Gás Hexafluoreto de Enxofre SF6 e Misturas Ecológicas Fluoronitrilos C4-FN

        +-------------------------------------------------------------+
        |                 DISJUNTOR GIS BLINDADO EM GÁS               |
        |                                                             |
        |   ISOLAÇÃO DIELÉTRICA                 EXTINÇÃO DO ARCO      |
        |   - SF6 Puro (0.60 MPa)               - Auto-Sopro Térmico  |
        |   - Mistura C4-FN/CO2/O2 (0.75 MPa)   - Bocal PTFE Teflon   |
        |   - Ar Sintético / Vácuo              - Contatos CuW        |
        |            |                                   |            |
        |            v                                   v            |
        |       +---------------------------------------------+       |
        |       | PROPRIEDADES CRÍTICAS:                      |       |
        |       | 1. Eletronegatividade Extrema (Captura e-) |       |
        |       | 2. Recomposição Dielétrica em microssegundos|       |
        |       | 3. Condutividade Térmica de Dissociação     |       |
        |       | 4. Desafio Climático (GWP = 24.300 vs <350) |       |
        |       +---------------------------------------------+       |
        +-------------------------------------------------------------+

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1. Identificação e Especificação Normativa

O gás Hexafluoreto de Enxofre ($S{F}_6$) e as modernas misturas ecológicas à base de fluoronitrilos ($C_4\text{-FN}$ / Novec 4710) constituem o meio dielétrico e de extinção de arco elétrico primordial nas Subestações Isoladas a Gás (Gas-Insulated Switchgear - GIS), linhas de transmissão isoladas a gás (GIL), disjuntores de alta tensão e buchas compactas de subestações de $72.5\text{kV}$ até $800\text{kV}$. A introdução do $S{F}_6$ revolucionou a engenharia de potência ao permitir que uma subestação completa ocupe menos de $10\%$ da área física exigida por uma subestação convencional isolada a ar (AIS), viabilizando instalações subterrâneas no coração de metrópoles, usinas hidrelétricas abrigadas e plataformas offshore.

Contudo, o $S{F}_6$ é o gás de efeito estufa mais potente conhecido pela ciência, possuindo um Potencial de Aquecimento Global ($GW{P}_{100}$) de $24.300$ vezes o do dióxido de carbono e persistência na atmosfera superior a $3.200\text{ anos}$. Esse impacto ambiental severo motivou o banimento progressivo do $S{F}_6$ pela União Europeia (Regulamento F-Gas UE 2024/573) e acelerou a transição da indústria elétrica global para fluidos alternativos ecológicos. Destaca-se a mistura ternária $g^3$ (composta por $C_4\text{-FN}+C{O}_2+O_2$), que preserva o mesmo envelope mecânico e rigidez dielétrica das GIS convencionais com uma redução superior a $99\%$ nas emissões equivalentes de ${\text{CO}}_2$.

           EVOLUÇÃO DOS GASES DE ISOLAMENTO E EXTINÇÃO DE ARCO
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   | FASE 1: SF6 PURO (Dominante desde 1965)                                 |
   |         - Excelente rigidez dielétrica (3x o ar) e extinção de arco     |
   |         - Impacto climático crítico: GWP = 24.300 (Metas ESG ameaçadas)|
   |                                                                         |
   | FASE 2: MISTURAS ECOLÓGICAS FLUORONITRILOS C4-FN (g³ / Novec 4710)      |
   |         - Composição: 4% a 6% C4F7N + 85% CO2 + 10% O2                  |
   |         - GWP da mistura: < 350 (Redução > 99%)                         |
   |         - Drop-in quase direto para GIS de 145 kV e 245 kV              |
   |                                                                         |
   | FASE 3: AR NATURAL / AR SINTÉTICO PURIFICADO (Clean Air / Blue GIS)     |
   |         - Composição: 80% N2 + 20% O2 puro com GWP = 0                  |
   |         - Isolação no ar sob pressão (1.0 MPa) + Interrupção a VÁCUO    |
   +-------------------------------------------------------------------------+

1.1 Normas Técnicas Aplicáveis

• IEC 62271-203: High-voltage switchgear and controlgear — Part 203: Gas-insulated metal-enclosed switchgear for rated voltages above 52 kV (Norma internacional mestra para projeto, ensaios de tipo e operação de subestações GIS).
• IEC 62271-1: High-voltage switchgear and controlgear — Part 1: Common specifications for alternating current switchgear and controlgear (Requisitos de taxa de vazamento anual $<0.1\%$ e envelope térmico).
• IEC 60376: Specification of technical grade sulfur hexafluoride (SF6) and complementary gases to be used in its mixtures for use in electrical equipment (Pureza mínima do $S{F}_6$ novo $\ge 99.7\%$).
• IEC 60480: Specifications for the re-use of sulfur hexafluoride (SF6) and its mixtures in electrical equipment (Critérios de reciclagem e limites de contaminação por umidade e subprodutos ácidos).
• IEC 62271-4: Handling of sulphur hexafluoride (SF6) and its mixtures (Procedimentos mandatórios de recuperação, segurança de pessoal e mitigação de perdas).
• CIGRE Technical Brochure 723 / 801: Application of non-SF6 gases and mixtures in medium and high voltage switchgear (Diretrizes de caracterização e ensaios com misturas $C_4\text{-FN}$ e fluorocetonas $C_5\text{-FK}$).
• Regulamento F-Gas (UE 2024/573): Legislação europeia que proíbe o uso de gases com $GWP>1$ em novas subestações de média tensão até $24\text{kV}$ a partir de 2026 e em alta tensão a partir de 2030/2032.

1.2 Tabela Comparativa de Gases Dielétricos para Equipamentos de Alta Tensão

Propriedade Técnica	Hexafluoreto de Enxofre ($S{F}_6$)	Mistura $S{F}_6/N_2$ (Climas Árticos)	Mistura Ecológica $C_4\text{-FN}$ ($g^3$)	Fluorocetona $C_5\text{-FK}$ ($AirPlus$)	Ar Sintético (Clean Air)
Composição Típica	$100\%S{F}_6$ puro	$30\%S{F}_6+70\%N_2$	$5\%C_4{\text{F}}_7\text{N}+85\%{\text{ CO}}_2+10\%{\text{ O}}_2$	$6\%C_5\text{-FK}+94\%\text{ Ar Seco}$	$80\%N_2+20\%O_2$
GWP ($100\text{ anos}$)	$24.300$	$\approx 7.300$	$<350$ (Redução $99\%$)	$<1$ (Impacto Nulo)	$0$
Vida Atmosférica	$3.200\text{ anos}$	$3.200\text{ anos}$ (fração $S{F}_6$)	$\approx 30\text{ anos}$	$<0.05\text{ anos}$ ($15\text{ dias}$)	Nula
Rigidez Dielétrica Relativa	$1.0$ (Referência $3.0\times$ ar)	$\approx 0.70$ a $0.75$	$0.95\text{ a }1.05$ (com $+1\text{ bar}$)	$\approx 0.85\text{ a }0.90$	$0.35$ (Exige ampola vácuo)
Capacidade de Interrupção	Excelente (Auto-sopro)	Boa (Média corrente)	Excelente (Até $50\text{kA}$)	Moderada (Média Tensão)	Nula em arco (Exige Vácuo)
Ponto de Ebulição (1 bar)	$-63.8^{\circ }\text{C}$ (Sublimação)	$<-70^{\circ }\text{C}$	$-4.7^{\circ }\text{C}$ (do $C_4\text{-FN}$ puro)	$+49.0^{\circ }\text{C}$ (Líquido ambiente)	$-194^{\circ }\text{C}$
Temp. Mínima sem Liquefação	$-40.0^{\circ }\text{C}$ a $0.6\text{MPa}$	$-50.0^{\circ }\text{C}$	$-25.0^{\circ }\text{C}$ a $0.75\text{MPa}$	$-5.0^{\circ }\text{C}$ (Gás apenas MT)	$-60.0^{\circ }\text{C}$
Toxicidade do Gás Novo	Não tóxico ($\text{OEL}=1000\text{ppm}$)	Não tóxico	Baixa ($\text{OEL}=65\text{ppm}$)	Não tóxico	Totalmente inerte
Subprodutos sob Arco	$SO{F}_2,S{O}_2{F}_2,HF,W{F}_6$	$SO{F}_2,HF,Si{F}_4$	$CO,C{F}_4,C_2{F}_6,HF,HCN$ (traços)	$CO,C{O}_2,HF$	Nenhum tóxico
Pressão Nominal Típica (GIS)	$0.50\text{ a }0.65\text{MPa}$ abs	$0.60\text{ a }0.70\text{MPa}$ abs	$0.70\text{ a }0.85\text{MPa}$ abs	$0.15\text{ a }0.25\text{MPa}$ abs	$0.80\text{ a }1.20\text{MPa}$ abs

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2. Aspecto Físico Comercial e Corte Técnico Vetorial

A construção mecânica de uma baía de subestação GIS baseia-se em tubos e carcaças cilíndricas flangeadas em liga de alumínio fundido ou soldado (anticorodal AlSi7Mg), submetidas a ensaios de pressão hidrostática a $1.5\times$ a pressão de projeto e testes de estanqueidade a vácuo com hélio para garantir taxa de fuga anual estritamente inferior a $0.1\%$. O condutor tubular central de alta tensão é suspenso concentricamente através de isoladores cônicos ou discoidais de resina epóxi pura dopada com pó de sílica ou alumina micronizada.

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| ARQUETIPO MECÂNICO DE UM DISJUNTOR GIS TRIPOLAR / UNIPOLAR EM ALTA TENSÃO                        |
|                                                                                                  |
| [Manômetro / Densímetro Compensado ⑥]                                                            |
|          +------------+                                                                          |
|          | ( 6.0 bar )|                                                                          |
|          +-----+------+                                                                          |
|                | Tubo Capilar                                                                    |
|                v                                                                                 |
|   +------------------------------------------------------------------------------------------+   |
|   | ENVOLTÓRIO METÁLICO CILÍNDRICO DE ALUMÍNIO ATERRADO ③ (Gás SF6 / C4-FN a 0.60 MPa)       |   |
|   |                                                                                          |   |
|   |   ④ ISOLADOR CÔNICO EPÓXI               CÂMARA DE INTERRUPÇÃO DE AUTO-SOPRO              |   |
|   |   +---------------------+               +--------------------------------------------+   |   |
|   |   |     (Barreira)      |   Condutor    | ① BOCAL DE EXPANSÃO SUPERSONICA EM PTFE     |   |   |
|   |==>|    /           \    |==============>|    Arco Elétrico Térmico em Extinção       |   |   |
|   |   |   /   [Barra]   \   |   de Alta     | ② CONTATOS DE COBRE-TUNGSTÊNIO (CuW)       |   |   |
|   |   |  /     Cobre     \  |   Tensão      | ⑤ CILINDRO DE AUTO-SOPRO (SELF-BLAST)      |   |   |
|   |   +---------------------+               +---------------------+----------------------+   |   |
|   |                                                               | Haste de Mola Hidráulica |   |
|   |   ⑤ FILTRO MOLECULAR DE ALUMINA ATIVADA (Absorvedor de HF)     v                          |   |
|   |   +-------------------------------------------------------------+                        |   |
|   +------------------------------------------------------------------------------------------+   |
+--------------------------------------------------------------------------------------------------+

2.1 Corte Técnico Transversal e Elementos Construtivos

O diagrama vetorial abaixo ilustra o corte transversal detalhado da câmara de extinção de arco de autopressurização térmica (self-blast) e isolador cônico de barreira:

Identificação Numérica dos Componentes Internos

• ① Câmara de Arco de Autoprocesso (Self-Blast) e Bocal de PTFE: Bloco aerodinâmico usinado em politetrafluoretileno virgem puro (PTFE / Teflon). Durante a separação dos contatos sob curto-circuito, a violenta energia do arco elétrico ($T>15000\text{ K}$) aquece o gás circunvizinho, gerando uma onda de choque que sobrepressuriza a câmara térmica interna; quando a corrente alternada cruza o zero natural ($di/dt\to 0$), a pressão diferencial acumulada descarrega um sopro supersônico bidirecional de gás frio através da garganta do bocal, desionizando o plasma em microssegundos.
• ② Contatos Fixos e Móveis de Potência em Liga de Cobre-Tungstênio (CuW): Contatos de engate tipo tulipa providos de pastilhas de sacrifício sinterizadas compostas por $70\%\text{ a }80\%$ de tungstênio e $20\%\text{ a }30\%$ de cobre ($CuW80$). A altíssima temperatura de fusão do tungstênio ($3422^{\circ }\text{C}$) confere resistência extrema à erosão por vaporização sob correntes de curto-circuito de até $40\text{ a }63\text{kA}$, preservando os contatos prateados de condução permanente localizados externamente aos dentes de arco.
• ③ Envoltório Pressurizado de Alumínio Fundido com Blindagem Aterrada: Vaso de pressão cilíndrico fabricado em liga leve de alumínio resistente à corrosão atmosférica. É mantido solidamente conectado à malha de terra da subestação ($V=0\text{V}$), garantindo segurança intrínseca absoluta ao operador contra choques elétricos, eliminando interferências eletromagnéticas externas e contendo o campo eletrostático totalmente confinado no interior do gás.
• ④ Isolador Suporte Tipo Cone em Resina Epóxi: Peça moldada a vácuo em resina epóxi aromática carregada com partículas de alumina calcinada (${\text{Al}}_2{\text{O}}_3$) para casar o coeficiente de dilatação térmica com os insertos metálicos. Possui duas funções simultâneas: suporte mecânico rígido para sustentar o condutor vivo central contra esforços eletrodinâmicos de curto-circuito ($>100\text{kN}$) e barreira estanque de gás, particionando a GIS em compartimentos pneumáticos independentes para evitar que a perda de pressão em uma baía afete as demais.
• ⑤ Cilindro de Compressão Mecânica e Filtro Molecular de Alumina Ativada: Na base do compartimento, aloja-se uma cápsula metálica perfurada contendo grânulos de peneira molecular sintética e alumina ativada (${\text{Al}}_2{\text{O}}_3$ ou ${\text{SiO}}_2$ microporoso de $4\text{ A˚}$). Sua função físico-química é adsorver imediatamente a umidade residual infiltrada e os subprodutos tóxicos e corrosivos gerados pela quebra térmica do gás no arco elétrico (como o fluoreto de hidrogênio $HF$ e fluoreto de tionila $SO{F}_2$), prevenindo o ataque químico às superfícies de isolamento sólido epóxi.
• ⑥ Densímetro Compensado em Temperatura (Manômetro Bimetálico): Instrumento de segurança primária conectado diretamente ao compartimento de gás. Como a pressão de um volume fechado varia linearmente com a temperatura conforme a lei dos gases ideais ($P\propto T$), um manômetro convencional acusaria alarmes falsos de vazamento no inverno. O densímetro emprega uma lâmina bimetálica de compensação ou fole com gás de referência acoplado a microrruptores, monitorando a massa específica real do gás (${\text{kg/m}}^3$):
  • Nível Nominal de Operação: $0.60\text{MPa}$ manométrica a $20^{\circ }\text{C}$ ($\approx 43{\text{kg/m}}^3$).
  • Contato 1 (Alarme de Vazamento Lento): Desarme em $0.52\text{MPa}$.
  • Contato 2 (Bloqueio de Manobra do Disjuntor): Desarme em $0.50\text{MPa}$ (impede a abertura do disjuntor sob risco de explosão por rigidez insuficiente).

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3. Fundamentos Físicos e Princípios de Operação

3.1 Mecanismo Quântico de Eletronegatividade e Captura Eletrônica

A rigidez dielétrica extraordinária do $S{F}_6$ e do $C_4\text{-FN}$ decorre da propriedade quântica de eletronegatividade dos átomos de halogênios que compõem a molécula. Em um gás comum (como o nitrogênio ou o ar), elétrons livres acelerados pelo campo elétrico colidem com moléculas neutras, arrancando novos elétrons e deflagrando uma avalanche eletrônica de Townsend que culmina na disrupção.

No $S{F}_6$, as moléculas possuem uma altíssima seção de choque para captura ressonante de elétrons de baixa energia (elétrons térmicos com energia cinética $<2.0\text{eV}$):

1. Captura Dissociativa: $S{F}_6+e^{-}\to (S{F}_6^{-}{)}^{\ast }\to S{F}_5^{-}+F(\text{para energias entre }0.1\text{ e }1.0\text{eV})$
2. Captura Não-Dissociativa: $S{F}_6+e^{-}\to S{F}_6^{-}(\text{para eleˊtrons teˊrmicos }<0.05\text{eV})$

Os elétrons livres de alta mobilidade (${\mu }_e\approx 1000\text{ a }10000{\text{cm}}^2/\text{V}\cdot \text{s}$) são instantaneamente convertidos em íons negativos pesados ($S{F}_6^{-}$ ou $S{F}_5^{-}$), cuja mobilidade iônica é centenas de vezes menor (${\mu }_i\approx 0.5{\text{cm}}^2/\text{V}\cdot \text{s}$). Esses íons pesados são incapazes de ganhar velocidade suficiente no livre caminho médio para ionizar outras moléculas por impacto, estancando a avalanche e colapsando o processo de quebra dielétrica.

Coeficientes de Ionização de Townsend e Campo Crítico

O crescimento da densidade eletrônica no espaço obedece à equação diferencial:

$\frac{d{n}_e}{dx}=(\alpha -\eta )\cdot n_e=\bar{\alpha }\cdot n_e$

Onde:

• $\alpha$ é o primeiro coeficiente de ionização de Townsend (número de ionizações por colisão por unidade de comprimento).
• $\eta$ é o coeficiente de captura eletrônica (attachment coefficient).
• $\bar{\alpha }=(\alpha -\eta )$ é o coeficiente líquido efetivo de ionização.

A condição de isolamento dielétrico estável é satisfeita quando a taxa de captura de elétrons supera a taxa de ionização:

$\eta >\alpha ⟹\bar{\alpha }<0$

O campo elétrico reduzido crítico $(E/N{)}_{cr}$ é o valor exato no qual $\alpha =\eta$:

$(E/N{)}_{cr}(S{F}_6)\approx 360\text{Td}(1\text{Td}=10^{-21}\text{V}\cdot {\text{m}}^2)$

Em comparação, para o ar seco: $(E/N{)}_{cr}(\text{Ar})\approx 88\text{Td}$. Isso comprova fisicamente que o $S{F}_6$ suporta um campo elétrico $4.1\times$ mais intenso que o ar antes de permitir a deflagração da quebra dielétrica para a mesma densidade molecular.

3.2 Termodinâmica da Extinção de Arco e Dissociação Reversível

Durante a interrupção de uma corrente de curto-circuito de $40\text{kA}$, a temperatura no núcleo do arco ultrapassa $15000\text{ a }20000\text{K}$, transformando o gás em um plasma altamente condutor composto por elétrons e íons de enxofre e flúor.

O sucesso da extinção do arco depende da velocidade com que esse canal condutor é resfriado e reconvertido em gás isolante nos microssegundos que antecedem e sucedem a passagem natural da corrente alternada por zero (Current Zero - CZ). O $S{F}_6$ apresenta uma característica física ímpar: um pico monumental de condutividade térmica na faixa de $2000\text{ K}$, gerado pela sua reação endotérmica de dissociação molecular:

$S{F}_6\rightleftharpoons S{F}_4+2F\rightleftharpoons S{F}_2+4F\rightleftharpoons S+6F$

Na temperatura de $2000\text{ K}$, a dissociação e recombinação contínua das moléculas atua como uma bomba microscópica de calor: a entalpia de dissociação consome energia térmica brutal do arco, conferindo ao $S{F}_6$ uma condutividade térmica específica até cinco vezes superior à do ar e dez vezes superior à do nitrogênio nessa faixa crítica. Esse resfriamento ultrarrápido contrai o raio térmico do arco a um filamento microscópico. No instante do zero de corrente, o gás reconquista sua rigidez dielétrica em uma taxa de recuperação transitória de tensão ($dv/dt$) superior a $10\text{kV}/\mu \text{s}$, impedindo o reacendimento do arco pela Tensão de Restabelecimento Transitória (TRT).

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4. Esquema Elétrico e Estrutural de Aplicação em Subestação GIS

O esquema estrutural unifilar a seguir detalha uma baía completa de Subestação Isolada a Gás (GIS Bay) classe 145 kV, conectando a linha de transmissão aérea ao barramento da subestação:

graph TD
    subgraph ENTRADA_LINHA["Entrada de Linha de Alta Tensão (138 kV)"]
        BUCHA_AR["Bucha Ar-Gás Externa (Porcelana / Silicone)"]
        PARA_RAIOS["Para-Raios ZnO Encapsulado em SF6"]
        CHAVE_TERRA_RAP["Chave de Aterramento Rápido (High-Speed)"]

        BUCHA_AR --> PARA_RAIOS
        PARA_RAIOS --> CHAVE_TERRA_RAP
    end

    subgraph BAIA_DISJUNTOR["Módulo Blindado do Disjuntor GIS (IEC 62271-203)"]
        SEC_LINHA["Seccionadora de Linha com Bloqueio Motorizado"]
        TC_TOROIDAL["Transformador de Corrente (TC Toroidal Externo)"]
        DISJUNTOR_CB["Disjuntor de Potência SF6 / C4-FN (Self-Blast 40 kA)"]
        DENSIMETRO["Densímetro Compensado em Temperatura (6.0 bar)"]
        DISCO_RUPTURA["Disco de Ruptura de Segurança contra Sobrepressão"]

        CHAVE_TERRA_RAP --> SEC_LINHA
        SEC_LINHA --> TC_TOROIDAL
        TC_TOROIDAL --> DISJUNTOR_CB
        DISJUNTOR_CB -.-> DENSIMETRO
        DISJUNTOR_CB -.-> DISCO_RUPTURA
    end

    subgraph BARRAMENTO_SUBESTACAO["Interface de Conexão com Barramento Principal"]
        SEC_BARRA["Seccionadora de Manobra de Barramento"]
        TP_INDUTIVO["Transformador de Potencial Indutivo (TP)"]
        BARRAMENTO_GIS["Barramento Trifásico Coaxial Encapsulado em Gás"]

        DISJUNTOR_CB --> SEC_BARRA
        SEC_BARRA --> TP_INDUTIVO
        SEC_BARRA --> BARRAMENTO_GIS
    end

    subgraph SUPERVISAO_DIGITAL["Painel de Controle e Proteção (IEC 61850)"]
        IED_PROT["Relé de Proteção de Linha (ANSI 21 / 87L)"]
        MONITOR_UHF["Monitor Online de Descargas Parciais (Sensores UHF 1.5 GHz)"]
        SCADA_REMOTO["Centro de Operação do Sistema (COS)"]

        TC_TOROIDAL --> IED_PROT
        TP_INDUTIVO --> IED_PROT
        DENSIMETRO -->|Sinal 4-20mA / Contatos| IED_PROT
        MONITOR_UHF --> SCADA_REMOTO
        IED_PROT -->|Comando de Disparo| DISJUNTOR_CB
        IED_PROT <--> SCADA_REMOTO
    end

    style ENTRADA_LINHA fill:#0d1b2a,stroke:#415a77,stroke-width:1px,color:#fff
    style BAIA_DISJUNTOR fill:#1b263b,stroke:#778da9,stroke-width:1px,color:#fff
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5. Metodologia de Dimensionamento e Projeto Numérico 100% Resolvido

5.1 Especificações do Projeto de Engenharia

Projeta-se e dimensiona-se o isolamento coaxial e os parâmetros de enchimento gasoso para um compartimento de disjuntor GIS sob as seguintes especificações nominais:

• Tensão Nominal do Sistema: $V_n=145.0\text{kV}$ (Tensão máxima de operação contínua fase-fase).
• Tensão Fase-Terra Máxima RMS: $V_{f-t}=\frac{145.0\text{kV}}{\sqrt{3}}\approx 83.72{\text{kV}}_{rms}$.
• Tensão Suportável Nominal de Impulso Atmosférico (NBI - 1.2/50 µs): $V_{nbi}=650.0\text{kV}$ de pico conforme IEC 62271-1.
• Corrente Nominal de Curto-Circuito: $I_{cc}=40.0\text{kA}$ contínuos durante $\Delta t=3.0\text{s}$.
• Pressão Nominal de Enchimento de $S{F}_6$ ($20^{\circ }\text{C}$): $P_{nom}=0.50\text{MPa}$ manométrica ($0.60\text{MPa}$ absoluta = $6.0\text{bar}$).
• Gás Alternativo Avaliado: Mistura Ecológica $g^3$ ($4.5\%C_4\text{-FN}+95.5\%C{O}_2$).
• Fator de Rugosidade Superficial dos Tubos: $\xi =0.85$ (Considerando microrrugosidades de usinagem e micropartículas admissíveis).

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5.2 Passo 1: Cálculo da Densidade Real do Gás $S{F}_6$ no Compartimento

A massa específica do gás real é calculada pela equação de estado dos gases com fator de compressibilidade $Z$:

$\rho =\frac{P_{abs}\cdot M}{Z(P,T)\cdot R_u\cdot T}$

Para o $S{F}_6$ a $P_{abs}=0.60\text{MPa}=6.0\times 10^5\text{Pa}$ e $T=20.0^{\circ }\text{C}=293.15\text{K}$:

• Massa molar do $S{F}_6$: $M=32.06+6\times 18.9984=146.05\text{g/mol}=0.14605\text{kg/mol}$.
• Constante universal dos gases: $R_u=8.31446\text{J}/(\text{mol}\cdot \text{K})$.
• Fator de compressibilidade do $S{F}_6$ a $6.0\text{bar}$ (CIGRE): $Z\approx 0.945$.

${\rho }_{SF6}=\frac{6.0\times 10^5\times 0.14605}{0.945\times 8.31446\times 293.15}=\frac{87630}{2303.26}\approx 38.046{\text{kg/m}}^3$

Para um compartimento de disjuntor com volume geométrico interno útil de $V_{comp}=0.85{\text{m}}^3$ (850 litros), a massa total de gás necessária é:

$M_{g\acute{a}s}={\rho }_{SF6}\cdot V_{comp}=38.046\times 0.85\approx 32.34\text{kg de }S{F}_6$

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5.3 Passo 2: Otimização Geométrica Coaxial do Envoltório e Campo Elétrico

O sistema consiste em um condutor cilíndrico interno vivo de raio $r_1$ concêntrico a um envoltório tubular aterrado de raio interno $r_2$.

O campo elétrico radial a uma distância $r$ ($r_1\le r\le r_2$) para uma tensão aplicada $V$ é dado pela lei de Gauss:

$E(r)=\frac{V}{r\cdot \ln (r_2/r_1)}$

O campo elétrico máximo ocorre invariavelmente na superfície externa do condutor interno ($r=r_1$):

$E_{max}=\frac{V}{r_1\cdot \ln (r_2/r_1)}$

Para minimizar o campo elétrico máximo para um dado diâmetro externo de envoltório fixo ($r_2$), deriva-se a equação em relação a $r_1$ e iguala-se a zero:

$\frac{d{E}_{max}}{d{r}_1}=0⟹\ln \left(\frac{r_2}{r_1}\right)-1=0⟹\frac{r_2}{r_1}=e\approx 2.718$

Fixando o raio interno do envoltório metálico de alumínio em $r_2=190.0\text{mm}$ ($D_2=380\text{mm}$), o raio ideal do condutor interno seria:

$r_{1,opt}=\frac{r_2}{e}=\frac{190.0}{2.718}\approx 69.9\text{mm}⟹\text{Adota-se }{r}_1=70.0\text{mm}(D_1=140.0\text{mm})$

A razão dimensional final é:

$\frac{r_2}{r_1}=\frac{190.0}{70.0}\approx 2.714⟹\ln \left(\frac{r_2}{r_1}\right)=\ln (2.714)\approx 0.9984$

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5.4 Passo 3: Verificação da Rigidez Dielétrica sob Tensão de Impulso Atmosférico (NBI)

Durante a solicitação de impulso atmosférico normalizado de $V_{nbi}=650.0\text{kV}$, o campo elétrico de pico na superfície do condutor interno será:

$E_{max,nbi}=\frac{V_{nbi}}{r_1\cdot \ln (r_2/r_1)}=\frac{650.0\text{kV}}{0.070\text{m}\times 0.9984}=\frac{650.0}{0.06989}\approx 9300.3\text{kV/m}=9.30\text{kV/mm}$

A rigidez dielétrica crítica do $S{F}_6$ puro em campo quasi-uniforme é modelada semi-empiricamente em função da pressão absoluta em bar por:

$E_{cr}\approx 8.90\cdot (P_{abs}{)}^{0.95}[\text{kV/mm}]$

Para $P_{abs}=6.0\text{bar}$:

$E_{cr}=8.90\times (6.0{)}^{0.95}=8.90\times 5.467\approx 48.66\text{kV/mm}$

Considerando o fator de rugosidade superficial e microdefeitos industriais $\xi =0.85$ e um coeficiente de segurança para impulsos de $\kappa =0.60$:

$E_{adm}=\xi \cdot \kappa \cdot E_{cr}=0.85\times 0.60\times 48.66=0.51\times 48.66\approx 24.82\text{kV/mm}$

A margem de segurança dielétrica em relação ao campo de pico do NBI é:

$MS=\frac{E_{adm}}{E_{max,nbi}}=\frac{24.82\text{kV/mm}}{9.30\text{kV/mm}}\approx 2.67$

A margem de segurança é de $167\%$, garantindo suporte absoluto a sobretensões atmosféricas sem risco de disrupção para o envoltório aterrado.

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5.5 Passo 4: Dimensionamento da Mistura Alternativa Ecológica $C_4\text{-FN}/C{O}_2$ ($g^3$)

Para substituir o $S{F}_6$ com emissões quase nulas, adota-se a mistura ecológica comercial $g^3$ composta por $4.5\%$ molar de $C_4\text{-FN}$ diluído em $95.5\%$ de dióxido de carbono ($C{O}_2$).

A rigidez dielétrica intrínseca dessa mistura a $1\text{bar}$ é cerca de $82\%$ da rigidez do $S{F}_6$ puro. Para alcançar a mesma rigidez dielétrica admissível de $24.82\text{kV/mm}$ sem alterar os diâmetros mecânicos dos tubos ($r_1=70\text{mm}$, $r_2=190\text{mm}$), eleva-se a pressão nominal de enchimento:

$P_{eco}=P_{SF6}\times {\left(\frac{1}{0.82}\right)}^{1/0.95}=6.0\times (1.2195{)}^{1.0526}=6.0\times 1.232\approx 7.39\text{bar abs}⟹\text{Adota-se }7.50\text{bar abs}$

Verificação de Temperatura Mínima de Operação contra Liquefação

A fração molar do fluoronitrilo é $y=0.045$. A pressão parcial do $C_4\text{-FN}$ a $7.50\text{bar}$ é:

$P_{parcial}=y\cdot P_{eco}=0.045\times 7.50\text{bar}=0.3375\text{bar}=33.75\text{kPa}$

A pressão de vapor saturado do $C_4\text{-FN}$ em função da temperatura $T$ (em Kelvin) segue a equação de Antoine:

${\log }_{10}{P}_{sat}(\text{bar})=A-\frac{B}{T+C}=4.092-\frac{1125.3}{T-35.15}$

Para a temperatura ártica mínima de projeto $T_{min}=-25.0^{\circ }\text{C}=248.15\text{K}$:

${\log }_{10}{P}_{sat}=4.092-\frac{1125.3}{248.15-35.15}=4.092-\frac{1125.3}{213.0}=4.092-5.283=-1.191$ $P_{sat}(-25^{\circ }\text{C})=10^{-1.191}\approx 0.0644\text{bar}=6.44\text{kPa}$

Como a pressão parcial $33.75\text{kPa}$ excede a saturação a $-25^{\circ }\text{C}$, ocorreria liquefação parcial do gás isolante. Para operar com segurança em $-25^{\circ }\text{C}$, ajusta-se a fração molar para $y=3.5\%$ com adição de gás tampão de oxigênio ($O_2$ a $10\%$), assegurando que o ponto de orvalho da mistura permaneça estritamente abaixo de $-28^{\circ }\text{C}$.

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5.6 Passo 5: Cálculo da Taxa Máxima de Vazamento Anual (IEC 62271-1)

A norma IEC 62271-1 limita a taxa máxima permissível de vazamento de gás para a atmosfera em $F\le 0.1\%$ da massa total ao ano:

${\dot{M}}_{vaz\_max}=0.001\times M_{g\acute{a}s}=0.001\times 32.34\text{kg/ano}=0.03234\text{kg/ano}$

Convertendo para gramas por dia:

${\dot{m}}_{dia}=\frac{32.34\text{g}}{365.25}\approx 0.0885\text{g/dia}$

A taxa de fuga volumétrica padrão equivalente em ensaio de fábrica com espectrômetro de massa por hélio é calculada por:

$Q=\frac{\Delta (P\cdot V)}{\Delta t}=\frac{0.1\%\times (6.0\times 10^5\text{Pa}\times 0.85{\text{m}}^3)}{3.1536\times 10^7\text{segundos}}=\frac{510.0\text{J}}{3.1536\times 10^7\text{s}}\approx 1.617\times 10^{-5}\text{Pa}\cdot {\text{m}}^3/\text{s}$

Convertendo para a unidade padrão de vácuo:

$Q_{\text{vazamento}}=1.617\times 10^{-4}\text{mbar}\cdot \text{L/s}$

Durante o teste de aceitação de tipo em fábrica (FAT), se a leitura de fuga de hélio nas juntas flangeadas com anel de borracha EPDM for superior a $1.0\times 10^{-5}\text{mbar}\cdot \text{L/s}$, o compartimento é rejeitado para retrabalho de usinagem e troca de vedações.

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6. Análise de Modos de Falha (FMEA), Diagnóstico e Manutenção

6.1 Matriz de Análise de Modos de Falha e Efeitos (FMEA)

Componente / Função	Modo de Falha	Causa Raiz Física	Efeito no Equipamento / Sistema	S	O	D	RPN	Ação Preventiva e Mitigação de Projeto
Gás SF6 / Mistura	Perda de densidade por vazamento lento	Deformação ou envelhecimento de anel elastomérico EPDM	Queda de rigidez dielétrica; bloqueio operacional da baía	8	3	1	24	Vedação dupla com anel de elastômero fluorado e monitoramento por densímetro bimetálico.
Isolador Cônico Epóxi	Descargas parciais internas e tracking	Microbolhas na fundição da resina epóxi ou trinca mecânica	Flashover interno violento fase-terra e destruição da baía	10	1	2	20	Teste de descargas parciais em fábrica ($DP<2\text{ pC}$) e sensores UHF online de 1.5 GHz.
Contatos de Potência	Soldagem ou quebra de pastilha CuW	Desgaste excessivo por quebra repetida de curto-circuito	Falha de abertura do disjuntor; queima de transformador	10	1	2	20	Monitoramento de $I^{2}t$ acumulado pelo IED e pastilhas sinterizadas em liga CuW80 de alta espessura.
Bocal de PTFE	Erosão excessiva da garganta de sopro	Abrasão térmica por arco de alta energia prolongado	Perda de velocidade supersônica; falha de extinção CZ	9	2	2	36	Adição de nanopartículas cerâmicas de nitreto de boro no PTFE para elevar resistência à erosão.
Filtro Molecular	Saturação por umidade e subprodutos	Excesso de água no gás de enchimento inicial ($>15\text{ ppm}$)	Formação de ácido fluorídrico ($HF$) que corrói o epóxi	8	2	2	32	Exigência estrita de ponto de orvalho $T_{dew}\le -36^{\circ }\text{C}$ e substituição mandatória do filtro em revisão.
Envoltório de Alumínio	Ruptura por sobrepressão catastrófica	Arco elétrico interno não extinto mantido por $>100\text{ms}$	Explosão da carcaça com projeção de estilhaços e gases	10	1	1	10	Instalação obrigatória de disco de ruptura mecânico com duto de descompressão direcionado ao teto.

Legenda: S = Severidade (1-10); O = Ocorrência (1-10); D = Detecção (1-10); RPN = Número de Prioridade de Risco ($S\times O\times D$).

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6.2 Procedimentos de Diagnóstico e Inspeção Técnica Especializada

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| PROTOCOLO DE TESTE E REVISÃO DE GÁS EM SUBESTAÇÕES GIS (IEC 60480 / IEC 62271-4)                  |
|                                                                                                  |
| [Início da Auditoria Periódica em Campo]                                                         |
|       |                                                                                          |
|       v                                                                                          |
| 1. Detecção Óptica de Emissões Fugitivas com Câmera Infravermelha (OGI):                         |
|    - Varrer todas as juntas flangeadas, manômetros e válvulas com câmera térmica FLIR GF306.     |
|    - O filtro óptico centrado em 10.55 µm torna a nuvem invisível de SF6 perfeitamente escura.   |
|       |                                                                                          |
|       v                                                                                          |
| 2. Ensaio de Pureza e Umidade do Gás (Analisador Portátil Multigás):                             |
|    - Conectar mangueira de aço inox na tomada de engate rápido DILO do compartimento.            |
|    - Medir pureza: Exigido Pureza SF6 >= 97.0% (Gás em serviço - IEC 60480).                     |
|    - Medir umidade: Ponto de orvalho deve ser T_orvalho <= -36.0°C a 1.0 bar (W <= 150 ppmv).   |
|       |                                                                                          |
|       v                                                                                          |
| 3. Medição de Produtos de Decomposição Tóxicos (Subprodutos de Arco):                            |
|    - Sensor eletroquímico para Dióxido de Enxofre (SO2): Exigido SO2 < 5.0 ppmv.                 |
|    - Sensor para Ácido Fluorídrico (HF): Exigido HF < 1.0 ppmv.                                  |
|    - Se SO2 > 12 ppmv: Indício inequívoco de centelhamento interno recente ou erosão severa.    |
|       |                                                                                          |
|       v                                                                                          |
| 4. Teste de Descargas Parciais por Varredura UHF (Ultra-High Frequency):                        |
|    - Conectar analisador de espectro de 300 MHz a 1.5 GHz aos sensores capacitivos de baía.      |
|    - Mapear padrão PRPD (Phase-Resolved Partial Discharge): identificar ruído de corona ou      |
|      partícula metálica solta saltitando no fundo do duto aterrado antes que cause disrupção.   |
|       |                                                                                          |
|       v                                                                                          |
| [Compartimento GIS Certificado para Operação Contínua Segura]                                    |
+--------------------------------------------------------------------------------------------------+