposición de residuos, logra un verdadeiro funcionamento sen manutención.
• ​Alta relación coste-beneficio:​​ Aínda que a inversión inicial para as RMUs aisladas sólidamente é lixeriamente superior á das RMUs aisladas con SF6, o custo total do ciclo de vida é significativamente menor, como se mostra na Táboa 1. As consideracións dos usuarios son cada vez máis comprehensivas, incluíndo non só o prezo de compra inicial, senón tamén os custos totais do ciclo de vida, incluíndo riscos de seguridade, calidade da rede, control de custos e sustentabilidade. Os custos necesarios para manter, rellenar gas, manejar fugas e a recuperación final das RMUs aisladas con SF6 durante a súa vida útil son case equivalentes ao prezo de compra. En contraste, as RMUs aisladas sólidamente implican unha única inversión inicial con esencialmente ningún custo posterior. Polo tanto, a longo prazo, a eficiencia económica das RMUs aisladas sólidamente é moito mellor que a das RMUs aisladas con SF6.

​Táboa 1: Comparación de custos de ciclo de vida entre RMUs aisladas con SF6 e RMUs aisladas sólidamente​

• ​Estrutura compacta:​​ Diseñada para ser tan compacta como sexa posible mentres se asegura a seguridade do armario e a facilidade de operación. A súa peza de terra e volume son incluso menores que as RMUs aisladas con SF6, axudando aos usuarios a ahorrar espazo e proporcionando beneficios económicos directos.
• ​Deseño resistente a arcos internos, máis seguro e fiable:​​ Para equipamentos de comutación primaria e secundaria, danos significativos debido a arcos internos ocorren polo menos unha vez ao ano. A maioría das RMUs aisladas sólidamente incorporan un deseño resistente a arcos internos. Cando ocorre un arco interno, o seu impacto na RMU está minimizado tanto como sexa posible, asegurando un funcionamento máis seguro e fiable do equipo.
• ​Intervalo de aislamento visualizado:​​ Dispón dunha ventá de observación visual para comprobar facilmente o estado de contacto do interruptor de separación de tres posicións interno, proporcionando un aislamento visible no local e aumentando a seguridade do operador.
• ​Capacidades inteligentes:​​ É máis fácil implementar a automatización de distribución comparado coas RMUs aisladas con SF6. Despois de instalar unha Unidade Terminal de Distribución (DTU) e dispositivos de comunicación, as funcións como a adquisición e monitorización de datos de estado, as funcións "Cuatro Remotos" (teleindicación, telemedición, telemando, teleajuste), comunicación, diagnóstico propio e rexistro/información poden lograrse facilmente.

​3.2 Estado de aplicación​
Actualmente, a adopción xeralizada das RMUs aisladas sólidamente está limitada polo seu prezo relativamente maior e os procesos de fabricación complexos. Os seus requisitos de proceso superan os das RMUs aisladas con gas SF6. Se as técnicas de proceso son inadequadas, os riscos de aislamento, as probabilidades de fallo e os perigos poden ser maiores que as RMUs aisladas con SF6, necessitando un control de calidade estrito dos materias primas e da artesanía. Ademais, a flexibilidade de ligazón das RMUs aisladas sólidamente pode ser limitada, especialmente para unidades funcionais como os armarios PT (VT) e os armarios de medida, ofrecendo menos opcións de conexión e limitando a escolta do usuario, o que tamén restrinxe algo a aplicación e o desenvolvemento das RMUs aisladas sólidamente.

Con a optimización continua das estruturas de produción e a crecente estandarización na fabricación de produtos, a calidade dos produtos das RMUs aisladas sólidamente está a tornarse máis estable, e os prezos están a diminuír gradualmente. Algúns países ofrecen incentivos de 5%~10% para produtos que non usan SF6, para reducir o seu uso e emisións. Isto significa que os usuarios non consideran só os custos de compra na toma de decisións. Tamén podemos aprender das prácticas internacionais: priorizar o uso de RMUs aisladas sólidamente en proxectos ambientalmente sensibles e novos proxectos (por exemplo, comunidades residenciais, edificios públicos, construción municipal), mentres se van substituíndo gradualmente as RMUs aisladas con SF6. Substituír as RMUs aisladas con SF6 envejecidas ou en funcionamento segundo a súa vida útil prometida polo fabricante e proporcionar subvencións aos usuarios que adopten RMUs aisladas sólidamente ecoamigables para apoiar tales produtos. A medida que a consciencia ambiental dos usuarios aumenta e as consideracións de custo de ciclo de vida aumentan, as perspectivas para as RMUs aisladas sólidamente son amplias.

​4 Conclusión​
As RMUs aisladas sólidamente son técnicamente equivalentes ás RMUs aisladas con SF6 e posúen algunhas características que as RMUs aisladas con SF6 non teñen, como a ausencia de emisións de gases perniciosos, un verdadeiro funcionamento sen manutención e un custo total de ciclo de vida menor. Están gañando cada vez máis atención e preferencia por parte dos usuarios.