Definizione, componenti e applicazioni dei quadri isolati in gas

Quadro isolato in gas (GIS) è un'apparecchiatura elettrica che utilizza un gas come l'esafluoruro di zolfo (SF6) per isolare e salvaguardare diverse parti di un sistema di alimentazione. Comprende scomparti racchiusi in metallo che contengono interruttori automatici, sezionatori, sbarre collettrici, trasformatori, sezionatori di terra, scaricatori di sovratensione e altri componenti. Il GIS viene utilizzato prevalentemente per scopi di media e alta tensione, soprattutto in situazioni in cui lo spazio è limitato e l'affidabilità è fondamentale.

Questo articolo definirà il GIS, compresi i suoi vantaggi, svantaggi e usi. Inoltre, confronteremo il GIS con l'AIS, la forma tradizionale di quadro che utilizza l'aria per l'isolamento.

Cos'è il quadro isolato in gas?

A quadri isolati in gas(GIS) è caratterizzato come un quadro con involucro metallico che utilizza un gas, come SF6, come isolamento primario tra le parti attive e l'involucro metallico messo a terra. Il gas offre rigidità dielettrica, stabilità termica e notevoli capacità di estinzione dell'arco.

Le componenti principali di un GIS sono:

Interruttori:Questi dispositivi sono progettati per interrompere il flusso di corrente elettrica in un circuito quando si verifica un problema. Utilizzano il vuoto o l'SF6 come mezzo di interruzione, scelto in base alla tensione e allo scopo del circuito.

Sezionatori:Questi dispositivi sono in grado di isolare una parte specifica di un circuito dal resto del sistema, consentendo di eseguire interventi di manutenzione o test senza interrompere l'intero sistema. Utilizzano l'SF6 come mezzo isolante e possono essere controllati manualmente o da remoto.

Sbarre autobus:Questi conduttori collegano varie sezioni del sistema elettrico, come generatori, trasformatori e alimentatori. Utilizzano SF6 per l'isolamento e sono configurati in una configurazione trifase.

Trasformatori:Questi dispositivi possono modificare il livello di tensione di un circuito elettrico, utilizzando l'SF6 come mezzo isolante. Possono essere classificati come trasformatori di potenza o trasformatori di strumenti, che includono trasformatori di corrente o trasformatori di tensione.

Interruttori di terra:Questi dispositivi vengono utilizzati per la sicurezza e la messa a terra collegando parte del circuito a terra. Utilizzano l'SF6 come mezzo isolante e possono essere controllati manualmente o a distanza.

Ondata di arresti:Questi dispositivi sono progettati per salvaguardare i circuiti dai picchi di tensione causati da fulmini o eventi di commutazione. Utilizzano l'SF6 come materiale isolante e possono essere classificati in due tipi: varistori a ossido di metallo (MOV) o spinterometri.

I componenti sono alloggiati all'interno di un involucro metallico riempito con gas SF6 a una pressione specifica. L'involucro è suddiviso in più sezioni sigillate, separate da divisori a tenuta di gas. Le sezioni sono collegate da tubi gas e valvole che facilitano il flusso del gas e la regolazione della pressione.

L'involucro è dotato di sensori, monitor, indicatori, allarmi e dispositivi di controllo per garantire il funzionamento sicuro ed efficiente del GIS. A seconda delle condizioni ambientali e delle esigenze progettuali, la custodia può essere posizionata all'interno o all'esterno.

Come funzionano i quadri isolati in gas?

Il principio principale del funzionamento del GIS è l'utilizzo del gas SF6 come isolante ed estinguente dell'arco. Il gas SF6 presenta numerosi vantaggi rispetto all'aria come mezzo isolante.

◆　Ha una rigidità dielettrica maggiore dell'aria, il che significa che può sopportare tensioni più elevate senza guasti.

◆　Ha un peso molecolare inferiore a quello dell'aria, il che significa che ha una conduttività termica più elevata e può dissipare il calore in modo più efficiente.

◆　Ha un'elettronegatività maggiore rispetto all'aria, il che significa che può catturare più efficacemente gli elettroni liberi e ridurre la ionizzazione nell'arco.

Queste proprietà rendono il gas SF6 ideale per le applicazioni GIS, dove lo spazio è limitato e l'affidabilità è essenziale.

Il funzionamento di GIS può essere spiegato utilizzando l'esempio di un interruttore automatico trifase. In condizioni normali, i contatti dell'interruttore sono chiusi e la corrente li attraversa. Quando si verifica un guasto nel circuito, come un cortocircuito o un sovraccarico, i contatti si separano e tra di loro si forma un arco.

L'arco è composto da gas ionizzato che conduce l'elettricità. L'arco genera calore e pressione che possono danneggiare i contatti e altri componenti. Per evitare ciò, l'arco deve essere spento il più rapidamente possibile.

Il processo di estinzione dell'arco in GIS prevede due meccanismi: interruzione termica e interruzione dielettrica.

Interruzione termica:Questo processo dipende dall'abbassamento della temperatura dell'arco elettrico trasferendo calore al gas vicino. Quando l'arco si raffredda, la sua resistenza aumenta, provocando una diminuzione della corrente fino a raggiungere lo zero in un punto di passaggio per lo zero della corrente naturale. Quando ciò accade, l'arco viene spento.

Interruzione dielettrica:Questo sistema si basa sull'aumento della capacità del gas di resistere ai guasti elettrici eliminando le particelle ionizzate nel percorso dell'arco elettrico. Quando l'arco viene interrotto, il gas SF6 entra nello spazio e cattura gli elettroni non legati, creando molecole prive di carica che non possono trasportare corrente elettrica. La capacità del gas di resistere alla rottura ritorna rapidamente alla normalità, impedendo la riaccensione dell'arco.

Dopo che l'arco si è spento, i contatti si chiudono nuovamente e il circuito viene ripristinato. Un sistema di gestione del gas monitora e controlla la pressione del gas SF6 e garantisce inoltre la qualità del gas e il rilevamento delle perdite.

Applicazioni di quadri isolati in gas.

Il GIS è ampiamente utilizzato in varie applicazioni grazie alla sua compattezza, affidabilità e bassa manutenzione. Alcune delle applicazioni comuni del GIS sono:

Aree urbane o industriali:Il GIS è ideale per le aree urbane o industriali dove lo spazio è scarso e i livelli di inquinamento sono elevati. GIS può essere installato all'interno o all'esterno, su tetti, piattaforme sotterranee o offshore, senza compromettere l'ambiente o l'estetica.

Generazione e trasmissione di energia:Il GIS viene utilizzato per collegare le centrali elettriche alla rete, nonché per trasmettere e distribuire energia su lunghe distanze e su diversi livelli di tensione. Il GIS può gestire correnti e tensioni elevate, oltre a fornire funzioni di protezione e controllo per i sistemi di alimentazione.

Integrazione delle energie rinnovabili:Il GIS viene utilizzato per integrare nella rete le fonti di energia rinnovabile, come i parchi eolici o gli impianti solari. Il GIS può fornire connessioni flessibili e affidabili, nonché regolazione di tensione e frequenza per la generazione di energia intermittente.

Ferrovie e metropolitane:Il GIS viene utilizzato per fornire energia alle ferrovie e alle metropolitane, nonché per controllare e proteggere i loro sistemi elettrici. Il GIS può ridurre le perdite e migliorare l’efficienza, oltre a fornire sicurezza e affidabilità a passeggeri e operatori.

Data center e fabbriche:Il GIS viene utilizzato per fornire energia a data center e fabbriche, dove un'alimentazione ininterrotta e di alta qualità è essenziale per il loro funzionamento. Il GIS può fornire elevata disponibilità, ridondanza e tolleranza ai guasti, oltre a ridurre le interferenze elettromagnetiche e le armoniche.

Confronto tra quadri isolati in gas e quadri isolati in aria.

Quadro isolato in gas (GIS) presenta numerosi vantaggi rispetto ai quadri isolati in aria (AIS), che è il tipo convenzionale di quadro che utilizza l'aria come mezzo isolante. Alcuni dei vantaggi del GIS sono:

Risparmio di spazio:I sistemi di informazione geospaziale (GIS) possono ridurre significativamente i requisiti spaziali di una sottostazione, riducendone l'ingombro fino al 90% rispetto ai quadri isolati in aria (AIS). Questa notevole riduzione è ottenibile poiché il GIS può essere ospitato all'interno di un edificio a uno o più piani o interrato, eliminando così la necessità di un'ampia area aperta tipicamente richiesta dall'AIS per l'installazione e la manutenzione.

Sicurezza:La tecnologia GIS (Geographic Information System) può migliorare notevolmente la sicurezza del personale e delle attrezzature eliminando i rischi associati alle parti sotto tensione e ai rischi di archi elettrici. Inoltre, il GIS riduce al minimo la probabilità di incendi, esplosioni o inquinamento ambientale, poiché contiene gas SF6 in un involucro sicuro e a prova di perdite.

Affidabilità:Un sistema di informazione geografica (GIS) può migliorare l'affidabilità di un'alimentazione elettrica riducendo al minimo il numero di componenti mobili e connessioni che possono deteriorarsi o funzionare male. Inoltre, il GIS ha una durata di vita più lunga rispetto a un sistema di identificazione automatica (AIS) poiché è meno suscettibile agli influssi ambientali come umidità, polvere, corrosione o inquinamento.

Manutenzione:L'utilizzo del GIS può ridurre le spese di manutenzione e ridurre al minimo i tempi di inattività poiché necessita di manutenzione e controlli meno regolari rispetto all'AIS. Il GIS è dotato di funzionalità di autodiagnosi in grado di identificare i problemi e avvisare gli operatori prima che si intensifichino.

Tuttavia, il GIS presenta degli svantaggi rispetto all’AIS, soprattutto in termini di costi. Il GIS è più costoso dell'AIS in termini di costi iniziali e spese operative correnti. Ciò è dovuto alla necessità di tecnologie e materiali più avanzati, insieme a standard di qualità e processi di test più rigorosi.

Complessità:Il GIS presenta un livello più elevato di complessità nella progettazione e nell'implementazione rispetto all'AIS a causa della necessità di maggiore coordinamento e integrazione tra vari componenti e sistemi, tra cui la gestione del gas, la protezione, il controllo, la comunicazione e altri.

Disponibilità:Il GIS potrebbe non essere sempre accessibile come l'AIS, in particolare nelle situazioni in cui si verifica un guasto all'interno di un compartimento, che influisce su diversi componenti. Ciò è dovuto al fatto che il GIS in genere richiede una maggiore quantità di tempo e risorse per identificare e correggere il guasto rispetto all'AIS. Di conseguenza, la decisione se optare per GIS o AIS dipende da una serie di fattori, tra cui le condizioni del sito, i requisiti tecnici, considerazioni economiche e preferenze individuali.

Tipi e modelli di quadri isolati in gas.

Sono disponibili diversi tipi e modelli di quadri isolati in gas di vari produttori. Alcuni dei tipi comuni sono:

GIS a fase isolata:In questa tipologia ogni fase del circuito è assemblata separatamente nel suo vano. Questo tipo richiede più spazio rispetto ad altri tipi di GIS, ma previene guasti fase per fase.

GIS trifase integrato:In questa tipologia tutte e tre le fasi del circuito sono assemblate in un unico compartimento. Questo tipo riduce lo spazio richiesto di un terzo rispetto al GIS a fase isolata.

GIS ibrido:In questo tipo viene utilizzata una combinazione di elementi fase isolata e trifase. Questo tipo fornisce un equilibrio tra risparmio di spazio e prevenzione dei guasti.

GIS compatto:In questa tipologia, più di un elemento funzionale è incapsulato in un unico scomparto. Ad esempio, in un unico modulo è possibile combinare un interruttore automatico, un sezionatore e un trasformatore di corrente. Questo tipo riduce ulteriormente lo spazio richiesto rispetto ad altri tipi di GIS.

Sistema altamente integrato (HIS):In questa tipologia, tutte le apparecchiature della sottostazione sono incapsulate insieme in un unico contenitore. Questa tipologia fornisce una soluzione completa per una sottostazione esterna in una singola unità, eliminando la necessità di collegamenti esterni e riducendo i tempi di installazione.

Conclusione.

Quadro isolato in gasè un tipo di apparecchiatura elettrica che utilizza un gas, come SF6, come isolante primario e mezzo di estinzione dell'arco. È costituito da compartimenti chiusi in metallo che ospitano vari componenti del sistema di alimentazione, come interruttori automatici, sezionatori, sbarre collettrici, trasformatori, sezionatori di terra, scaricatori di sovratensione, ecc.

Il GIS presenta numerosi vantaggi rispetto ai quadri isolati in aria, come risparmio di spazio, sicurezza, affidabilità e bassa manutenzione. Tuttavia, il GIS presenta anche alcuni svantaggi, come costi elevati, complessità e, in alcuni casi, minore disponibilità.

Il GIS è ampiamente utilizzato in varie applicazioni, come aree urbane o industriali, produzione e trasmissione di energia, integrazione di energie rinnovabili, ferrovie e metropolitane, data center e fabbriche. A seconda del livello di tensione e dei requisiti di progettazione, sono disponibili diversi tipi e modelli di GIS di diversi produttori.

GIS è una tecnologia moderna e avanzata in grado di fornire soluzioni efficienti e affidabili per i sistemi energetici. Tuttavia, è importante comprenderne le caratteristiche, i vantaggi, gli svantaggi e le applicazioni prima di scegliere il tipo di quadro per un progetto specifico.