Tendências de Desenvolvimento Mais Recentes de Disjuntores de Alta Tensão Baseados em Gases Alternativos ao SF₆

1. Introdução
O SF₆ é amplamente utilizado em sistemas de transmissão e distribuição de energia elétrica, como equipamentos de comutação isolados a gás (GIS), disjuntores (CB) e chaves de carga de média tensão (MV). Ele possui capacidades únicas de isolamento elétrico e extinção de arco. No entanto, o SF₆ também é um gás de efeito estufa potente, com um potencial de aquecimento global de aproximadamente 23.500 em um horizonte de 100 anos, e, portanto, seu uso é regulamentado e está sujeito a discussões contínuas sobre restrições. Consequentemente, pesquisas sobre gases alternativos para aplicações de energia têm sido realizadas por cerca de duas décadas.

O "Club Zéro" (CZC), em cooperação com o CIGRE, lançou recentemente uma iniciativa para avaliar o estado da arte dos gases alternativos ao SF₆ para aplicações de comutação. Uma pesquisa foi realizada para coletar toda a literatura recente disponível sobre este tema. Os resultados foram apresentados e discutidos em uma sessão conjunta durante a Sessão do CIGRE em 2016. Este artigo apresenta os principais achados dessa pesquisa. Como a tecnologia de comutação a vácuo constitui uma atividade separada em andamento, não será abordada nesta revisão.

2. Gases Alternativos

Após a adoção do Protocolo de Quioto em 1997, a pesquisa sobre gases alternativos intensificou-se e aumentou ainda mais na última década. As principais exigências para gases alternativos foram identificadas como: baixo potencial de aquecimento global (GWP), zero potencial de depleção do ozônio (ODP), baixa toxicidade, incombustibilidade, alta resistência dielétrica, alta capacidade de extinção de arco e dissipação de calor, estabilidade química, compatibilidade com materiais e disponibilidade no mercado.

Entre os diversos gases de origem natural investigados, o CO₂ provou ser o gás de extinção de arco mais promissor, com seu desempenho potencialmente melhorado por aditivos como O₂ ou CF₄. No entanto, estudos mostraram que tanto o desempenho de interrupção quanto o de isolamento do CO₂ são inferiores aos do SF₆. Outros candidatos interessantes foram identificados entre os gases fluorados, como CF₃I, hidrofluoroolefinas (HFO-1234ze e HFO-1234yf), perfluorocetonas (por exemplo, C₅F₁₀O), perfluoronitrilos (C₄F₇N), éteres fluorados (HFE-245cb2), epóxidos fluorados e hidroclorofluoroolefinas (HCFO-1233zd).

Considerando todos os requisitos, os candidatos mais promissores atuais são a perfluorocetona C₅ (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ ou C₅-PFK) e o perfluoronitrilo iso-C₄ ((CF₃)₂CF-CN ou C₄-PFN). Para gases puros, o desempenho dielétrico é proporcional ao ponto de ebulição—ou seja, gases com alta resistência dielétrica geralmente também têm pontos de ebulição altos. A 0,1 MPa, os pontos de ebulição da C₅-PFK e da C₄-PFN são 26,5°C e –4,7°C, respectivamente. Portanto, para aplicações em equipamentos de comutação que requerem pontos de ebulição suficientemente baixos para atender às demandas operacionais em baixas temperaturas, devem ser adicionados gases tampão. Devido à sua boa capacidade de extinção de arco, o CO₂ é selecionado como o gás tampão em aplicações de alta tensão. Em aplicações de média tensão, o ar também foi relatado como gás tampão usado em combinação com C₅-PFK para fins de isolamento.

3. Propriedades de Gases Puros e Misturas de Gases

A Tabela 1 apresenta as propriedades de gases alternativos selecionados em relação ao SF₆. Os GWPs desses gases variam significativamente: o C₄-PFN exibe um GWP muito maior do que o CO₂ ou o C₅-PFK, ambos com GWPs de aproximadamente 1. Todos os gases candidatos de interesse são incombustíveis, têm ODP zero e são relatados como não tóxicos de acordo com as fichas técnicas e de segurança fornecidas pelos fabricantes químicos. A resistência dielétrica pura do C₄-PFN e do C₅-PFK é quase o dobro da do SF₆. A tensão de resistência dielétrica do CO₂ é comparável à do ar—ou seja, significativamente menor do que a do SF₆.

Tabela 1: Comparação das Propriedades de Gases Puros com o SF₆

A Tabela 2 mostra as características dos gases e misturas gasosas quando utilizadas em equipamentos de comutação. As concentrações de C₄-PFN e C₅-PFK nas misturas com gases tampão são fornecidas na segunda coluna, geralmente abaixo de 13% (concentração molar). Deve-se notar que, para o uso de C₅-PFK no CO₂, também foram relatados aditivos de oxigênio, pois a presença de oxigênio pode reduzir a formação de subprodutos nocivos (como CO) e subprodutos sólidos (como fuligem).

Tabela 2: Características/Desempenho de Gases Puros e Misturas Gasosas em Aplicações de Equipamentos de Comutação de Média e Alta Tensão

Devido à redução da tensão dielétrica de ruptura das misturas em comparação com o SF₆ na mesma pressão (Coluna 6), a pressão mínima de operação para C₅-PFK e C₄-PFN com CO₂ como gás tampão em aplicações de alta tensão precisa ser aumentada para aproximadamente 0,7–0,8 MPa. Para aplicações de média tensão usando misturas de ar/C₅-PFK, uma pressão de 0,13 MPa pode ser mantida, alcançando uma tensão dielétrica de ruptura próxima à do SF₆.

A alta tensão dielétrica de ruptura alcançada com proporções de mistura relativamente baixas de C₄-PFN ou C₅-PFK pode ser explicada por um efeito sinérgico - isto é, a resistência dielétrica aumenta de forma não linear com a concentração do aditivo, fenômeno observado anteriormente em misturas de SF₆/N₂. O PTD (Potencial de Aquecimento Global) de misturas de C₅-PFK é negligenciável, mas isso ocorre à custa de uma temperatura mínima de operação mais elevada. Aplicações de baixa temperatura (por exemplo, –25°C) podem ser abordadas usando CO₂ puro ou misturas de CO₂ + C₄-PFN, embora com compromissos: redução significativa da tensão dielétrica de ruptura no caso de CO₂ puro, ou um PTD substancialmente maior quando se usam misturas de C₄-PFN.

4. Desempenho de Comutação de Gases Alternativos
A Tabela 3 compila informações preliminares sobre o desempenho de comutação de CO₂ puro e misturas baseadas em CO₂, com o desempenho do SF₆ fornecido para comparação. Ao aumentar a pressão de operação em relação ao SF₆, a resistência dielétrica a frio - usada, por exemplo, como métrica para o desempenho de comutação capacitiva - pode ser elevada ao nível do SF₆.

Tabela 3: Comparação do Desempenho de Comutação de Gases e Misturas de Gases em Pressões de Operação Elevadas versus SF₆ em Aplicações de Alta Tensão

Na literatura revisada, apenas declarações qualitativas sobre o desempenho de comutação de misturas C₄-PFN e C₅-PFK puderam ser encontradas. Para CO₂, algumas comparações quantitativas estão disponíveis. Geralmente, com CO₂ puro em uma pressão de enchimento aumentada de aproximadamente 1 MPa, pode-se esperar um desempenho de isolamento e interrupção de curto-circuito (SLF) de cerca de dois terços do SF₆.

Adicionando O₂ ao CO₂ (com proporções de mistura de até 30%), espera-se uma melhoria no desempenho de interrupção de SLF e um ligeiro aumento na resistência dielétrica. Adicionar C₄-PFN ou C₅-PFK ao CO₂ permite que o desempenho dielétrico se aproxime do SF₆. Estudos relatam que o desempenho de comutação de SLF de misturas CO₂/O₂/C₅-PFK é cerca de 20% inferior ao do SF₆. Em contraste, disjuntores especificamente adaptados para misturas CO₂/C₄-PFN foram afirmados como capazes de alcançar desempenho de SLF comparável ao SF₆.

No entanto, também existem estudos que comparam diretamente CO₂ puro com misturas CO₂/C₄-PFN e CO₂/C₅-PFK sob condições geométricas e de pressão idênticas, mostrando desempenho de interrupção próximo (térmico) semelhante para CO₂, com ou sem aditivos. Com pequenas modificações de design ou modestas reduções, as novas misturas passaram com sucesso os testes IEC L90 (SLF) e T100 (100% de falha terminal), indicando que seu desempenho de comutação não é significativamente inferior ao do SF₆. Isso também foi demonstrado para a função de interrupção do disjuntor.

Melhorias adicionais no desempenho de comutação através de otimizações de design específicas são esperadas no futuro. Um problema importante é a toxicidade dos gases após arco. C₅-PFK e C₄-PFN são moléculas complexas que começam a se decompor acima de aproximadamente 650 °C no caso do C₄-PFN. Na decomposição, essas moléculas não se recombinam em suas estruturas originais, mas formam fragmentos menores. Uma taxa de decomposição de 0,5 mol/MJ foi relatada para misturas CO₂/O₂/C₅-PFK sob interrupção de corrente alta. Para descargas parciais, a taxa de decomposição foi observada como mais de uma ordem de magnitude menor do que o valor acima.

O comportamento de decomposição desses novos gases não é diretamente comparável ao do SF₆, que se decompõe principalmente devido a reações químicas com materiais de contato e bocal ablatados. Para os novos gases, a decomposição durante a vida útil do equipamento não é considerada um problema crítico, mas a concentração de gás dentro do equipamento deve ser monitorada ou verificada periodicamente. Os produtos de decomposição mais tóxicos em aplicações de alta pressão (ou seja, misturas com CO₂) são CO e HF. Os subprodutos do arco dessas misturas são considerados como tendo toxicidade similar ou inferior à do SF₆ exposto a arco. Portanto, procedimentos de manipulação semelhantes aos usados para SF₆ exposto a arco são recomendados.

No entanto, deve-se notar que as declarações acima são baseadas em conhecimento limitado da toxicidade desses novos gases. Mais experiência é necessária em relação à toxicidade pós-arco de potenciais alternativas ao SF₆. Outras preocupações relatadas incluem compatibilidade de materiais (por exemplo, efeitos em vedantes e graxas), integridade de vedação do gás e procedimentos de manipulação de gás. Consequentemente, não se deve esperar que equipamentos de alta tensão existentes operem com segurança com esses novos gases sem modificações apropriadas de design ou material.

Testes de arco interno foram realizados com todas as misturas, e nenhum problema sério foi relatado. A condutividade térmica das misturas é levemente inferior à do SF₆, o que pode exigir reduções moderadas ou ajustes de design para capacidade de condução de corrente. Disjuntores de tanque morto com CO₂ já ganharam experiência em campo, com implantações começando há vários anos, e disjuntores preenchidos com CO₂ agora estão comercialmente disponíveis.

Instalações piloto de alta e média tensão usando misturas C₅-PFK têm operado com sucesso na Suíça e Alemanha desde 2015. Projetos piloto usando misturas CO₂/C₄-PFN estão planejados ou em andamento em vários países europeus, incluindo um GIS indoor de 145 kV na Suíça, um transformador de corrente outdoor de 245 kV na Alemanha, e sistemas GIL outdoor de 420 kV no Reino Unido e Escócia.

5. Conclusões e Perspectivas
Informações publicadas sobre gases alternativos ao SF₆ para aplicações de comutação foram revisadas. Nesta fase atual, esta pesquisa ainda está em suas fases iniciais e muito menos extensa do que o corpo de trabalho de décadas sobre SF₆. Dados fornecidos pelos fabricantes indicam que novos gases, como C₅-PFK e C₄-PFN, são opções viáveis que, quando misturados com CO₂ como gás tampão, podem parcialmente igualar o desempenho do SF₆, embora possam não replicar completamente todas as capacidades do SF₆.

As principais diferenças estão no desempenho de isolamento e interrupção, bem como no ponto de ebulição, que determina a temperatura mínima especificada de operação do equipamento. Uma temperatura mínima de operação baixa (por exemplo, –50 °C) pode ser alcançada com CO₂ puro. No entanto, o CO₂ parece exibir geralmente um desempenho de interrupção inferior, especialmente em termos de suportar o pico de tensão de recuperação e capacidade de interrupção, em comparação com misturas de gás contendo C₄-PFN ou C₅-PFK.

Uma vantagem das misturas CO₂/C₅-PFK sobre as misturas CO₂/C₄-PFN é sua GWP negligível (~1 vs. 427/600 para C₄-PFN). Por outro lado, as misturas CO₂/C₄-PFN oferecem uma temperatura mínima de operação menor (aproximadamente –25 °C) em comparação com as misturas CO₂/C₅-PFK (aproximadamente –5 °C).

6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Tanque Morto Desjuntador a Vácuo

Descrição:

Os Desjuntadores a Vácuo de Tanque Morto de 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV e 245kV são dispositivos de proteção essenciais para sistemas de energia de alta tensão. Utilizando o vácuo como meio de extinção de arco e isolamento, eles apresentam excepcionais capacidades de extinção de arco, interrompendo rapidamente correntes de falha e evitando efetivamente a re-ignição do arco para garantir a operação estável do sistema de energia. O design de tanque morto oferece um formato compacto e estabilidade mecânica robusta, facilitando a instalação e manutenção. Equipados com mecanismos de operação de mola altamente confiáveis, esses desjuntadores têm uma vida útil mecânica superior a 10.000 operações, fornecendo respostas rápidas e precisas. Com excelente adaptabilidade ambiental, eles podem operar de forma estável em condições externas adversas. Amplamente aplicados em subestações, linhas de transmissão e outros cenários, fornecem controle de comutação de energia eficiente e seguro, além de proteção confiável em várias faixas de tensão.

Introdução das principais funções:

• Extinção de Arco Eficiente: Utiliza vácuo para extinção rápida e confiável do arco, prevenindo re-ignição.

• Ampla Faixa de Tensão: Disponível em classificações de 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV e 245kV para aplicações versáteis em redes elétricas.

• Design Robusto de Tanque Morto: Estrutura compacta garante estabilidade mecânica e simplifica a instalação/manutenção.

• Operação Confiável: Mecanismo de operação baseado em mola com mais de 10.000 ciclos de resistência mecânica.

• Selagem Aperfeiçoada: Design de flange dupla oferece proteção à prova d'água e hermética, ideal para uso ao ar livre.