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, minimizando o risco de contato acidental e melhorando a segurança do pessoal.
• Manutenção reduzida: O ambiente selado e o uso de SF6 gás, que é quimicamente inerte e não degradante, reduzir significativamente a necessidade de manutenção em comparação com AIS.
• Instalação interna e subterrânea: SIG é adequado para instalações internas e externas. Seu tamanho compacto e design fechado o tornam ideal para subestações subterrâneas, minimizando ainda mais seu impacto visual.
• Aparência Estética: SIG as subestações têm uma aparência muito menor e mais esteticamente agradável em comparação com as subestações AIS.

3. Componentes de um SIG

• Disjuntores: Usado para interromper correntes de falta e isolar seções do sistema. SIG disjuntores normalmente usam SF6 gás para isolamento e extinção de arco.
• Seccionadores (Isoladores): Usado para fornecer isolamento visível de equipamentos para fins de manutenção. Eles não são projetados para interromper a corrente de carga.
• Chaves de aterramento: Usado para aterrar equipamentos desenergizados, garantindo a segurança durante a manutenção.
• Atual Transformadores (TCs): Usado para medir a corrente que flui nos condutores de alta tensão para fins de proteção e medição.
• Transformadores de Tensão (VTs): Costumava ser medir a tensão do sistema de alta tensão para fins de proteção e medição.
• Barramentos: Os principais condutores que levar a corrente entre diferentes componentes do SIG.
• Pára-raios: Usado para proteger o SIG de sobretensões causadas por descargas atmosféricas ou operações de comutação.
• Gabinete à prova de gás: O invólucro metálico aterrado que abriga todos os componentes e contém o SF6 gás. O gabinete é normalmente feito de alumínio ou aço.
• Sistema de monitoramento de gás: Monitora a pressão, densidade, e pureza do gás SF6.

Figura 1: Diagrama esquemático de um típico Sistema Isolado a Gás (SIG), mostrando os principais componentes.

4. O papel de SF6 Gás

Hexafluoreto de enxofre (SF6) é um incolor, 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, 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 (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:** Combinando gases como CO2, N2, e O2 com pequenas quantidades de compostos fluorados podem reduzir o PAG global, mantendo ao mesmo tempo um desempenho aceitável.
• **Ar Limpo (Ar seco):** Embora o ar tenha uma rigidez dielétrica menor que o SF6, avanços no design e pressões operacionais mais altas estão tornando "ar limpo" GIS é uma opção viável para alguns níveis de tensão.

A transição para gases alternativos está em curso, com esforços contínuos de pesquisa e desenvolvimento focados na otimização do desempenho, custo, e impacto ambiental.

6. Monitoramento e Manutenção de SIG

Embora o GIS exija menos manutenção que o AIS, monitoramento e manutenção regulares ainda são essenciais para garantir sua confiabilidade a longo prazo e segurança. Principais aspectos de Monitoramento SIG incluir:

• SF6 Monitoramento de Gás: Monitorando regularmente a pressão, densidade, e pureza do SF6 gás é crucial. Vazamentos podem reduzir as propriedades isolantes do gás e aumentar o risco de falha. Densidade do gás monitores e sistemas de detecção de vazamentos são usados ​​para esse fim.
• Descarga Parcial (DP) Monitoramento: DP é uma descarga elétrica localizada que pode ocorrer dentro de defeitos de isolamento. DP o monitoramento pode detectar sinais precoces de degradação do isolamento, permitindo uma intervenção oportuna antes que ocorra uma falha grave. Técnicas usadas para DP monitoramento em SIG incluem UHF (Frequência ultra-alta) sensores, emissão acústica (EA) sensores, e HFCT (Transformador de corrente de alta frequência) sensores.
• Monitoramento de temperatura: O superaquecimento pode indicar vários problemas, como conexões ruins, corrente excessiva, ou degradação do isolamento. O monitoramento de temperatura pode ser realizado usando sensores tradicionais (termopares, IDT), infravermelho (E) termografia, ou sensores de fibra óptica. Baseado em fluorescência sensores de fibra óptica são particularmente adequados para GIS devido à sua imunidade a EMI, tamanho pequeno, e alta precisão.
• Monitoramento de Disjuntores: Monitorando o funcionamento dos disjuntores, incluindo tempos de operação, 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, onde o espaço pode ser limitado e as considerações ambientais são importantes.
• Subestações Móveis: SIG pode ser usado em subestações móveis para uso temporário fonte de energia durante emergências ou manutenção.