O que é um sistema isolado a gás (SIG)? Guia abrangente

UM Sistema Isolado a Gás (SIG) é um compacto, sistema elétrico de alta tensão onde componentes como comutadores, disjuntores, seccionadores, e os transformadores são alojados dentro de um invólucro selado preenchido com um gás isolante, normalmente hexafluoreto de enxofre (SF6), em vez de ar à pressão atmosférica. Este projeto reduz significativamente o espaço necessário em comparação com subestações isoladas a ar (AIS). O uso de gás SF6, com sua rigidez dielétrica superior e capacidade de extinção de arco, permite uma pegada muito menor, tornando o GIS ideal para áreas urbanas, instalações subterrâneas, e outros ambientes com espaço limitado. O design fechado também protege os componentes de fatores ambientais, como poluição, spray de sal, e condições climáticas extremas, aumentando a confiabilidade e reduzindo a manutenção.

1. Introdução

Sistemas Isolados a Gás (SIG) representam um avanço significativo na tecnologia elétrica de alta tensão. Subestações tradicionais isoladas a ar (AIS) requerem grandes folgas entre componentes energizados devido à rigidez dielétrica relativamente baixa do ar. Isso resulta em grandes dimensões da subestação, tornando-os inadequados para muitos locais urbanos e com espaço limitado. SIG a tecnologia supera essa limitação encerrando todas as partes energizadas dentro de um invólucro metálico aterrado preenchido com um gás isolante pressurizado, mais comumente hexafluoreto de enxofre (SF6).

O conceito de usar um gás como meio isolante não é novo, mas o desenvolvimento de SF6 o gás com suas propriedades excepcionais revolucionou o design de equipamentos de alta tensão. SF6 tem uma rigidez dielétrica de aproximadamente 2.5 para 3 vezes a do ar, permitindo uma redução drástica no tamanho do equipamento. Ele também possui excelentes capacidades de extinção de arco, tornando-o ideal para uso em disjuntores.

2. Por que usar um Sistema Isolado a Gás?

A adoção de SIG a tecnologia é impulsionada por várias vantagens importantes:

• Economia de espaço: A vantagem mais significativa SIG é o seu tamanho compacto. UM SIG subestação pode ocupar tão pouco quanto 10% do espaço exigido por uma subestação AIS comparável. Isto é particularmente crucial em áreas urbanas onde os terrenos são caros e escassos..
• Alta confiabilidade: O design fechado de SIG protege os componentes internos de fatores ambientais, como poluição, spray de sal, umidade, e intrusão de animais. Isto reduz significativamente o risco de falhas e aumenta a confiabilidade geral do sistema.
• Segurança aprimorada: Todas as partes energizadas são encerradas em um invólucro metálico aterrado, minimizing the risk of accidental contact and improving safety for personnel.
• Manutenção reduzida: The sealed environment and the use of SF6 gás, which is chemically inert and non-degrading, significantly reduce the need for maintenance compared to AIS.
• Indoor and Underground Installation: SIG is suitable for both indoor and outdoor installations. Its compact size and enclosed design make it ideal for underground substations, further minimizing its visual impact.
• Aesthetic Appearance: SIG substations have a much smaller and more aesthetically pleasing appearance compared to AIS substations.

3. Components of a SIG

• Disjuntores: Used to interrupt fault currents and isolate sections of the system. SIG circuit breakers typically use SF6 gas for both insulation and arc quenching.
• Seccionadores (Isolators): Used to provide visible isolation of equipment for maintenance purposes. They are not designed to interrupt load current.
• Earthing Switches: Used to ground de-energized equipment, garantindo a segurança during maintenance.
• Atual Transformadores (TCs): Used to measure the current flowing in the high-voltage conductors for protection and metering purposes.
• Transformadores de Tensão (VTs): Used to measure the voltage of the high-voltage system for protection and metering purposes.
• Barramentos: The main conductors that carry the current between different components of the SIG.
• Pára-raios: Used to protect the SIG 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 gás. The enclosure is typically made of aluminum or steel.
• Gas Monitoring System: Monitors the pressure, densidade, and purity of the SF6 gas.

Figura 1: Schematic diagram of a typical Sistema Isolado a Gás (SIG), showing the main components.

4. The Role of SF6 Gás

Hexafluoreto de enxofre (SF6) is a colorless, inodoro, não tóxico, e gás não inflamável que possui propriedades dielétricas e de extinção de arco excepcionais. Estas propriedades fazem dele o meio isolante ideal para SIG.

Principais propriedades de SF6 Gás:

• Alta resistência dielétrica: SF6 tem uma rigidez dielétrica de aproximadamente 2.5 para 3 vezes a do ar à mesma pressão. Isso permite folgas muito menores entre componentes energizados.
• Excelente capacidade de extinção de arco: SF6 é muito eficaz na extinção arcos que ocorrem quando um disjuntor interrompe a corrente. Absorve a energia do arco e o resfria rapidamente, impedindo a re-ignição.
• Estabilidade Química: SF6 é quimicamente inerte e não se decompõe sob condições normais de operação. Isso garante estabilidade e desempenho a longo prazo.
• Estabilidade Térmica: SF6 tem boa estabilidade térmica, permitindo que ele opere em uma ampla faixa de temperaturas.
• Não-toxicidade: SF6 em si não é tóxico. No entanto, na presença de um arco, 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 (PAG) aproximadamente 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 Gás

Due to the high GWP of SF6, the industry is actively researching and developing alternative insulating gases for SIG. These alternatives aim to reduce the environmental impact while maintaining the performance and reliability of SIG. 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, and O2 with small amounts of fluorinated compounds can reduce the overall GWP while maintaining acceptable performance.
• **Clean Air (Dry Air):** While air has a lower dielectric strength than SF6, advances in design and higher operating pressures are making "clean air" GIS a viable option for some níveis de tensão.

The transition to alternative gases is ongoing, with ongoing research and development efforts focused on optimizing performance, custo, and environmental impact.

6. Monitoring and Maintenance of SIG

Although GIS requires less maintenance than AIS, regular monitoring and maintenance are still essential to ensure its long-term reliability e segurança. Key aspects of GIS monitoring incluir:

• SF6 Monitoramento de Gás: Regularly monitoring the pressure, densidade, and purity of the SF6 gas is crucial. Leaks can reduce the insulating properties of the gas and increase the risk of failure. Densidade do gás monitors and leak detection systems are used for this purpose.
• Descarga Parcial (DP) Monitoramento: DP is a localized electrical discharge that can occur within insulation defects. DP monitoring can detect early signs of insulation degradation, allowing for timely intervention before a major fault occurs. Techniques used for DP monitoring in SIG include UHF (Frequência ultra-alta) sensores, emissão acústica (EA) sensores, and HFCT (Transformador de corrente de alta frequência) sensores.
• Monitoramento de temperatura: Overheating can indicate various problems, como conexões ruins, corrente excessiva, ou degradação do isolamento. Temperature monitoring can be performed using traditional sensors (termopares, IDT), infravermelho (E) termografia, ou sensores de fibra óptica. Baseado em fluorescência sensores de fibra óptica are particularly well-suited for GIS due to their immunity to EMI, tamanho pequeno, e alta precisão.
• Monitoramento de Disjuntores: Monitoring the operation of circuit breakers, including operating times, desgaste de contato, e desempenho do mecanismo, é essencial para garantir interrupção confiável de falhas.
• Inspeções Visuais: Inspeções visuais periódicas podem ajudar a identificar sinais externos de problemas, como vazamentos de gás, corrosão, ou danos ao gabinete.

7. Aplicações de SIG

• Subestações de alta tensão: SIG é o preferido tecnologia para subestações de alta tensão em áreas urbanas onde o espaço é limitado.
• Subestações Subterrâneas: O tamanho compacto e o design fechado do SIG torná-lo ideal para subestações subterrâneas.
• Plataformas Offshore: SIG é usado em parques eólicos offshore e plataformas de petróleo e gás devido ao seu tamanho compacto, confiabilidade, e resistência a condições ambientais adversas.
• Plantas Industriais: SIG é usado em plantas industriais com altos requisitos de energia, como siderúrgicas, fundições de alumínio, e fábricas de produtos químicos.
• Usinas Hidrelétricas: SIG é frequentemente usado em usinas hidrelétricas, where space may be limited and environmental considerations are important.
• Mobile Substations: SIG can be used in mobile substations for temporary fonte de energia during emergencies or maintenance.