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 O calendário de redução progressiva do Regulamento relativo aos gases fluorados da União Europeia restringe progressivamente os gases fluorados com efeito de estufa, incluindo o SF6, nos novos comutadores eléctricos¹, e o progressivo endurecimento dos requisitos de manuseamento de SF6 na China, no Japão e na 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 projectos 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 da 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 rigidez 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 chegaram à implantação comercial sacrificam uma ou mais dessas propriedades em troca de um reduziu drasticamente o potencial de aquecimento global medido em relação ao CO2 num horizonte temporal de 100 anos² - 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 dieléctrica de aproximadamente 89 kV/mm a 0,1 MPa, cerca de 2,5 vezes superior à do ar à mesma pressão³
• 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 mais de 100 anos (AR5) - o fator regulador da 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 perfluoroisobutileno (PFIB), que é agudamente tóxico em concentrações inferiores a ppm⁴; 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 Certificação de ensaios do tipo IEC 62271-200 abrangendo aparelhagem de comutação e de controlo com invólucro metálico para tensões nominais superiores a 1 kV até 52 kV inclusive⁵, A empresa possui uma vasta gama de produtos e serviços, com uma população de instalações no terreno superior a 5.000 unidades e um historial de serviço de 5-10 anos em aplicações de serviços públicos na Europa e na Ásia:

• 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
• O ensaio de interrupção da corrente de curto-circuito IEC 62271-100 para compartimentos de disjuntores estabelece o procedimento de verificação da corrente nominal de interrupção de curto-circuito⁶ - confirma a capacidade de interrupção de avarias 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. “Gases fluorados com efeito de estufa”, https://climate.ec.europa.eu/eu-action/fluorinated-greenhouse-gases/eu-rules_en. Recurso oficial da Comissão Europeia que pormenoriza o quadro do Regulamento relativo aos gases fluorados e o calendário de redução progressiva aplicável aos concursos de comutadores de alta tensão. Função da evidência: general_support; Tipo de fonte: government. Apoia: Confirma o cronograma de redução gradual da regulamentação que restringe a especificação de GIS com isolamento SF6 nas jurisdições da UE. ↩

2. “Grupo de Trabalho I do IPCC AR6, Capítulo 7: O Orçamento Energético da Terra, Reacções Climáticas e Sensibilidade Climática”, https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/chapter/chapter-7/. Avaliação oficial do IPCC que estabelece valores do potencial de aquecimento global a 100 anos para gases com efeito de estufa, incluindo SF6 e alternativas fluoradas. Papel da evidência: estatística; Tipo de fonte: pesquisa. Suporta: Valida a linha de base de comparação do GWP utilizada para avaliar o desempenho ambiental do gás ecológico em relação ao SF6. ↩

3. “Hexafluoreto de enxofre”, https://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur_hexafluoride. Entrada de referência que abrange as propriedades físicas, dieléctricas e térmicas do SF6 utilizado em aplicações de isolamento elétrico de alta tensão. Papel da evidência: estatística; Tipo de fonte: pesquisa. Suporta: Fornece a linha de base da rigidez dieléctrica em relação à qual as alternativas de gás ecológico são medidas. ↩

4. “Perfluoroisobutileno”, https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Perfluoroisobutylene. Entrada na base de dados químicos NIH PubChem que fornece dados toxicológicos e de propriedades físicas para o composto de decomposição PFIB. Papel da evidência: mecanismo; Tipo de fonte: governo. Apoia: Confirma que o PFIB é agudamente tóxico em concentrações sub-ppm, justificando protocolos de gestão de produtos de decomposição para SIG g³. ↩

5. “IEC 62271-200:2021 - Aparelhagem de alta tensão - Parte 200: Aparelhagem de alta tensão com invólucro metálico para tensões nominais superiores a 1 kV e inferiores ou iguais a 52 kV”, https://webstore.iec.ch/publication/62994. Registo oficial de publicação da IEC para a norma de ensaio de tipo que rege os conjuntos de comutadores metálicos fechados de média tensão. Função da evidência: general_support; Tipo de fonte: standard. Suporta: Define a estrutura de certificação que determina a prontidão do GIS de gás ecológico nas classes de tensão de 12-24 kV e 40,5 kV. ↩

6. “IEC 62271-100 - Aparelhagem de alta tensão - Parte 100: Disjuntores de corrente alternada”, https://webstore.iec.ch/publication/62166. Registo oficial de publicação da IEC para a norma que define os procedimentos de ensaio do tipo interrupção de corrente de curto-circuito para disjuntores de alta tensão. Função da evidência: general_support; Tipo de fonte: standard. Suporta: Estabelece o referencial de certificação de interrupção de corrente de fuga que o eco-gás GIS a 110 kV e acima ainda não cumpriu. ↩