Os gases ecológicos alternativos estão prontos para substituir os sistemas antigos?

Introdução

A pressão regulamentar sobre o SF6 nos comutadores de alta tensão passou de uma discussão política distante para uma restrição ativa em matéria de aquisições - a Regulamento da União Europeia relativo ao gás fluorado¹ o quadro equivalente no Reino Unido e o progressivo endurecimento dos requisitos de manuseamento de SF6 na China, Japão e Coreia do Sul estão a forçar todas as decisões de aquisição de comutadores GIS em 2025 e nos anos seguintes a abordar uma questão que não existia na geração anterior de conceção de subestações: a tecnologia alternativa de gás ecológico que o fabricante de GIS está a propor está realmente pronta para oferecer o desempenho de isolamento, a fiabilidade de comutação e a vida útil de 30 anos que o GIS isolado a SF6 demonstrou ao longo de décadas de operação de subestações de transmissão e distribuição? A questão é particularmente premente em projectos de ligação à rede de energias renováveis - subestações de colectores eólicos offshore, subestações de evacuação solar à escala dos serviços públicos e projectos de atualização da rede que ligam a nova geração renovável à infraestrutura de transmissão antiga - em que a combinação de condições ambientais adversas, requisitos de elevada fiabilidade e longa vida útil dos activos torna a seleção do gás de isolamento uma decisão com consequências que se estendem muito para além da data de entrada em funcionamento. Os gases ecológicos alternativos - misturas à base de fluoronitrilo (g³), misturas à base de fluorocetona (g²), ar limpo e ar seco - estão prontos para substituir o SF6 em classes de tensão GIS e condições de aplicação específicas, e ainda não estão prontos noutras, e o erro de engenharia que produz a seleção errada é tratar a prontidão do gás ecológico como uma questão binária de sim ou não, em vez de uma avaliação específica da classe de tensão, da aplicação e verificada por normas que faz corresponder o nível de maturidade da tecnologia aos requisitos do projeto. Para os promotores de projectos de energias renováveis, engenheiros de atualização da rede e gestores de aquisições de GIS que navegam na transição para o SF6, este guia fornece uma avaliação honesta do grau de preparação, referenciada pelas normas IEC, que os materiais de marketing da tecnologia não fornecem.

Índice

• Quais são as tecnologias alternativas de gás ecológico e como é que as suas propriedades de isolamento se comparam às do SF6 nos comutadores GIS?
• Qual é o atual nível de preparação tecnológica de cada opção de Eco-Gás nas classes de tensão GIS e nas condições de aplicação?
• Como avaliar e especificar o Eco-Gas GIS para projectos de energias renováveis e de modernização da rede?
• Quais são as diferenças de instalação, manutenção e fim de vida útil entre o Eco-Gas e o SF6 GIS em serviço?

Quais são as tecnologias alternativas de gás ecológico e como é que as suas propriedades de isolamento se comparam às do SF6 nos comutadores GIS?

O SF6 dominou o isolamento GIS durante cinco décadas porque a sua combinação de força dieléctrica, capacidade de extinção de arco, estabilidade térmica e inércia química nunca foi igualada por um único gás alternativo. As alternativas de gás ecológico que alcançaram implantação comercial sacrificam uma ou mais dessas propriedades em troca de uma redução drástica de potencial de aquecimento global² - e compreender exatamente que propriedades são sacrificadas, e em que medida, é a base da avaliação da preparação.

A linha de base do desempenho do isolamento com SF6

O SF6 à pressão de funcionamento normal (0,4-0,5 MPa absoluto) fornece:

• Resistência dieléctrica³: 89 kV/mm a 0,1 MPa - aproximadamente 2,5× ar à mesma pressão
• Capacidade de extinção de arco: Condutividade térmica 0,013 W/m-K a 20°C; a capacidade de interrupção do arco aumenta com a pressão
• Potencial de aquecimento global (GWP): 23 500× CO₂ ao longo de 100 anos (AR5) - o fator regulador para a substituição
• Temperatura de liquefação: -64°C a 0,5 MPa - sem risco de liquefação em ambientes de subestação padrão

As quatro famílias de tecnologia Eco-Gas

Tecnologia 1 - Misturas à base de fluoronitrilo (g³: C4F7N + CO2 ou C4F7N + CO2 + O2):
Desenvolvido pela ABB/Hitachi Energy sob a marca g³; também disponível noutros fabricantes como misturas de fluoronitrilo:

• Resistência dieléctrica: 95-100% de SF6 a uma pressão equivalente - o desempenho mais próximo
• GWP: < 1 (GWP do componente C4F7N = 2,100; diluído em CO2 para < 1 GWP da mistura)
• Arco de extinção: Comparável ao SF6 em média tensão; capacidade reduzida em tensão de transmissão
• Temperatura de liquefação: -25°C a -15°C dependendo da proporção da mistura - risco de liquefação em climas frios
• Produtos de decomposição: O C4F7N decompõe-se sob energia de arco em perfluoroisobutileno⁴ (PFIB) - agudamente tóxico em concentrações sub-ppm; requer o mesmo protocolo de gestão de produtos de decomposição que o SF6

Tecnologia 2 - Misturas à base de fluorocetona (g²: C5F10O + ar ou C5F10O + N2):
Desenvolvido pela 3M/ABB sob a marca g²; fluorocetona (Novec 4710) misturada com ar seco ou azoto:

• Resistência dieléctrica: 70-80% de SF6 a uma pressão equivalente - requer uma pressão de funcionamento mais elevada ou um invólucro maior
• PAG: < 1 (PAG do C5F10O = 1; PAG da mistura < 1)
• Arco elétrico: Limitado - principalmente adequado para comutação de corte de carga, não para interrupção de falha de alta corrente na tensão de transmissão
• Temperatura de liquefação: -10°C a 0°C à pressão de funcionamento normal - risco significativo de liquefação em climas temperados e frios

Tecnologia 3 - Ar limpo (ar seco comprimido, CDA):
Ar seco comprimido a 0,5-0,8 MPa absoluto:

• Resistência dieléctrica: 35-40% de SF6 a uma pressão equivalente - requer um invólucro significativamente maior ou uma pressão mais elevada
• GWP: Zero
• Arco-elétrico: Limitado à comutação de corte em carga a média tensão; não adequado para interrupção de falhas de disjuntores a alta corrente
• Temperatura de liquefação: Não aplicável - sem risco de liquefação a qualquer temperatura de funcionamento

Tecnologia 4 - Misturas de ar seco / N2:
Misturas de azoto e oxigénio ou azoto puro a pressão elevada:

• Resistência dieléctrica: 30-38% de SF6 - penalização do maior tamanho de invólucro
• GWP: Zero
• Arco elétrico: Adequado apenas para aplicações de seccionadores e interruptores de terra - não para interrupção de avarias de disjuntores

Tabela de comparação de desempenho do Eco-Gas

Imóveis	SF6	g³ (fluoronitrilo)	g² (fluorocetona)	Ar limpo	N2 seco
Rigidez dieléctrica vs SF6	100%	95-100%	70-80%	35-40%	30-38%
GWP (100 anos)	23,500	< 1	< 1	0	0
Interrupção de falha CB	Completo	Total (MV) / Parcial (HV)	Limitada	Não	Não
Risco de liquefação	Nenhum	Moderado (< -15°C)	Elevada (< 0°C)	Nenhum	Nenhum
Produtos de decomposição tóxicos	Sim	Sim (PFIB)	Mínimo	Nenhum	Nenhum
Tamanho do invólucro vs SF6	1.0×	1.0-1.1×	1.2-1.4×	1.8-2.2×	2.0-2.5×
Disponibilidade comercial	Maduro	MV: maduro; HV: limitado	MV: limitado	MV: disponível	MV: disponível

Qual é o atual nível de preparação tecnológica de cada opção de Eco-Gás nas classes de tensão GIS e nas condições de aplicação?

O grau de preparação da tecnologia não é uniforme em toda a família do gás ecológico - varia consoante a classe de tensão, o tipo de aplicação e o estado de certificação das normas IEC do produto específico que está a ser avaliado. A avaliação do grau de preparação abaixo reflecte o estado da implantação comercial e da certificação IEC a partir de 2025-2026.

Prontidão por classe de tensão

GIS de média tensão de 12 kV e 24 kV:
Esta é a classe de tensão em que os SIG a gás ecológico atingiram uma verdadeira maturidade comercial - vários fabricantes oferecem SIG a gás e a ar limpo a 12 kV e a 24 kV com IEC 62271-200⁵ certificação de testes de tipo, populações de instalação no terreno superiores a 5.000 unidades e históricos de serviço de 5-10 anos em aplicações de serviços públicos europeus e asiáticos:

• g³ de fluoronitrilo GIS a 12-24 kV: Pronto - certificação IEC completa, cadeia de fornecimento madura, desempenho comprovado no terreno
• GIS de ar limpo em 12-24 kV: Pronto com a ressalva do tamanho do invólucro - 80-120% ocupa mais espaço do que o GIS SF6; aceitável para subestações novas com espaço disponível; problemático para adaptação em salas GIS SF6 existentes
• g² fluorocetona GIS a 12-24 kV: Condicionalmente pronto - limitado a climas em que a temperatura ambiente não desça abaixo de -5°C; o risco de liquefação exige o aquecimento do invólucro em climas temperados

40,5 kV GIS:
A implantação comercial a 40,5 kV está menos madura - estão disponíveis produtos g³ dos principais fabricantes com certificação IEC 62271-200, mas as populações de instalações no terreno são mais pequenas e os históricos de serviço mais curtos do que a 12-24 kV:

• g³ fluoronitrilo GIS a 40,5 kV: condicionalmente pronto - certificado IEC; população de campo limitada; especificar com garantia alargada do fabricante e garantia de desempenho
• GIS de ar limpo a 40,5 kV: Disponibilidade limitada - a penalização do tamanho do invólucro (2× SF6) dificulta as aplicações em construções novas; as aplicações de reequipamento geralmente não são viáveis

110 kV e superior:
Na tensão de transmissão, o grau de preparação para o SIG do gás ecológico diminui significativamente - as exigências de extinção de arco da interrupção da corrente de falha a 110 kV e acima excedem a atual capacidade das tecnologias da fluorocetona e do ar limpo, e o fluoronitrilo g³ na tensão de transmissão está em fase de ensaio no terreno e não de implantação comercial:

• g³ a 110 kV+: Ainda não está pronto para especificação normalizada - ensaios de campo em curso; não há certificação de ensaio de tipo IEC 62271-1 para serviço de interrupção total de falha a 110 kV a partir de 2025
• Todos os outros eco-gases a 110 kV+: Não está pronto - limitação fundamental de extinção de arco

Prontidão por condição de aplicação

Um caso de cliente: Um promotor de um projeto de ligação à rede eólica offshore em Fujian, China, contactou a Bepto para avaliar o eco-gás GIS para a subestação coletora de 35 kV que serve um parque eólico offshore de 300 MW. A especificação do projeto exigia gás de isolamento GIS com GWP < 10 para cumprir os compromissos ESG do projeto com o consórcio de financiamento. A equipa de engenharia de aplicação da Bepto avaliou as condições do local - intervalo de temperatura ambiente de -5°C a +38°C, ambiente de nevoeiro salino, certificação de teste de tipo completo IEC 62271-200 necessária - e recomendou o GIS de fluoronitrilo g³ a 35 kV com aquecimento anti-condensação do invólucro especificado para a condição de temperatura mínima de -5°C. A temperatura de liquefação da mistura de g³ especificada (-18°C à pressão de funcionamento) proporcionou uma margem adequada acima da temperatura mínima do local. O projeto foi especificado e adquirido com g³ GIS; o comissionamento foi concluído sem problemas relacionados com o gás. A conformidade com o PAG foi documentada para o relatório de financiamento ESG.

Aplicação	g³ Prontidão	g² Prontidão	Preparação para o ar limpo
Subestação urbana interior (12-24 kV)	Pronto	Condicional	Pronto (se o espaço o permitir)
Subestação exterior, clima temperado	Condicional (aquecimento necessário)	Não recomendado	Pronto
Offshore / costeira (nevoeiro salino)	Pronto com caixa selada	Não recomendado	Pronto
Clima frio (< -20°C ambiente)	Não recomendado	Não recomendado	Pronto
Coletor de energias renováveis (35 kV)	Condicional	Não recomendado	Limitada
Subestação de transporte (110 kV+)	Não está pronto	Não está pronto	Não está pronto

Como avaliar e especificar o Eco-Gas GIS para projectos de energias renováveis e de modernização da rede?

Passo 1: Definir os requisitos regulamentares e de ESG

• Confirmar a regulamentação aplicável ao SF6 na jurisdição do projeto - calendário de redução progressiva do Regulamento relativo aos gases fluorados da UE, equivalente nacional ou requisito ESG específico do projeto
• Determinar o GWP máximo admissível - o Regulamento relativo aos gases fluorados da UE proíbe novos GIS com SF6 a partir de 2030 para classes de tensão em que existam alternativas disponíveis; os requisitos de financiamento ESG especificam normalmente GWP < 10 ou GWP < 1
• Documentar o requisito regulamentar na especificação do projeto - este é o constrangimento não negociável que orienta a seleção do gás ecológico

Passo 2: Avaliar as condições climáticas do local em relação ao risco de liquefação

• Determinar a temperatura ambiente mínima no local de instalação a partir de registos meteorológicos - utilizar o mínimo de 1 em 50 anos, não o mínimo médio de inverno
• Comparar a temperatura mínima do local com a temperatura de liquefação de cada eco-gás candidato à pressão de funcionamento especificada
• Para g³ de fluoronitrilo: exigir que o fabricante confirme a temperatura de liquefação da proporção específica da mistura à pressão de funcionamento especificada - a proporção da mistura afecta a temperatura de liquefação em ±8°C

Passo 3: Verificar a certificação das normas IEC

Exigir as seguintes certificações para cada produto eco-gás GIS apresentado para avaliação:

• Certificado de ensaio de tipo IEC 62271-200 - confirma o desempenho completo do conjunto de comutadores, incluindo o sistema de isolamento de gás ecológico
• Ensaio de resistência dieléctrica IEC 62271-1 na classe de tensão especificada com o gás ecológico à pressão mínima de funcionamento - confirma o desempenho dielétrico na pior condição de gás
• Ensaio de interrupção de corrente de curto-circuito IEC 62271-100 para compartimentos de disjuntores - confirma a capacidade de interrupção de falhas com o eco-gás

Passo 4: Avaliar a população no terreno e o historial de assistência do fabricante

Um segundo caso de cliente: Um gestor de compras de um empreiteiro EPC de modernização da rede em Zhejiang, China, contactou a Bepto para avaliar três propostas concorrentes de GIS ecológico para uma modernização de uma subestação de distribuição urbana de 10 kV. Duas propostas ofereciam GIS de fluoronitrila g³ e uma oferecia GIS de ar limpo. A avaliação da Bepto identificou que uma proposta de g³ não possuía certificação de teste de tipo IEC 62271-200 para a proporção de mistura específica especificada - o fabricante havia certificado uma proporção de mistura diferente e estava extrapolando a certificação para o produto proposto. A proposta relativa ao ar limpo exigia uma sala de comutação 95% maior do que a sala de SF6 GIS existente - fisicamente incompatível com as limitações do projeto de reabilitação. A segunda proposta de g³ tinha certificação completa IEC 62271-200, uma população de campo de mais de 800 unidades em serviço de utilidade pública na China e uma garantia de desempenho de 5 anos. A Bepto recomendou e forneceu o g³ GIS certificado; o projeto foi comissionado dentro do prazo.

Quais são as diferenças de instalação, manutenção e fim de vida útil entre o Eco-Gas e o SF6 GIS em serviço?

Diferenças de instalação

• Procedimento de enchimento de gás: as misturas de gás ecológico g³ e g² exigem equipamento específico de manuseamento de gás - as unidades de recuperação de SF6 não podem ser utilizadas para o gás ecológico; especificar o equipamento de enchimento compatível com o gás ecológico no plano de instalação do projeto
• Verificação da proporção da mistura: g³ e g² são misturas de gases - verificar a proporção da mistura após o enchimento utilizando o analisador de gases especificado pelo fabricante; uma proporção de mistura incorrecta afecta o desempenho dielétrico e a temperatura de liquefação
• Aquecimento do invólucro: as instalações de g³ e g² em climas com temperatura ambiente mínima dentro de 15°C da temperatura de liquefação requerem aquecedores anti-condensação - especificar a capacidade do aquecedor, o ponto de regulação do termóstato e a fonte de alimentação no projeto da instalação

Diferenças de manutenção

Atividade de manutenção	SF6 GIS	g³ Eco-Gás GIS	SIG Ar Limpo
Controlo anual da densidade do gás	Relé de densidade - standard	Relé de densidade - calibrado com gás ecológico	Manómetro de pressão - standard
Recuperação de gás antes da manutenção	Unidade de recuperação de SF6	Unidade dedicada de recuperação de gás ecológico	Ventilação para a atmosfera (GWP zero)
Gestão de produtos de decomposição	Protocolo completo IEC 62271-303	Semelhante ao SF6 - Perigo de PFIB	Não é necessário
Análise da qualidade do gás	IEC 60480	Protocolo específico do fabricante	Não é necessário
Relatórios regulamentares	Auditoria anual SF6	Reduzido - GWP < 1	Não é necessário

Erros comuns de especificação a eliminar

• Erro 1 - Especificar o eco-gás GIS sem avaliação climática: o risco de liquefação de g³ e g² em climas frios é um modo de falha que põe termo ao serviço - nunca especificar sem confirmar a margem de temperatura de liquefação em relação à temperatura mínima do local
• Erro 2 - Aceitar certificação de gás ecológico extrapolada a partir de um rácio de mistura diferente: A certificação do ensaio de tipo CEI é específica da proporção da mistura - exigir o certificado para a proporção exacta da mistura fornecida
• Erro 3 - Assumir que o gás ecológico elimina todos os perigos dos produtos de decomposição: o fluoronitrilo g³ decompõe-se em PFIB sob energia de arco - o mesmo protocolo de gestão de produtos de decomposição tóxicos exigido para o SF6 aplica-se ao g³; o ar limpo é o único gás ecológico que elimina totalmente este perigo
• Erro 4 - Especificação do eco-gás GIS a 110 kV sem ensaio de tipo de interrupção de falha confirmado: Nenhum eco-gás obteve a certificação completa do ensaio de tipo de interrupção de falha IEC 62271-100 a 110 kV a partir de 2025 - a especificação de eco-gás na tensão de transmissão sem esta certificação cria um risco contratual e técnico que o projeto não pode absorver

Conclusão

Os gases ecológicos alternativos estão prontos para substituir o SF6 em comutadores GIS a 12 kV e 24 kV na maioria das condições de aplicação, condicionalmente prontos a 35-40,5 kV em climas moderados com disciplina de especificação adequada, e ainda não estão prontos a 110 kV e acima para serviço de interrupção total de falha. Os projectos de energia renovável e de atualização da rede que irão colocar em funcionamento a maior parte dos comutadores GIS na próxima década situam-se predominantemente na gama de tensão de 12-40,5 kV, onde a prontidão para o gás ecológico é real - mas apenas quando a especificação impõe a certificação do teste de tipo IEC 62271-200 para a proporção exacta da mistura, a margem de temperatura de liquefação verificada pelo clima e a evidência da população de campo do fabricante que distingue a tecnologia genuinamente pronta da tecnologia comercializada por aspiração. Especifique o SIG de gás ecológico na classe de tensão em que a certificação IEC é confirmada, verifique a margem de temperatura de liquefação em relação à temperatura mínima de 1 em 50 anos do seu local, exija protocolos de gestão de produtos de decomposição para instalações de g³ e exija provas de população de campo de pelo menos 500 unidades em condições de serviço comparáveis - porque a transição de gás ecológico que serve o seu projeto de energia renovável é a que se baseia no desempenho verificado, não na urgência regulamentar que torna as alegações não verificadas comercialmente atractivas.

Perguntas frequentes sobre o painel de distribuição GIS a gás ecológico alternativo

1. Mantenha-se atualizado sobre os mais recentes requisitos regulamentares da União Europeia para gases fluorados com efeito de estufa. ↩

2. Aceder aos dados oficiais do Painel Intergovernamental sobre Alterações Climáticas relativos às linhas de base do potencial de aquecimento global. ↩

3. Analisar os dados técnicos e os trabalhos académicos que comparam o desempenho dielétrico das misturas de gases g3. ↩

4. Compreender os protocolos de segurança e os dados toxicológicos associados aos produtos de decomposição de gases. ↩

5. Referência à norma internacional para aparelhagem de comutação e de controlo montada em metal e fechada em fábrica. ↩