L'evoluzione delle terminazioni per cavi GIS: dall'innovazione a riempimento di fluido a quella a secco.

Il collegamento tra cavi di alimentazione ad alta tensione e apparecchiature di commutazione isolate in gas (GIS) ha subito una notevole trasformazione negli ultimi cinquant'anni. Quelli che un tempo erano impianti ingombranti riempiti d'olio, che richiedevano lunghi interventi in loco, si sono evoluti in sistemi compatti, a secco e a innesto, più veloci, sicuri e affidabili che mai. Questo articolo ripercorre l'evoluzione delle terminazioni dei cavi GIS, dalle loro origini con riempimento di fluido alle tecnologie a secco all'avanguardia di oggi.

1. Gli albori: terminazioni riempite di liquido

Prima dello sviluppo dei terminali compatti a innesto a secco, i collegamenti di trasformatori e apparecchiature di commutazione venivano realizzati con terminali isolati in aria o riempiti d'olio.. Alla fine degli anni '70, vennero realizzati i primi accessori con vani per cavi che contenevano terminali GIS o trasformatori riempiti d'olio con coni di stress preformati.

Le terminazioni tradizionali riempite di fluido erano composte da un isolante di supporto (in porcellana o composito) riempito di olio o SF₆, con un cono di gomma preformato per la riduzione delle sollecitazioni, infilato sul cavo preparato.Il volume tra il cavo con il suo cono di stress e l'isolante di supporto è stato riempito con un fluido dielettrico come olio o SF₆Questo progetto ha avuto una lunga e ottima storia, ma ha anche comportato notevoli svantaggi..

2. Le sfide dei progetti con riempimento di fluidi

Sebbene le terminazioni riempite di liquido si siano dimostrate efficaci, hanno presentato diverse problematiche persistenti:

Installazione complessa in loco
Il vano cavi GIS doveva essere aperto in loco e l'installatore di cavi ad alta tensione ha montato l'isolatore in resina epossidica e inserito il cavo con il cono di stress e il connettore già montati. Successivamente, l'isolatore è stato svuotato e riempito d'olio.Per i collegamenti dei trasformatori, la procedura era ancora più impegnativa: l'olio del trasformatore doveva essere pompato fuori dal vano cavi e riempito di nuovo.

Rischi di perdite
La presenza di fluido ha richiesto una sigillatura molto accurata del terminale per evitare qualsiasi perdita che potesse provocare un guasto elettrico.Il punto più critico era l'interfaccia tra il cavo e la piastra di base di terminazione, dove il sistema di tenuta doveva adattarsi a cavi di varie dimensioni.Questo potenziale rischio di perdite richiedeva ispezioni periodiche per controllare il livello dell'olio o la pressione del gas..

Rischi per la sicurezza
Nel caso di un arco interno, i terminali riempiti di fluido, soprattutto quelli riempiti d'olio, potrebbero causare gravi danni alle apparecchiature circostanti e rappresentare un rischio per il personale.La tenuta del sistema doveva essere perfetta per evitare qualsiasi perdita e garantire prestazioni ottimali per tutta la durata del prodotto..

Requisiti di spazio
Nonostante queste difficoltà, il grande vantaggio di questi collegamenti interni era la possibilità di installare un impianto isolato e protetto all'interno degli edifici anziché all'esterno, sebbene ciò comportasse un'enorme richiesta di spazio..

3. Il passaggio al XLPE e all'isolamento solido

Un punto di svolta fondamentale si è verificato con l'evoluzione dei materiali isolanti per cavi. Negli ultimi decenni, il materiale isolante dominante per i cavi è passato dalla carta impregnata e dall'olio al polietilene reticolato (XLPE).Inoltre, il materiale isolante degli accessori per cavi è cambiato, passando a materiali solidi come elastomeri isolanti quali la gomma siliconica (SIR)..

Questa transizione ha modificato radicalmente le possibilità di progettazione per le terminazioni dei cavi. Con i cavi isolati in polimero, i fattori determinanti per l'utilizzo dell'olio non esistevano piùL'industria ha quindi iniziato a esplorare alternative senza fluidi che potessero eliminare i rischi associati all'isolamento liquido.

4. L'ascesa dei terminali a secco

Le terminazioni di tenuta senza fluidi, dette anche terminazioni a secco, sono state introdotte più recentemente nei sistemi ad alta tensione, ma ora sono ampiamente utilizzate per la terminazione dei cavi estrusi..

Principali vantaggi della tecnologia a secco:

• Eliminazione dei rischi di perdite

• Rischio ridotto di esplosione in caso di arco interno

• Non è necessario effettuare controlli periodici del livello dei fluidi.

• Design più leggero e compatto.

Le terminazioni a tenuta stagna sono utilizzate da molti anni per i terminali GIS fino al livello di altissima tensione (550 kV), e tali configurazioni sono ormai comunemente accettate e tendono a diventare sempre più lo standard per questo tipo di applicazioni.Per le applicazioni interne, come i sistemi GIS o i collegamenti dei trasformatori, i sistemi a secco stanno diventando lo standard, poiché i loro vantaggi superano nettamente quelli dei tradizionali sistemi a riempimento di fluido..

5. La rivoluzione delle prese

Una delle innovazioni più significative nella tecnologia di terminazione dei cavi GIS è stata lo sviluppo disistemi di terminazione a spina seccaDal 1966 sono disponibili sistemi di terminazione compatti a innesto a secco per il collegamento di trasformatori, scatole di giunzione e apparecchiature di commutazione isolate in gas..

Cosa rende rivoluzionario il design dei plug-in?

Preassemblaggio in fabbrica
L'isolante (boccola) in resina epossidica è preinstallato dal produttore GIS in fabbricaCiò garantisce un'installazione perfetta ed elimina il rischio di contaminazione nel vano GIS..

Installazione semplificata in loco
La boccola dell'apparecchiatura è preinstallata in fabbrica secondo gli standard IEC per i sistemi a secco.Sul posto, l'installatore di cavi prepara semplicemente l'estremità del cavo e inserisce la parte di inserimento, che contiene il cono di stress e il connettore del conduttore..

Tempi di installazione ridotti
I tempi di assemblaggio sono notevolmente ridotti rispetto alle terminazioni convenzionali, poiché il sistema elimina completamente l'uso di materiali isolanti liquidi.La funzionalità plug-in consente di scollegare il cavo in modo rapido e semplice dal componente del sistema in caso di guasto..

Design compatto
I sistemi plug-in offrono una lunghezza di installazione notevolmente ridotta del 50% rispetto al design convenzionale.Poiché questi sistemi funzionano su materiali isolanti solidi, è possibile realizzare qualsiasi configurazione spaziale desiderata: sono possibili disposizioni orizzontali, verticali e persino angolate dall'alto o dal basso..

Elevata affidabilità
L'utilizzo di componenti prefabbricati e testati garantisce un elevato livello di sicurezza e affidabilità, riducendo al minimo gli errori di assemblaggio.Oltre 2.000 di questi sistemi plug-in sono in uso in tutto il mondo nelle reti via cavo fino a 145 kV..

6. Cono interno vs. cono esterno: due standard di interfaccia

Con la maturazione della tecnologia dei plug-in a secco, sono emersi due diversi modelli generali: il"inner-cone" e "outer-cone"sistemiI tradizionali sistemi di tenuta a fluido sono stati eliminati e sostituiti da un'interfaccia gomma/epossidica sottoposta a pressione meccanica..

Sistema a cono interno:
Il cono di stress si inserisce all'interno dell'isolante epossidico, creando un'interfaccia compatta e schermata. Questo design è ampiamente utilizzato nelle applicazioni GIS ed è spesso standardizzato per le gamme di media tensione..

Sistema del cono esterno:
Il cono di stress si inserisce all'esterno dell'isolante epossidico, offrendo diverse caratteristiche meccaniche e di installazione. Entrambi i sistemi hanno i loro sostenitori e i produttori continuano a sviluppare varianti per diverse classi di tensione e applicazioni..

7. Il ruolo degli standard: dalla IEC 60859 alla IEC 62271-209

L'evoluzione delle terminazioni dei cavi GIS è stata accompagnata dallo sviluppo di standard internazionali che definiscono interfacce, dimensioni e requisiti di collaudo.

IEC 60859 (1986):La prima versione di questo standard è stata pubblicata nel 1986.. Copre i collegamenti dei cavi per quadri elettrici in involucro metallico isolati in gas dove le terminazioni dei cavi erano riempite di fluido.

IEC TS 60859 (1999):Questa versione è stata ampliata per includere sia i terminali a riempimento di fluido che quelli a secco..

IEC 62271-209 (2007, 2019):La norma attuale riguarda l'assemblaggio di connessione di cavi riempiti di fluido ed estrusi a GIS, dove le terminazioni del cavo sono riempite di fluido o di tipo seccoSpecifica le interfacce tra la terminazione e il quadro elettrico, garantendo l'intercambiabilità dei componenti di diversi produttori..

CIGRE TB 784 (2019):Questa brochure tecnica fornisce linee guida di progettazione standard per un'interfaccia a innesto a secco comune per cavi GIS e di alimentazione fino a 145 kV..

8. La tecnologia di essiccazione a secco matura di oggi

Oggi i progetti a secco sono maturi e predominanti per le terminazioni dei cavi per il collegamento a GIS e trasformatori fino a 550 kV.Per le terminazioni dei cavi che si collegano a GIS e trasformatori, il mercato è ormai dominato dalla tecnologia a secco..

Il design standard del connettore a innesto è stato esteso a livelli di tensione fino a 245 kV e sezioni di cavo fino a 1600 mm².Più recentemente, la tecnologia plug-in è stata introdotta per le terminazioni esterne ad altissima tensione fino a tensioni nominali di 550 kV..

Principali vantaggi delle moderne terminazioni GIS a secco:

• Niente liquidi: si eliminano i rischi di perdite e le ispezioni periodiche.

• Tempi di installazione ridotti, con conseguente riduzione del lavoro in loco.

• Design compatto: consente di risparmiare spazio prezioso nelle sottostazioni.

• Preassemblaggio in fabbrica: garanzia di qualità e riduzione del rischio di contaminazione

• Flessibilità spaziale: qualsiasi orientamento è possibile

9. La prossima frontiera: soluzioni sostenibili e prive di SF₆

L'evoluzione delle terminazioni dei cavi GIS continua con una nuova attenzione alla sostenibilità ambientale. Il gas SF₆, pur essendo un eccellente isolante, è un potente gas serra. L'industria sta ora sviluppando progetti GIS senza SF₆ con terminazioni a secco..

Sviluppi recenti:

• Nel 2023 Nexans ha ottenuto il primo test di tipo elettrico al mondo per terminazioni di cavi senza SF₆ a 525 kV CC..

• Eliminando l'uso del gas SF₆, le terminazioni dei cavi possono ridurre le proprie potenziali emissioni di gas serra del 99% o più..

• Sono in fase di progettazione e implementazione sottostazioni GIS da 420 kV senza SF₆ con terminazioni a innesto a secco..

• I produttori stanno sviluppando terminazioni compatibili con gas alternativi come miscele a base di fluoronitrile e aria pulita con interruzione del vuoto.

Il percorso evolutivo delle terminazioni per cavi GIS riflette la più ampia evoluzione dell'ingegneria energetica: dai sistemi a fluido e ad alta intensità di manodopera degli anni '70 ai moderni sistemi a secco, impiantabili in fabbrica, che si installano sul campo in poche ore e sono progettati per decenni di funzionamento senza manutenzione.La tecnologia è stata guidata da una serie di obiettivi coerenti: eliminare i rischi di perdite, ridurre i tempi di installazione, risparmiare spazio e migliorare l'affidabilità..

Mentre il settore si muove verso soluzioni prive di SF₆ e livelli di tensione ancora più elevati, l'evoluzione continua. Il concetto di terminazione a spina a secco, un tempo rivoluzionario, è diventato il nuovo standard: una testimonianza del potere dell'innovazione nel rendere la nostra infrastruttura elettrica più sicura, affidabile e sostenibile.Dai primi sistemi a innesto del 1966 alle terminazioni a secco da 550 kV di oggi, gli accessori per cavi GIS hanno fatto molta strada, e il viaggio è tutt'altro che concluso.