Unidades de anillo SF₆ (RMUs) y renovación de la red urbana

Resumen​
Las redes de distribución más antiguas tienen principalmente una estructura radial, con la mayoría de las líneas de entrada y salida siendo líneas aéreas. El equipo de conmutación típicamente consiste en interruptores de vacío aislados por aire o interruptores de circuito con poco aceite. Estas redes sufren de fallos frecuentes, costos operativos altos y apagones prolongados y generalizados en caso de falla, lo que obstaculiza significativamente el desarrollo económico.

Con el rápido crecimiento económico y la implementación de la renovación de la red urbana, la demanda de mayor confiabilidad en el suministro de energía ha aumentado. Las Unidades de Distribución en Anillo (RMUs) completamente aisladas, selladas, libres de mantenimiento y compactas con SF₆ han vuelto a ser una garantía para un suministro de energía confiable.

​1 Tipos y características estructurales de los RMUs SF₆​

​1.1 Tipos de RMUs SF₆​
Los RMUs SF₆ se pueden clasificar en dos tipos principales según su estructura: Tipo de Tanque Común y Tipo de Unidad Modular. Los RMUs del Tipo de Tanque Común tempranos generalmente tenían una entrada, un bucle y una salida, adecuados para cargas pequeñas. Sin embargo, con el aumento de las demandas de carga, surgió el Tipo de Unidad Modular expansible, ofreciendo una capacidad de distribución máxima de hasta 10 MVA.

Los RMUs SF₆ se pueden categorizar por función en Tipo de Cable, Tipo de Fusible y Tipo de Interruptor de Circuito SF₆:

• ​Tipo de Cable:​​ Utilizado para entradas/salidas de cable. La corriente nominal es 630A.
• ​Tipo de Fusible:​​ Puede conectarse directamente a transformadores. La corriente nominal es 200A. Sin embargo, considerando el efecto de elevación de temperatura de los fusibles, cada RMU está prácticamente limitado a suministrar transformadores de hasta 1600 kVA en aplicaciones reales.
• ​Tipo de Interruptor de Circuito SF₆:​​ Utilizado para proteger transformadores que superan los 1600 kVA. También puede funcionar como unidad de entrada o sección de bus con protección contra sobrecorriente e interrupción instantánea. Su corriente nominal es 630A, con un tiempo total de interrupción de fallas de 95ms.
  Las configuraciones básicas de los RMUs SF₆ se muestran en la figura siguiente.

​1.2 Características estructurales de los RMUs SF₆​
El RMU SF₆ del Tipo de Tanque Común generalmente consta de un tanque de gas, un compartimento de mecanismo de operación y un compartimento de conexión de cables. El Tipo de Unidad Modular requiere adicionalmente un compartimento de conexión de barras colectoras.

Los RMUs SF₆ tienen las siguientes cuatro características principales:

1. ​Tanque de Gas:​​ Esta es la parte más crítica del RMU. El tanque de gas contiene el interruptor de carga, las barras colectoras, el eje del interruptor y el gas SF₆.
• El interruptor de carga es un interruptor de 3 posiciones, que incluye un interruptor de cuchilla aislador y un canalizador de arco.
• El contacto móvil de la cuchilla tiene dos remaches especiales hechos de aleación Nichrome, que sirven dos propósitos:
• Proporciona lubricación seca durante la apertura/cierre del interruptor, asegurando que la resistencia de contacto entre los contactos móviles y fijos no aumente después de un uso prolongado.
• Debido al alto punto de fusión de la aleación Nichrome, el contacto móvil no se derretirá debido al calor generado por las corrientes de cortocircuito durante el cierre o los períodos de resistencia.
• El canalizador de arco contiene placas de desionización que estiran el arco, reducen la energía del arco y minimizan la cantidad de vapor metálico y productos de descomposición de SF₆ generados cuando el interruptor de carga interrumpe la corriente de carga.
• La parte de la barra colectora que contacta con la cuchilla es el contacto fijo. Además de cumplir con los requisitos de capacidad de corriente nominal y estabilidad dinámica/térmica, el diseño y fabricación de la barra colectora también consideran los efectos del campo electromagnético para minimizar el impacto del campo magnético.
• El eje del interruptor atraviesa el tanque de gas y se conecta al compartimento de mecanismo de operación, permitiendo a los operadores fuera del compartimento controlar los estados de cierre, apertura y tierra del interruptor. Se utiliza una estructura de doble sello en el punto de penetración (la única conexión móvil entre el tanque y el exterior), asegurando estrictamente la hermeticidad del tanque durante la evacuación al vacío y el llenado de gas.
• La tasa de fuga anual del gas SF₆ es solo 0.0035%. Esta baja tasa de fuga es crucial para la operación segura a largo plazo del RMU.
• Además del gas SF₆ para aislamiento y extinción de arcos, el tanque de gas también contiene Óxido de Aluminio (Al₂O₃), que acelera la regeneración del gas SF₆ y actúa como un excelente desecante, manteniendo la calidad del gas SF₆ y minimizando las fallas de arco. En caso de que ocurra tal falla, una membrana antibomba debajo del tanque protege al personal ventilando gases calientes directamente hacia la zanja de cable debajo o detrás de la unidad, lejos de los operadores en la parte frontal.
• El tanque de gas está construido con una chapa de acero inoxidable de 3 mm de espesor, soldada por ambos lados.
2. ​Compartimento de Mecanismo de Operación:​​ El mecanismo de operación dentro se conecta al interruptor de carga y al interruptor de tierra a través del eje del interruptor. Utilizando una varilla de operación insertada en el orificio de operación, los operadores pueden realizar fácilmente operaciones de cierre, apertura y tierra con un esfuerzo mínimo (solo se requieren 60 N·m).
• Dado que los contactos del interruptor no son visibles, el mecanismo de operación cuenta con un indicador de posición directamente vinculado al eje del interruptor, mostrando claramente el estado actual del interruptor de carga y del interruptor de tierra.
• Se instalan bloqueos mecánicos entre el interruptor de carga, el interruptor de tierra y la placa frontal, satisfaciendo los cinco requisitos de bloqueo de seguridad (funciones antifallo).
• Tanto el interruptor de carga como el interruptor de tierra están equipados con mecanismos de cierre/rápido, asegurando que las velocidades de apertura/cierre sean independientes de la velocidad del operador.
• Los interruptores con protección por fusible (equipo de conmutación TS) también tienen un dispositivo de disparo automático, disponible en versiones mecánicas o eléctricas. El principio de disparo mecánico: Durante una falla de cortocircuito en el circuito de la unidad, el fusible se derrite en el primer semiciclo (~10ms) de la corriente de falla. El pin golpeador del fusible impacta el mecanismo de disparo, causando que el interruptor de carga se abra. El tiempo total de interrupción de la falla es solo 35ms, protegiendo eficazmente la unidad y evitando la propagación de la falla a unidades adyacentes. Además, debido a su excelente rendimiento mecánico, la corriente de transferencia del equipo de conmutación de tipo fusible puede alcanzar 2300A.
• Se pueden agregar candados a las palancas de operación en el panel frontal del compartimento de mecanismo de operación para evitar la operación no autorizada.
• Para una operación segura, se instala un manómetro de presión de gas, conectado directamente al tanque de gas y sellado contra la humedad (evitando el empañamiento en el dial), en el compartimento, permitiendo a los personal de mantenimiento monitorear con precisión el estado del RMU en cualquier momento.
• También se instala un indicador de voltaje en el compartimento de mecanismo de operación, permitiendo a los operadores monitorear la energización del circuito (indicador de bombilla de neón) y verificar la fase (utilizando tomas de prueba).
3. ​Compartimento de Conexión de Cables:​​ Ubicado en la parte frontal del RMU con una altura de 1220mm, proporcionando un espacio amplio para la terminación de cables.
• Las conexiones de cable a los pasadores del RMU utilizan accesorios de cable de caucho de silicona sin asbesto (AFTS) o con kit (AWK).
• Las secciones transversales de cable de cobre o aluminio van desde 25–240 mm² (para el equipo de conmutación de tipo fusible) o 35–400 mm² (para el equipo de conmutación de tipo cable).
4. ​Compartimento de Conexión de Barras Colectoras (Unidades Modulares):​​ Ubicado debajo del tanque de gas. Tres pasadores están dispuestos en una configuración escalonada "en escalera", minimizando eficazmente los requisitos de espacio y facilitando las conexiones de barras colectoras.
• Los pasadores son de tipo conductor hueco, permitiendo que las barras colectoras de tubo de cobre se atornillen directamente a las barras colectoras dentro del tanque de gas.
• Se utilizan barras colectoras de tubo de cobre aisladas con caucho de silicona, aumentando eficazmente la capacidad de conducción de corriente y reduciendo el espaciado de fase (solo 110mm).
• Las conexiones entre las barras colectoras y los pasadores utilizan conectores de caucho de silicona (conectores terminales de tipo E y conectores de extensión de tipo T) y tapas atornilladas para conexiones eléctricamente sin fisuras directamente en los pasadores. Estas barras colectoras resisten condiciones adversas como condensación de humedad, polvo conductor y depósitos de sal sin fallar.
• Además, la parte frontal del compartimento de barras colectoras está protegida por una placa de acero a tierra separada, separándola del compartimento de conexión de cables.

​2 Parámetros técnicos y aplicaciones de los RMUs SF₆​

​2.1 Parámetros técnicos​

​2.2 Aplicaciones de los RMUs SF₆​
Debido a su tamaño compacto, naturaleza libre de mantenimiento y alta confiabilidad, los RMUs SF₆ son particularmente adecuados para la distribución de energía en instalaciones críticas, edificios de gran altura, complejos residenciales y redes urbanas. Reducen significativamente los costos operativos y la huella de terreno.

• ​Tipo de Tanque Común de 3 Unidades:​​ Dimensiones solo 980mm × 635mm × 1050mm, lo que lo hace ideal para transformadores de quiosco y aplicaciones al aire libre.
• ​Tipo de Cable Modular:​​ Puede incorporar cajas de derivación con conmutación, admitiendo configuraciones de hasta una entrada y tres salidas (es decir, entrada a través del compartimento de barras colectoras, con tres salidas conectadas en paralelo a través del compartimento de conexión de cables).
• ​Tipo de Fusible Modular:​​ Adecuado para ubicaciones lejanas de subestaciones donde solo se opera un transformador. Para lograr el control local del transformador sin necesidad de una unidad de entrada adicional, el cable de entrada se puede conectar directamente al compartimento de barras colectoras de una unidad de equipo de conmutación de tipo TS, proporcionando la misma funcionalidad.
• ​Equipo de conmutación de tipo interruptor de circuito:​​ Equipado con protección contra sobrecorriente e interrupción instantánea. Puede funcionar como una unidad de protección de transformador, una unidad de entrada o una unidad de sección de bus. Para habilitar el disparo remoto o el disparo mediante la operación del relé de protección de gas del transformador (para el equipo de conmutación de tipo fusible), simplemente se agrega un bobina de disparo electromagnética al mecanismo de operación y se proporciona un suministro de energía de 220V CA o 24V CC al circuito.
  ​Operación motorizada:​​
• Para la automatización de la distribución, se puede agregar un motor eléctrico al compartimento de mecanismo de operación, junto con una caja de control de 350mm de altura montada en la parte superior. La operación local mediante pulsadores (abrir/cerrar) sigue siendo posible.
• Añadir un dispositivo de conmutación automática (ATS) permite la conmutación automática entre dos suministros de entrada, con o sin una configuración definida de principal/reserva.
• Los motores eléctricos generalmente están disponibles en varios niveles de tensión (220V AC, 220V DC, 110V DC, 48V DC, 24V DC) para la selección del usuario.
• Se puede instalar un indicador de falla de cortocircuito en el panel frontal del compartimento de mecanismo de operación, con señales transmitidas a una sala de control remota. Este indicador se puede restablecer automáticamente, manualmente o de forma remota.
• Se pueden añadir transformadores de corriente (CT) de bajo voltaje de núcleo pasante en el compartimento de conexión de cables para medición de corriente.
• También se pueden instalar protectores contra sobretensiones en las unidades de equipo de conmutación de tipo cable para la protección de los RMUs.
  Las funciones de automatización de la distribución se centran principalmente en cinco áreas: Adquisición de datos, Monitoreo y Control, Aislamiento de fallas y Restauración de servicio, Sistema de Información Geográfica (SIG) y Estadísticas y Reportes de datos.
• La implementación de la automatización de la distribución requiere que el equipo primario tenga mecanismos de operación motorizados y Unidades Terminales de Alimentador (FTUs) o Unidades Terminales Remotas (RTUs).
• El cable de fibra óptica es el medio de comunicación preferido. Los protocolos de comunicación deben ser estándares internacionalmente reconocidos y familiares para los usuarios, como IEC 870, DNP 3.0 o TCP/IP.
• La plataforma de software SCADA de la sala de control debe ser capaz de multitarea y multiusuario, como UNIX.
• Se recomienda que la base de datos sea estable con capacidad de procesamiento suficiente, como Oracle.
  Esta solución es particularmente adecuada para RMUs ubicados al aire libre o lejos de fuentes de alimentación de baja tensión, ya que garantiza la operación simultánea de dos motores de 150W más de 50 veces.

​3 Ciclo de vida​
La vida útil de los RMUs SF₆ es típicamente de 25-30 años, y se pueden actualizar convenientemente con equipos de automatización de la distribución. Por lo tanto, los RMUs SF₆ deberían ser la opción preferida para proyectos de renovación de la red urbana.