Pesquisa sobre a Tecnologia de Instalação de Equipamentos GIS na Construção de Subestações de 110 kV

O equipamento de seccionamento sob gás isolante (GIS) consiste em disjuntores, interruptores desligadores, interruptores de aterramento, transformadores de corrente, transformadores de tensão, para-raios, barras coletoras, conectores e terminais de saída. Com maior confiabilidade, segurança e ocupação de espaço relativamente pequena, é amplamente utilizado no projeto e construção de subestações de alta tensão. Em áreas urbanas e densamente povoadas, o GIS é a escolha preferida devido à sua estrutura compacta e excelente desempenho de isolamento.

No entanto, as subestações de 110 kV enfrentam muitos desafios durante a instalação de equipamentos GIS. Estes incluem a posição precisa do equipamento, conexões elétricas complexas e comissionamento e teste do sistema. Além disso, o projeto de engenharia das subestações também deve levar em conta o espaço para operação e manutenção do equipamento, garantindo que todos os componentes elétricos operem de forma confiável e possam ser facilmente atualizados ou mantidos no futuro.

Requisitos de Instalação para Equipamentos GIS em Subestações de 110 kV

As principais vantagens dos equipamentos GIS certificados IEC 62271-203 estão em seu design compacto e excelente desempenho elétrico, permitindo que eles assumam a transmissão e distribuição de corrente de alta tensão em um espaço limitado. Portanto, durante a instalação em subestações de 110 kV, deve-se considerar com precisão a configuração do equipamento, o layout espacial e a compatibilidade com sistemas existentes.

Primeiro, antes da instalação, as dimensões do local de instalação pré-determinado devem ser medidas, e deve-se garantir que esse local possa atender aos requisitos ambientais para a operação do equipamento, como temperatura, umidade e desempenho sísmico. Esta etapa é crucial, pois o desempenho dos equipamentos GIS certificados IEC 62271-203 é significativamente afetado pelo ambiente de instalação.

Em segundo lugar, deve-se elaborar um plano cuidadoso para o esquema de instalação elétrica, garantindo que todas as conexões elétricas sejam realizadas em estrita conformidade com as especificações do fabricante e cumpram os padrões de segurança da Rede Elétrica Nacional. Isso inclui o projeto e layout do sistema de aterramento, rotas de cabos e sistemas de proteção para equipamentos GIS certificados IEC 62271-203. Cada aspecto deve ser implementado com precisão para evitar quaisquer riscos potenciais de segurança.

Tecnologia de Instalação de Equipamentos GIS
Transporte e Preparação do Equipamento

Durante o transporte, o equipamento GIS, composto por caixas metálicas pesadas (geralmente várias toneladas) e componentes elétricos sensíveis, requer controle de vibração entre 3-60 Hz e aceleração ≤0,3g (aceleração gravitacional). Os protocolos de transporte devem seguir os padrões de equipamentos elétricos para minimizar choques aos componentes sensíveis e reduzir as taxas de falhas pré-instalação.

O embalagem deve utilizar materiais resistentes a vibrações e impermeáveis. Por exemplo, os disjuntores principais devem ser totalmente envoltos em espuma de ≥10 cm de espessura e reforçados com cascos rígidos de PVC, conforme especificações do fabricante. Dessecantes devem manter a umidade interna ≤40% para prevenir a entrada de umidade.

As condições de armazenamento exigem controle de temperatura entre -10°C e 40°C com umidade relativa ≤70% para proteger os materiais metálicos e de isolamento. As áreas de armazenamento devem estar protegidas contra interferência eletromagnética, poeira e agentes corrosivos. Dado que o peso do equipamento GIS frequentemente excede 25 toneladas, o equipamento de içamento deve ter capacidade ≥30 toneladas com estabilidade que atenda aos requisitos de construção. As velocidades de manuseio não devem exceder 2 m/min para evitar danos por impacto.

Testes pré-instalação no local são cruciais, incluindo resistência de isolamento, resistência de aterramento e verificações de fase. Todos os resultados devem estar em conformidade com os padrões para garantir que o desempenho do equipamento atenda às especificações de projeto. Os requisitos técnicos para transporte e preparação são detalhados na Tabela 1. Além disso, o preço do disjuntor de 145 kV é um fator chave na aquisição e avaliação do custo total do projeto.

Manuseio e Posicionamento do Equipamento
Ao mover o equipamento GIS, a carga de projeto do equipamento de içamento geralmente é mais de 25% superior ao peso próprio do equipamento para garantir uma margem de segurança durante o processo de movimentação. Por exemplo, quando o peso do módulo GIS é de 20 toneladas, o guindaste adotado deve ter capacidade de elevação de pelo menos 25 toneladas. Ao mesmo tempo, a estabilidade do guindaste deve ser avaliada para evitar que ele vire devido a desvios de carga durante a operação. Durante o transporte real do equipamento GIS, a velocidade de transporte não deve exceder 2 m/min. Isso pode reduzir a vibração e o dano potencial do equipamento causado por velocidade excessiva. Antes de cada movimento, é necessário verificar se há espaço suficiente e superfície de suporte estável no caminho para evitar que o equipamento se incline ou caia devido à operação em terreno irregular. No processo de posicionamento, a precisão é um fator crucial. O desvio posicional na instalação do equipamento GIS deve ser controlado dentro de ± 5 mm para garantir a conexão correta das interfaces do equipamento e a integridade do sistema. A realização desta precisão é geralmente auxiliada por tachômetros a laser de alta precisão e níveis eletrônicos para posicionamento. O trabalho preparatório no ponto de instalação inclui a medição da planicidade do solo, com um padrão de não mais de 3 mm de diferença de altura por metro quadrado. O requisito ambiental para a instalação do equipamento GIS é que o número de partículas com diâmetro superior a 0,5 μm no ar da área de instalação não deve exceder 352.000 por metro cúbico. Para isso, geralmente é criado um ambiente de sala limpa temporária no local de instalação, e filtros de ar de partículas eficientes (HEPA) são usados para manter a qualidade do ar e evitar que poeira e partículas entrem no equipamento durante o processo de instalação. Os requisitos técnicos para o manuseio e posicionamento do equipamento são mostrados na Tabela 2.

Montagem de Componentes

As juntas dos componentes devem ter um desempenho de vedação extremamente alto para evitar vazamento de gás. Para o equipamento GIS, a taxa de vazamento anual de gás SF₆ não deve exceder 0,5%. Este indicador está diretamente relacionado à força de isolamento e à capacidade de resistência ao arco do equipamento. Para atender a este requisito, o material de vedação usado no processo de montagem deve ter excelentes propriedades resistentes a temperatura e pressão. Além disso, a definição de compressão do anel de vedação deve ser de 35% a 50% para garantir a eficácia do vedamento a longo prazo.

Durante a operação específica de montagem de componentes, todos os pontos de conexão devem ser apertados com uma chave dinamométrica de acordo com o torque especificado pelo fabricante. Por exemplo, para os parafusos de conexão que transportam principalmente corrente, o torque deve ser de 100 a 120 N·m para garantir a estabilidade e confiabilidade da conexão elétrica.

Conexões Elétricas

A tarefa principal das conexões elétricas é garantir que todos os componentes condutores e pontos de conexão apresentem condutividade elétrica e estabilidade mecânica suficientes. Durante o processo de conexão, o torque em todos os pontos de conexão elétrica deve atender aos requisitos especificados pelo fabricante para garantir conexões firmes e estáveis a longo prazo. Todos os parafusos e superfícies de contato devem passar por limpeza e pré-tratamento adequados, geralmente envolvendo a remoção de camadas de óxido e a aplicação de lubrificantes condutivos para reduzir a resistência de contato.

Medir a resistência de contato é um passo crucial no controle de qualidade das conexões elétricas. A resistência de contato nos pontos de conexão não deve exceder o nível de micro-ohms, com valores específicos determinados de acordo com o tipo e tamanho da junção [5]. Para atender a este padrão, cada ponto de conexão deve ser testado com um medidor de resistência preciso para garantir que todas as conexões estejam dentro do intervalo de resistência especificado.

Em ambientes de alta tensão, o isolamento elétrico também é um aspecto vital das conexões elétricas. Cada ponto de conexão e componente de isolamento deve suportar pelo menos 1,5 vezes a tensão de operação normal. Para o equipamento GIS de 110 kV, isso significa suportar no mínimo 165 kV. Tratamentos à prova d'água e à umidade para todas as conexões elétricas são essenciais, especialmente para instalações de subestação que operam em ambientes externos ou úmidos. Juntas e dispositivos terminais devem empregar tecnologias de vedação que atendam a classificações de proteção IP65 ou superiores para evitar a entrada de umidade e contaminantes no sistema elétrico. Os requisitos técnicos-chave para as conexões elétricas são mostrados na Tabela 3.

Testes de Comissionamento

Os testes de comissionamento geralmente começam com testes de nível unitário e gradualmente avançam para testes de sistema global. Nos testes de resistência de isolamento, o objetivo é garantir que todos os materiais de isolamento elétrico permaneçam em boas condições e estejam livres de danos potenciais incorridos durante o processo de instalação. Para avaliar a força de isolamento do equipamento GIS, são necessários testes de resistência à tensão. Para o equipamento GIS de 110 kV, a tensão de teste CA aplicada no teste de resistência à tensão é de pelo menos 230 kV, com duração de 1 minuto, para examinar o desempenho do sistema sob condições de alta tensão.

Os testes de descarga parcial (DP) são particularmente importantes para avaliar a segurança do equipamento GIS. A descarga parcial é um sinal precoce de degradação do material de isolamento. Portanto, monitorar e controlar a atividade de DP é crucial para prevenir falhas no equipamento. A quantidade de descarga registrada durante o teste não deve exceder 5 pC. Os testes de DP são realizados usando dispositivos de detecção de emissão acústica em frequências específicas para garantir que todas as atividades de descarga detectadas sejam identificadas e avaliadas adequadamente.

Os testes de operação mecânica dos disjuntores também fazem parte dos testes de comissionamento. Esses envolvem múltiplas operações consecutivas de abertura e fechamento dos disjuntores. Geralmente, são necessárias pelo menos 50 operações mecânicas sem falhas para verificar a confiabilidade operacional. O tempo de cada operação é registrado e comparado com o tempo de operação padrão fornecido pelo fabricante, que geralmente está entre 30-50 ms. Testes de sincronização do sistema também são indispensáveis. Este teste é usado para verificar o desempenho sincronizado de componentes, como disjuntores e interruptores desligadores, durante as operações reais. O erro de sincronização deve ser controlado dentro de ±10 ms para garantir que todas as operações sejam concluídas suavemente no intervalo de tempo exigido pela rede elétrica.

Finalmente, são realizados testes de função do sistema global, incluindo a inspeção dos sistemas de proteção e controle. Esta etapa garante que todos os relés de proteção, módulos de controle e dispositivos de comunicação possam responder corretamente a condições de falha e operação pré-definidas. Vários cenários de falha são simulados durante o teste para verificar o tempo de resposta e a precisão das ações do sistema. O tempo de reação para todas as ações geralmente deve ser inferior a 100 ms.

Conclusão

A aplicação de equipamentos GIS em subestações de 110 kV não apenas otimiza o processo de instalação existente e melhora o desempenho geral do sistema, mas também fornece forte apoio para avanços tecnológicos na indústria de energia. Ao explorar as técnicas de instalação de equipamentos GIS, podem ser fornecidos materiais de referência valiosos para projetistas. Isso permite que eles tomem decisões mais científicas e eficazes diante de desafios de engenharia complexos, melhorando assim a taxa de sucesso dos projetos de subestações.