Quins són els avantatges fonamentals dels sistemes GIS en sistemes elèctrics d’alta tensió?

Quins són els avantatges fonamentals dels sistemes GIS en sistemes elèctrics d’alta tensió?

Una subestació convencional aïllada amb aire (AIS) de 220 kV ocupa aproximadament entre 5.000 i 8.000 metres quadrats. Una subestació amb equipament de commutació aïllat amb gas (GIS) al mateix nivell de tensió es pot instal·lar en una superfície de 500 a 1.200 metres quadrats: una reducció d’empremta d’un 85 % o més. Aquest sol número impulsa l’adopció de sistemes GIS en àrees urbanes, plataformes offshore, coves d’hidroelèctriques i qualsevol lloc on el cost del terreny o les limitacions d’espai facin inviable una AIS. Però l’empremta és només l’avantatge més evident.

El medi aïllant: per què el SF₆ ho canvia tot

L'aire a pressió atmosfèrica té una resistència dielèctrica d'aproximadament 3 kV/mm. L'hexafluorur de sofre (SF₆) a una pressió manomètrica de 4–6 bar assolix 25–30 kV/mm, és a dir, aproximadament 8–10 vegades més. Per això, un interruptor de circuit GIS de 145 kV cap dins d'un contenidor amb un diàmetre equivalent al d'un escalfador d'aigua domèstic, mentre que un interruptor AIS equivalent requereix distàncies entre fases de 1,5 m i distàncies de fase a terra de 1,3 m.

La molècula de SF₆ és químicament inerta, no tòxica i tèrmicament estable fins a 500 °C. La seva capacitat d'extinció d'arcs és aproximadament 100 vegades superior a la de l'aire, ja que el SF₆ es dissocia a temperatures d'arc superiors a 2.000 K en espècies reactives que absorbeixen electrons i es recombinen ràpidament després del zero de corrent, cosa que permet interrompre corrents de fallada superiors a 63 kA en 2–3 cicles. El gas es regenera automàticament després de cada interrupció, a diferència de l'oli, que es carbonitza i cal substituir-lo després d'un nombre limitat d'interrupcions de fallada.

La preocupació ambiental respecte al SF₆ és el seu potencial d’escalfament global, aproximadament 23.500 vegades superior al del CO₂ en un horitzó de 100 anys. Els dissenys moderns de GIS resolen aquest problema mitjançant compartiments de gas sellats de per vida amb taxes de fuita inferiors al 0,1 % anual per compartiment, molt per sota del màxim del 0,5 % especificat a la norma IEC 62271-203. Els monitors de densitat integrats informen de la pressió del gas en temps real mitjançant la interfície SCADA, alertant els operadors sobre qualsevol tendència de fuita abans que s’apropi al llindar d’alarma.

Intervals de manteniment i cost del cicle de vida

Els AIS requereixen neteja periòdica de les superfícies aïllants, especialment en entorns costaners, industrials o desèrtics, on l’acumulació de sal, pols conductora o sorra redueix la distància de fuga i augmenta el risc de perforació. Les barres d’ences i els interruptors dels GIS estan totalment tancats: la contaminació simplement no pot arribar a les superfícies aïllants. Això allarga l’interval de manteniment des de les inspeccions anuals dels AIS fins a les inspeccions dels GIS cada 5–10 anys, segons el nombre d’operacions mecàniques acumulades pels interruptors i seccionadors.

La comparació de costos del cicle de vida entre GIS i AIS varia segons el nivell de tensió i la ubicació. A 72,5 kV fins a 145 kV en un entorn urbà, els GIS arriben a la paritat de costos amb els AIS en un termini de 8–12 anys quan s’inclouen el cost del terreny, les obres civils i la mà d’obra de manteniment. A 245 kV i superior, els estalvis de terreny per si sols fan sovint que els GIS siguin l’opció de menor cost inicial en aplicacions al centre de la ciutat, on els preus del terreny superen els 500 dòlars per metre quadrat.

Construcció modular i proves a fàbrica

El GIS es lliurat com a baies muntades i provades a fàbrica. Una baia completa de doble barra i un sol interruptor a 145 kV —incloent l'interruptor, dos seccionadors, un commutador de terra, transformadors de corrent i transformadors de tensió— es transporta en 2–3 unitats i es munta in situ mitjançant la connexió de compartiments de gas SF₆ amb brida i connectors de cables de control endollables. Les obres civils in situ consisteixen en una plataforma de formigó nivellada i una xarxa de terra; no hi ha cap estructura de suport d'acer, cap aïllador de suport ni cap sistema de barra conductora aèria.

Les proves de fàbrica d’una cambra completa —incloent l’assaig de suport de tensió elevada, la mesura de descàrrega parcial inferior a 5 pC (picoculombs) segons la norma IEC 62271-203 i les proves de resistència mecànica— eliminen els riscos de posada en servei in situ que representen entre el 30 % i el 40 % dels retards en la posada en servei de projectes AIS. Una cambra GIS que supera l’assaig de descàrrega parcial a fàbrica amb menys de 2 pC normalment mostra nivells de DP indetectables després de la instal·lació, sempre que es segueixin correctament els procediments de manipulació de gas in situ.

Cas: Subestació urbana ubicada sota un edifici comercial

Un servei públic que atenia una àrea metropolitana amb una densitat de 12.000 habitants per quilòmetre quadrat necessitava una nova subestació de 220/66 kV al centre de la ciutat. L’únic emplaçament disponible era el soterrani d’una torre comercial prevista d’ús mixt. Una subestació convencional d’equipaments a l’aire lliure (AIS) hauria requerit 6.000 metres quadrats, és a dir, més del triple de la superfície disponible al soterrani. En canvi, una solució GIS de 220 kV, configurada com un sistema de doble barra amb 8 baies d’alimentació i 2 baies de transformadors, va caber dins dels 800 metres quadrats, incloent-hi tots els transformadors de potència, la sala de control i els sistemes auxiliars. L’equipament GIS, subministrat per un fabricant integrat d’equipaments elèctrics, va ser provat a fàbrica en muntatges de 6 baies i es va instal·lar en 14 setmanes —un termini impossible d’assolir amb la construcció d’una subestació AIS.

Preguntes freqüents

És adequat el GIS per a la instal·lació a l’exterior?

Sí. Les carcasses GIS exteriors són estanques a la intempèrie amb armaris de control classificats IP65 i carcasses d’aliatge d’alumini resistent a la corrosió. Els GIS exteriors eliminen la necessitat d’un edifici, reduint encara més els costos d’obres civils, i són habituals a la gamma de 72,5–145 kV.

Com es gestiona el gas SF₆ durant la manteniment?

El manteniment que implica l’obertura del compartiment de gas fa servir carros de recuperació de gas que extreuen el SF₆ cap a cilindres d’emmagatzematge, el filtren per eliminar els subproductes de descomposició i el retornen al compartiment després del manteniment. Cap SF₆ no es vessa a l’atmosfera en un procediment de manteniment correctament executat.

Què passa si es produeix una fuita de SF₆?

El monitor de densitat del baixell activa una alarma de baixa pressió al primer llindar, normalment al 90 % de la densitat nominal de càrrega. Al 85 %, es bloqueja l’operació del commutador o del seccionador per evitar-ne l’ús amb una isolació compromesa. Es despachen operaris per localitzar i reparar la fuita abans d’arribar al llindar de bloqueig.

Es pot ampliar el GIS després de la instal·lació inicial?

Sí. El disseny modular de les bahies permet l'ampliació mitjançant l'afegit d'unitats noves adjacents a la barra col·lectora existent, amb seccions addicionals de barra col·lectora instal·lades durant una aturada programada. Normalment, els ports per a futures ampliacions es especifiquen durant el projecte inicial per facilitar-ne l'expansió posterior.

Com es compara el GIS amb l'AIS en relació al comportament sísmic?

El GIS té un rendiment significativament millor, ja que el seu centre de gravetat baix —l'equipament sencer té menys de 3 metres d'alçada— li confereix una estabilitat intrínseca superior a la dels aïlladors d'AIS, que poden arribar a 5–6 metres. El GIS és l'estàndard en zones sísmiques, on l'AIS exigiria sistemes costosos d'aïllament de base.

On es pot adquirir una subestació GIS completa?

Els fabricants integrats d'equips elèctrics que subministren paquets complets de subestacions —transformadors, quadres de commutació, protecció i SCADA— ofereixen solucions GIS «turnkey». Empreses com Liaoning Sinotech Group ofereixen GIS de 72,5 kV a 245 kV com a part de la seva línia de productes per a subestacions.