Quadri isolati in gas: componenti, usi e manutenzione

Cos'è il quadro isolato in gas e come funziona

Il quadro isolato in gas, comunemente abbreviato in GIS, è un insieme compatto di apparecchiature elettriche di commutazione e protezione alloggiate all'interno di involucri metallici sigillati riempiti con un gas isolante, più comunemente esafluoruro di zolfo (SF6). Il gas fornisce eccellenti proprietà di rigidità dielettrica e di estinzione dell'arco, consentendo di racchiudere componenti ad alta tensione come interruttori automatici, sezionatori, sezionatori di terra, trasformatori di corrente e sbarre collettrici in un ingombro molto più ridotto di quanto sarebbe possibile con i tradizionali quadri isolati in aria (AIS). Ciò rende il GIS particolarmente prezioso nelle sottostazioni situate in aree urbane, terreni montuosi, piattaforme offshore o ovunque il terreno disponibile sia limitato o costoso.

Poiché tutti i componenti sotto tensione sono completamente racchiusi e isolati dall'ambiente esterno, GIS offre anche una forte protezione contro inquinamento, nebbia salina, umidità e polvere, rendendolo la scelta preferita nelle regioni costiere o in aree con forte contaminazione industriale che altrimenti degraderebbero nel tempo le apparecchiature isolate ad aria esposte.

Componenti principali di un assieme GIS

A quadri isolati in gas La baia è costituita da più componenti modulari, ciascuno alloggiato in un proprio vano a tenuta di gas e collegato ai moduli adiacenti tramite barriere isolanti. La comprensione di questi componenti aiuta a chiarire come il sistema esegue le funzioni di commutazione, protezione e isolamento in modo sicuro all'interno di una custodia sigillata.

• Interruttore automatico: interrompe la corrente di guasto utilizzando la capacità di estinzione dell'arco del gas SF6, generalmente valutata per decine di migliaia di ampere di capacità di interruzione.
• Sezionatore (isolatore): fornisce un'interruzione visibile nel circuito per la sicurezza della manutenzione, sebbene non possa interrompere la corrente di carico.
• Sezionatore di terra: collega a terra una sezione diseccitata della sbarra o della linea per proteggere il personale di manutenzione.
• Trasformatori di corrente e tensione: forniscono segnali di misurazione accurati a relè di protezione e sistemi di misurazione.
• Compartimenti sbarre: trasportano la corrente tra i vani e sono generalmente le sezioni riempite di gas più grandi dell'assieme.
• Terminazioni di linea isolate in cavo o in gas: collegano il quadro alle linee di partenza o di trasmissione.

GIS rispetto ai quadri isolati in aria

La scelta tra GIS e AIS dipende dalle condizioni del sito, dal budget e da considerazioni sulla manutenzione a lungo termine. La tabella seguente riassume le differenze principali che gli ingegneri valutano durante la pianificazione della sottostazione.

Confronto GIS e AIS

Classi di tensione e applicazioni tipiche

I quadri isolati in gas sono prodotti in un'ampia gamma di tensioni, dai sistemi di distribuzione a media tensione da circa 12 a 40,5 kV fino alle applicazioni di trasmissione ad altissima tensione superiori a 550 kV. A livello di trasmissione, il GIS viene spesso scelto per le sottostazioni che collegano le principali centrali elettriche, i parchi eolici offshore o le interconnessioni tra le reti regionali, dove l’affidabilità e il risparmio di spazio giustificano i costi più elevati delle apparecchiature. A livello distributivo, il GIS è comune nelle sottostazioni urbane costruite all'interno di edifici o volte sotterranee, dove le dimensioni compatte consentono di posizionare i quadri vicino ai centri di carico senza richiedere un ampio piazzale recintato.

Considerazioni sull'installazione e sul sito

Poiché gli involucri GIS sono assemblati in fabbrica e testati secondo tolleranze precise, l'installazione richiede un'attenzione particolare alla preparazione e alla movimentazione del sito per evitare l'introduzione di contaminazione nei compartimenti del gas.

• Assicurarsi che l'edificio o l'involucro della sottostazione fornisca uno spazio adeguato per il trasporto dei moduli e l'accesso futuro per la manutenzione.
• Mantenere una rigorosa pulizia durante l'assemblaggio in loco, poiché la polvere o l'umidità all'interno dei compartimenti del gas possono ridurre la rigidità dielettrica.
• Verificare la pressione e la purezza del gas mediante test di scarica parziale prima di alimentare il quadro.
• Pianificare attentamente i calcoli del carico delle fondazioni, poiché gli alloggiamenti GIS, sebbene compatti, sono più pesanti per unità di area rispetto alle installazioni AIS equivalenti.

Manutenzione, monitoraggio e gestione del gas

La manutenzione ordinaria del GIS si concentra principalmente sul monitoraggio della pressione e della densità del gas piuttosto che sulle frequenti ispezioni fisiche richieste per i componenti AIS esposti. La maggior parte delle moderne installazioni GIS includono monitor di densità che attivano allarmi se la pressione del gas scende al di sotto di una soglia di sicurezza, il che potrebbe indicare una perdita o un deterioramento della tenuta. Poiché l’SF6 è un potente gas serra, molte aziende di servizi pubblici ora monitorano anche i tassi cumulativi di perdite di gas come parte dei rapporti di conformità ambientale e alcuni produttori hanno introdotto miscele di gas isolanti alternative con un impatto ambientale inferiore in risposta a normative sempre più stringenti.

I sistemi di monitoraggio delle scariche parziali vengono sempre più installati insieme al GIS per rilevare i primi segni di degrado dell'isolamento prima che si sviluppi un guasto, consentendo ai servizi pubblici di pianificare la manutenzione in modo proattivo anziché reagire a un'interruzione non pianificata.

Considerazioni sulla sicurezza per il personale

Sebbene le custodie GIS riducano notevolmente il rischio di contatto accidentale con parti sotto tensione rispetto alle apparecchiature all'aperto, il personale che lavora attorno al GIS deve comunque seguire procedure rigorose, in particolare per quanto riguarda i compartimenti del gas. Nel raro caso di un guasto interno, i sottoprodotti della decomposizione del gas SF6 possono essere tossici, pertanto i tecnici sono addestrati a ventilare adeguatamente i compartimenti e a utilizzare apparecchiature di analisi del gas prima di aprire qualsiasi sezione per la manutenzione. Le procedure di lockout-tagout, confermate dall'interruzione visibile fornita dai sezionatori, rimangono essenziali prima che inizi qualsiasi intervento pratico, anche se il design sigillato del quadro riduce già al minimo molti dei rischi associati alle tradizionali installazioni all'aperto.