Cos'è un sistema isolato in gas (GIS)? Guida completa

UN Sistema isolato in gas (GIS) è una compatta, sistema elettrico ad alta tensione in cui componenti come quadri, interruttori automatici, sezionatori, e i trasformatori sono alloggiati all'interno di un involucro sigillato riempito con gas isolante, tipicamente esafluoruro di zolfo (SF6), invece dell'aria a pressione atmosferica. Questo design riduce significativamente lo spazio richiesto rispetto alle sottostazioni isolate in aria (AIS). L'uso del gas SF6, con la sua rigidità dielettrica e capacità di estinzione dell'arco superiori, consente un ingombro molto più ridotto, rendendo il GIS ideale per le aree urbane, installazioni sotterranee, e altri ambienti con vincoli di spazio. Il design chiuso protegge inoltre i componenti da fattori ambientali come l'inquinamento, nebbia salina, e condizioni meteorologiche estreme, migliorando l’affidabilità e riducendo la manutenzione.

1. Introduzione

Sistemi isolati in gas (GIS) rappresentano un progresso significativo nella tecnologia elettrica ad alta tensione. Sottostazioni tradizionali isolate in aria (AIS) richiedono ampi spazi tra i componenti sotto tensione a causa della rigidità dielettrica relativamente bassa dell'aria. Ciò si traduce in grandi ingombri di sottostazioni, rendendoli inadatti a molti luoghi urbani e con vincoli di spazio. GIS la tecnologia supera questa limitazione racchiudendo tutte le parti sotto tensione all'interno di un involucro metallico messo a terra riempito con un gas isolante pressurizzato, più comunemente esafluoruro di zolfo (SF6).

Il concetto di utilizzare un gas come mezzo isolante non è nuovo, ma lo sviluppo di SF6 il gas con le sue proprietà eccezionali ha rivoluzionato la progettazione delle apparecchiature ad alta tensione. SF6 ha una rigidità dielettrica approssimativa 2.5 A 3 volte quello dell'aria, allowing for a dramatic reduction in the size of the equipment. It also has excellent arc-quenching capabilities, making it ideal for use in interruttori automatici.

2. Why Use a Sistema isolato in gas?

The adoption of GIS technology is driven by several key advantages:

• Space Saving: The most significant advantage of GIS is its compact size. UN GIS substation can occupy as little as 10% of the space required by a comparable AIS substation. This is particularly crucial in urban areas where land is expensive and scarce.
• Alta affidabilità: The enclosed design of GIS protects the internal components from environmental factors such as pollution, nebbia salina, umidità, and animal intrusion. This significantly reduces the risk of faults and enhances the overall reliability of the system.
• Maggiore sicurezza: All live parts are enclosed within a grounded metallic enclosure, minimizing the risk of accidental contact and improving safety for personnel.
• Manutenzione ridotta: L'ambiente sigillato e l'uso di SF6 gas, che è chimicamente inerte e non degradante, ridurre significativamente la necessità di manutenzione rispetto all'AIS.
• Installazione interna e interrata: GIS è adatto sia per installazioni interne che esterne. Le sue dimensioni compatte e il design chiuso lo rendono ideale per le sottostazioni sotterranee, minimizzandone ulteriormente l’impatto visivo.
• Aspetto estetico: GIS le sottostazioni hanno un aspetto molto più piccolo ed esteticamente gradevole rispetto alle sottostazioni AIS.

3. Componenti di a GIS

• Interruttori automatici: Utilizzato per interrompere correnti di guasto e isolare sezioni del sistema. GIS gli interruttori automatici in genere utilizzano SF6 gas sia per l'isolamento che per l'estinzione dell'arco.
• Sezionatori (Isolatori): Utilizzato per fornire un isolamento visibile delle apparecchiature a fini di manutenzione. Non sono progettati per interrompere la corrente di carico.
• Sezionatori di terra: Used to ground de-energized equipment, garantendo la sicurezza during maintenance.
• Attuale Trasformatori (CT): Used to measure the current flowing in the high-voltage conductors for protection and metering purposes.
• Trasformatori di tensione (VT): Used to measure the voltage of the high-voltage system for protection and metering purposes.
• Sbarre: The main conductors that carry the current between different components of the GIS.
• Scaricatori di sovratensione: Used to protect the GIS from overvoltages caused by lightning strikes or switching operations.
• Gas-Tight Enclosure: The grounded metallic enclosure that houses all the components and contains the SF6 gas. The enclosure is typically made of aluminum or steel.
• Gas Monitoring System: Monitors the pressure, density, and purity of the SF6 gas.

Figura 1: Schematic diagram of a typical Sistema isolato in gas (GIS), showing the main components.

4. The Role of SF6 Gas

Esafluoruro di zolfo (SF6) is a colorless, inodore, non tossico, and non-flammable gas that has exceptional dielectric and arc-quenching properties. These properties make it the ideal insulating medium for GIS.

Key Properties of SF6 Gas:

• High Dielectric Strength: SF6 ha una rigidità dielettrica approssimativa 2.5 A 3 times that of air at the same pressure. This allows for much smaller clearances between energized components.
• Excellent Arc-Quenching Capability: SF6 is very effective at extinguishing arcs that occur when a circuit breaker interrupts current. It absorbs the energy of the arc and rapidly cools it down, preventing re-ignition.
• Stabilità chimica: SF6 is chemically inert and does not decompose under normal operating conditions. This ensures long-term stability and performance.
• Thermal Stability: SF6 has good thermal stability, allowing it to operate over a wide range of temperatures.
• Non-Toxicity: SF6 itself is non-toxic. Tuttavia, in the presence of an arc, it can decompose into byproducts that may be toxic. Proper handling and ventilation procedures are necessary.

While SF6 is a very useful gas for GIS, it is also a potent greenhouse gas, with a global warming potential (GWP) circa 23,500 times that of carbon dioxide (CO2). Because of this, there is increasing focus on minimizing SF6 emissions and finding alternative gases.

5. Alternatives to SF6 Gas

Due to the high GWP of SF6, the industry is actively researching and developing alternative insulating gases for GIS. These alternatives aim to reduce the environmental impact while maintaining the performance and reliability of GIS. Some potential alternatives include:

• **Fluoroketones:** These have a significantly lower GWP than SF6 and good dielectric properties.
• **Fluoronitriles:** These also offer a lower GWP and good dielectric strength.
• **Mixtures of Gases:** Combining gases like CO2, N2, e l'O2 con piccole quantità di composti fluorurati può ridurre il GWP complessivo mantenendo prestazioni accettabili.
• **Aria pulita (Aria secca):** Mentre l'aria ha una rigidità dielettrica inferiore a SF6, stanno facendo progressi nella progettazione e pressioni di esercizio più elevate "aria pulita" GIS un'opzione praticabile per alcuni livelli di tensione.

La transizione verso gas alternativi è in corso, con continui sforzi di ricerca e sviluppo focalizzati sull’ottimizzazione delle prestazioni, costo, e impatto ambientale.

6. Monitoraggio e Manutenzione di GIS

Sebbene il GIS richieda meno manutenzione dell'AIS, il monitoraggio e la manutenzione regolari sono ancora essenziali garantirne l’affidabilità a lungo termine e sicurezza. Aspetti chiave di Monitoraggio GIS includere:

• SF6 Monitoraggio del gas: Monitoraggio regolare della pressione, density, e la purezza del SF6 il gas è fondamentale. Le perdite possono ridurre le proprietà isolanti del gas e aumentare il rischio di guasti. Densità del gas monitors and leak detection systems are used for this purpose.
• Scarico parziale (PD) Monitoraggio: PD is a localized electrical discharge that can occur within insulation defects. PD monitoring can detect early signs of insulation degradation, allowing for timely intervention before a major fault occurs. Techniques used for PD monitoring in GIS include UHF (Frequenza ultraelevata) sensori, acoustic emission (AE) sensori, and HFCT (High-Frequency Current Transformer) sensori.
• Monitoraggio della temperatura: Overheating can indicate various problems, such as poor connections, excessive current, o degrado dell'isolamento. Temperature monitoring can be performed using traditional sensors (termocoppie, RTD), infrarossi (E) termografia, O sensori in fibra ottica. Basato sulla fluorescenza sensori in fibra ottica are particularly well-suited for GIS due to their immunity to EMI, piccola dimensione, e alta precisione.
• Monitoraggio dell'interruttore automatico: Monitoring the operation of circuit breakers, including operating times, usura dei contatti, and mechanism performance, is essential for ensuring reliable fault interruption.
• Visual Inspections: Periodic visual inspections can help identify external signs of problems, such as gas leaks, corrosione, or damage to the enclosure.

7. Applications of GIS

• Sottostazioni ad alta tensione: GIS is the preferred tecnologia for high-voltage substations in urban areas where space is limited.
• Underground Substations: The compact size and enclosed design of GIS make it ideal for underground substations.
• Piattaforme offshore: GIS is used in offshore wind farms and oil and gas platforms due to its compact size, affidabilità, and resistance to harsh environmental conditions.
• Impianti Industriali: GIS is used in industrial plants with high power requirements, such as steel mills, fonderie di alluminio, e impianti chimici.
• Hydroelectric Power Plants: GIS is often used in hydroelectric power plants, where space may be limited and environmental considerations are important.
• Mobile Substations: GIS can be used in mobile substations for temporary Alimentazione elettrica during emergencies or maintenance.