Comparação entre Unidades de Distribuição em Anel Isoladas a Gás SF6 e Unidades de Distribuição em Anel Isoladas a Sólido

Introdução​
Atualmente, as unidades de anel principal isoladas a gás SF6 (daqui em diante referidas como "SF6 RMUs") dominam o mercado. No entanto, o gás SF6 é reconhecido internacionalmente como um dos principais gases de efeito estufa. Para alcançar a proteção ambiental e a redução de emissões, seu uso deve ser reduzido e restrito. A emergência das unidades de anel principal isoladas a sólido (RMUs) abordou os problemas associados às SF6 RMUs, incorporando numerosas novas funcionalidades.

​1 Fornecimento de energia em anel e Unidades de Anel Principal (RMUs)​​
O processo de "urbanização" coloca demandas cada vez maiores na confiabilidade da distribuição de energia. Mais usuários requerem fontes de alimentação dupla (ou múltipla). O uso de um sistema de "fornecimento de energia radial" pode levar a dificuldades na instalação de cabos, desafios de resolução de problemas e inconveniências durante atualizações e expansões da rede. Por outro lado, um "fornecimento de energia em anel" pode fornecer convenientemente fontes de energia duplas (ou mais) para cargas críticas, simplifica as linhas de distribuição, facilita a roteirização de cabos, reduz a necessidade de equipamentos de comutação, diminui as taxas de falha e torna a identificação de pontos de falha mais fácil.

​1.1 Fornecimento de energia em anel​
O fornecimento de energia em anel refere-se a um sistema onde duas (ou mais) linhas de saída de subestações diferentes ou de barramentos diferentes dentro da mesma subestação são interconectadas para formar um anel para o fornecimento de energia. Suas vantagens incluem: cada ramo de distribuição pode obter energia do alimentador principal à sua esquerda ou do alimentador principal à sua direita. Isso significa que, se ocorrer uma falha em qualquer um dos alimentadores principais, a energia pode continuar a ser fornecida do outro lado. Embora seja, essencialmente, um fornecimento de energia de circuito único, cada ramo de distribuição efetivamente ganha os benefícios semelhantes ao fornecimento de circuito duplo, melhorando significativamente a confiabilidade. As regulamentações na China estipulam que a conexão principal de anel nas cidades segue o "Critério de Segurança N-1". Isso significa que, se houver N cargas na linha, quando qualquer uma das cargas sofrer uma falha, o sistema pode aceitar a carga transferida, garantindo que as "N-1" cargas restantes continuem a receber o fornecimento de energia seguro, sem causar interrupções ou cortes de carga.

​1.2 Métodos de conexão em anel​

• ​Conexão em anel padrão:​​ Fornecida por uma única fonte, formando um anel através dos próprios cabos, garantindo o fornecimento de energia confiável a todas as outras cargas quando uma seção de cabo falha.
• ​Conexão em anel de barramentos diferentes:​​ Esta conexão tem duas fontes de energia, geralmente operada em loop aberto, oferecendo maior confiabilidade de fornecimento e maior flexibilidade operacional.
• ​Conexão em anel única:​​ As fontes de energia são provenientes de subestações diferentes ou de duas seções de barramento. Quando qualquer seção de cabo na rede está em manutenção, isso não causa nenhuma interrupção de carga.
• ​Conexão em anel duplo:​​ Cada carga pode receber energia de uma rede de anel independente, proporcionando uma confiabilidade muito alta.
• ​Conexão dupla "T" de fontes duplas:​​ Duas circuitos de cabo são conectados de seções de barramento diferentes. Cada carga pode obter energia de ambos os cabos. Este método essencialmente alcança a ausência de interrupção para usuários de fontes duplas e é particularmente adequado para certos usuários críticos.

​1.3 Unidades de Anel Principal (RMUs) e suas características​
RMUs referem-se a painéis de comutação usados para o fornecimento de energia em anel. Os tipos de gabinetes incluem interruptores de carga, disjuntores, combinações de interruptor de carga + fusível, aparelhos combinados, acopladores de barramento, unidades de medição, transformadores de tensão (VTs), etc., ou qualquer combinação ou extensão destes.

As RMUs apresentam uma estrutura compacta, pequena área ocupada, baixo custo, fácil instalação e curtos tempos de comissionamento, atendendo ao requisito de "miniaturização de equipamentos". Elas são amplamente utilizadas em complexos residenciais, edifícios públicos, subestações de pequenas e médias empresas, estações de comutação secundárias, subestações compactas e caixas de junção de cabos.

​1.4 Tipos de RMUs​

• ​RMUs isoladas a ar:​​ Usam ar como meio de isolamento. Têm uma grande área ocupada e volume, e são suscetíveis a influências ambientais.
• ​RMUs SF6:​​ Usam gás SF6 como meio de isolamento. O interruptor principal está encerrado em uma carcaça metálica selada preenchida com gás SF6, com o mecanismo de operação localizado fora da carcaça. Devido ao invólucro selado, elas não são afetadas pelo ambiente externo. Seu volume é significativamente menor do que as RMUs isoladas a ar padrão, tornando-as o tipo mais comumente usado atualmente.
• ​RMUs isoladas a sólido:​​ Usam materiais de isolamento sólido como o principal meio de isolamento. O interruptor e todas as partes vivas estão encapsuladas ou moldadas com materiais isolantes como resina epóxi. Como as distâncias seguras de isolamento fase-a-fase e fase-a-terra dentro do interruptor são reduzidas, seu tamanho e volume são semelhantes às RMUs SF6. Elas não produzem emissões de SF6 e alcançam uma verdadeira operação sem manutenção.

​2 Limitações de uso das RMUs SF6​
O SF6 é um importante contribuinte para os efeitos de estufa atmosféricos. No entanto, o SF6 possui propriedades elétricas ideais (excelente isolamento, extinção de arco e desempenho de refrigeração), forte eletronegatividade, boa condutividade térmica e estabilidade, é reutilizável, insensível às condições ambientais (umidade, poluição, altitude elevada) e permite designs de gabinete compactos. Consequentemente, é amplamente utilizado como meio de isolamento e extinção de arco em equipamentos elétricos. O consumo de SF6 é o mais alto na indústria de energia; as estatísticas indicam que 80% do gás SF6 produzido anualmente é usado em equipamentos elétricos.

O Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) das Nações Unidas e a Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA) classificam o SF6 como um gás de efeito estufa extremamente prejudicial e impactante. O Regulamento UE sobre Gases Fluorados (F-Gas) (2006) estipula: exceto para equipamentos de comutação de energia onde não existe alternativa viável, o uso de SF6 é proibido na maioria dos campos.

Além disso, as RMUs SF6 são complexas de usar e requerem investimento substancial, necessitando de muitos dispositivos auxiliares:

• ​Comprar equipamento de monitoramento de vazamento de SF6:​​ Utilizado para detecção de vazamento de gás SF6, monitoramento da concentração de SF6 e teor de oxigênio, detecção de umidade traço, etc.
• ​Equipar unidades de recuperação de SF6:​​ Subprodutos como SF4 são gerados no compartimento de gás durante o processo de extinção de arco com SF6. Portanto, no final da vida útil, não apenas o gás SF6 remanescente deve ser recuperado, mas também os subprodutos tóxicos residuais requerem tratamento especial.
• ​Configurar equipamento de purificação de gás SF6:​​ Para purificar e reciclar o gás SF6.
• ​Instalar equipamento de ventilação nas subestações.​​

Ao usar RMUs SF6, é imperativo:

• ​Minimizar o vazamento de SF6:​​ As RMUs SF6 usam cavidades seladas pressurizadas, mas o vazamento de gás é inevitável. Realizar operações de comutação quando a pressão do SF6 está baixa resulta em baixa confiabilidade, ameaçando diretamente a segurança do operador e reduzindo a vida útil do equipamento.
• ​Antes que os trabalhadores entrem na subestação, a ventilação forçada deve ser realizada primeiro, e eles devem usar equipamentos de proteção especiais.​​
• ​As operações e procedimentos são complexos, exigindo treinamento repetido para o pessoal relevante.​​

​3 Características e aplicações das RMUs isoladas a sólido​
A ameaça ambiental potencial das RMUs SF6 limita seu desenvolvimento futuro. Encontrar alternativas ao SF6 tem sido objeto de pesquisa em todo o mundo. As RMUs isoladas a sólido foram desenvolvidas e introduzidas pela primeira vez pela Eaton Corporation (EUA) no final dos anos 1990. Durante a operação, elas não geram nenhum gás tóxico ou nocivo, não têm impacto ambiental, oferecem maior confiabilidade e alcançam uma verdadeira operação sem manutenção.

As RMUs isoladas a sólido referem-se a sistemas onde os circuitos condutores primários, como o interrompido a vácuo, desconectador, chave de aterramento, barramento principal, barramento de ramo, são individualmente ou em combinação encapsulados com materiais de isolamento sólido como resina epóxi. Eles são encapsulados em módulos funcionais totalmente isolados e selados que podem ser ainda mais combinados ou expandidos. As superfícies externas dos módulos acessíveis ao pessoal são revestidas com uma camada de blindagem condutora ou semi-condutora e podem ser aterradas diretamente e de forma confiável.

​3.1 Características das RMUs isoladas a sólido​

• ​Design ecológico:​​ Não usa SF6 como meio de isolamento ou comutação. Em vez disso, o vácuo é usado como meio de extinção de arco para os interruptores, e materiais ecologicamente corretos sem impacto ambiental (e que são recicláveis) são usados como o principal meio de isolamento. Além disso, o número de componentes é minimizado para garantir baixo consumo de energia durante a operação e menos pontos potenciais de falha.
• ​Realmente sem manutenção:​​ As RMUs isoladas a sólido eliminam o vaso de pressão de SF6. O isolamento interno e a extinção de arco do corpo do interruptor utilizam um meio de vácuo; o isolamento externo usa materiais dielétricos sólidos como cilindros isolantes. O cilindro isolante utiliza tecnologia de fundição sólida, integrando o interrompido a vácuo, o circuito condutor principal e os suportes isolantes em uma única unidade, selada em uma carcaça metálica, não sendo afetada pelo ambiente externo. Devido à estrutura totalmente isolada e selada, e à ausência de problemas como detecção de vazamento de SF6, reabastecimento e disposição de resíduos, a operação realmente sem manutenção é alcançada.
• ​Alto custo-benefício:​​ Embora o investimento inicial para as RMUs isoladas a sólido seja ligeiramente maior do que para as RMUs SF6, o custo total do ciclo de vida é significativamente menor, conforme mostrado na Tabela 1. As considerações dos usuários são cada vez mais abrangentes, abrangendo não apenas o preço de compra inicial, mas também os custos totais do ciclo de vida, incluindo riscos de segurança, qualidade da rede, controle de custos e sustentabilidade. Os custos necessários para manutenção, reabastecimento de gás, lidar com vazamentos e recuperação final das RMUs SF6 durante sua vida útil são quase equivalentes ao custo de compra. Em contraste, as RMUs isoladas a sólido envolvem um investimento inicial com praticamente nenhum custo subsequente. Portanto, a longo prazo, a eficiência econômica das RMUs isoladas a sólido é muito superior à das RMUs SF6.

​Tabela 1: Comparação de custos do ciclo de vida entre RMUs SF6 e RMUs isoladas a sólido​

• ​Estrutura compacta:​​ Projetada para ser o mais compacta possível, garantindo a segurança do gabinete e a facilidade de operação. Sua área ocupada e volume são ainda menores do que as RMUs SF6, ajudando os usuários a economizar espaço e fornecendo benefícios econômicos diretos.
• ​Design resistente a arcos internos, mais seguro e confiável:​​ Para equipamentos de comutação primária e secundária, danos significativos devido a arcos internos ocorrem pelo menos uma vez por ano. A maioria das RMUs isoladas a sólido incorpora design resistente a arcos internos. Quando ocorre um arco interno, seu impacto na RMU é minimizado o máximo possível, garantindo operação de equipamento mais segura e confiável.
• ​Gap de isolamento visualizado:​​ Possui uma janela de observação visual para verificar facilmente o estado de contato do desconectador de três posições interno, fornecendo isolamento visível no local e aumentando a segurança do operador.
• ​Capacidades inteligentes:​​ Mais fáceis de implementar automação de distribuição em comparação com as RMUs SF6. Após a instalação de uma Unidade Terminal de Distribuição (DTU) e dispositivos de comunicação, funções como aquisição e monitoramento de dados de status, funções "Quatro Remotos" (sinalização remota, medição remota, controle remoto, regulação remota), comunicação, diagnóstico automático e registro/relatório podem ser facilmente alcançadas.

​3.2 Status de aplicação​
Atualmente, a adoção generalizada de RMUs isoladas a sólido é limitada por seu preço relativamente mais alto e processos de fabricação complexos. Seus requisitos de processo superam os das RMUs isoladas a gás SF6. Se as técnicas de processo forem inadequadas, os riscos de isolamento, as probabilidades de falha e os perigos podem ser maiores do que as RMUs SF6, exigindo rigoroso controle de qualidade de matérias-primas e artesanato. Além disso, a flexibilidade de cabeamento das RMUs isoladas a sólido pode ser limitada, especialmente para unidades funcionais como gabinetes PT (VT) e gabinetes de medição, oferecendo menos opções de conexão e limitando a escolha do usuário, o que também restringe parcialmente a aplicação e o desenvolvimento das RMUs isoladas a sólido.

Com a otimização contínua das estruturas de produção e a crescente padronização na fabricação de produtos, a qualidade dos produtos de RMUs isoladas a sólido está se tornando mais estável, e os preços estão gradualmente diminuindo. Alguns países oferecem incentivos de 5% a 10% para produtos que não usam SF6, para reduzir seu uso e emissões. Isso significa que os usuários não consideram apenas os custos de compra na tomada de decisão. Também podemos aprender com as práticas internacionais: priorizar o uso de RMUs isoladas a sólido em projetos sensíveis ao meio ambiente e novos projetos (por exemplo, comunidades residenciais, edifícios públicos, construção municipal), enquanto gradualmente substituir as RMUs SF6. Substituir e substituir as RMUs SF6 envelhecidas ou operacionais de acordo com a vida útil prometida pelo fabricante e fornecer subsídios aos usuários que adotam RMUs isoladas a sólido ecológicas para apoiar tais produtos. À medida que a consciência ambiental dos usuários aumenta e as considerações de custo do ciclo de vida aumentam, as perspectivas para as RMUs isoladas a sólido são amplas.

​4 Conclusão​
As RMUs isoladas a sólido são tecnicamente equivalentes às RMUs SF6 e possuem algumas características que as RMUs SF6 não têm, como a ausência de emissões de gases nocivos, operação realmente sem manutenção e custo total do ciclo de vida menor. Elas estão atraindo cada vez mais a atenção e preferência dos usuários.