_-_KNP_-_001.jpg/1280px-Cahora_Bassa_(HVDC)_-_KNP_-_001.jpg)
Однопроводный возврат на землю ( SWER ) или однопроводный возврат на землю представляет собой однопроводную линию передачи , которая подает однофазную электроэнергию из электрической сети в отдаленные районы с наименьшими затратами. Его отличительной особенностью является то, что земля (или иногда водоем) используется в качестве обратного пути тока, чтобы избежать необходимости использования второго провода (или нейтрального провода ) в качестве обратного пути.
Однопроводной возврат заземления в основном используется для электрификации сельской местности , но также находит применение для более крупных изолированных нагрузок, таких как водяные насосы. Он также используется для подачи постоянного тока высокого напряжения по подводным силовым кабелям . Электрическая однофазная железнодорожная тяга, такая как легкорельсовый транспорт , использует очень похожую систему. Он использует резисторы для заземления, чтобы уменьшить опасность, связанную с напряжением на шинах, но первичные возвратные токи проходят через рельсы. [1]
Ллойд Мандено , ОБЕ (1888–1973), полностью разработал SWER в Новой Зеландии примерно в 1925 году для электрификации сельской местности. Хотя он называл ее «Однопроводной линией земляных работ», ее часто называли «Веревкой Мандено». [2] На данный момент в Австралии и Новой Зеландии установлено более 200 000 километров (100 000 миль) . Он считается безопасным, надежным и недорогим при условии, что средства безопасности и заземление установлены правильно. Австралийские стандарты широко используются и цитируются. Его применяют по всему миру, например, в канадской провинции Саскачеван ; Бразилия ; Африка ; и части Верхнего Среднего Запада США и Аляски ( Вефиль ).
SWER является жизнеспособным выбором для распределительной системы, когда обычная проводка обратного тока будет стоить дороже, чем изолирующие трансформаторы SWER, и потери мощности будут небольшими. Энергетики, имеющие опыт работы как с SWER, так и с традиционными линиями электропередачи, оценивают SWER как одинаково безопасный, более надежный, менее затратный, но с несколько меньшим КПД, чем традиционные линии. [3] SWER может стать причиной пожара при плохом обслуживании, а также существует опасность лесного пожара. [4]
Питание на линию SWER подается разделительным трансформатором мощностью до 300 кВА . Этот трансформатор изолирует сеть от земли. Напряжение изменяется из-за перехода от линии к линии к линии на землю, обычно уменьшая напряжение сети 22 кВ до SWER 12,7 кВ или сети 33 кВ до SWER 19,1 кВ.
Линия SWER представляет собой единый проводник , длина которого может достигать десятков и даже сотен километров, с несколькими распределительными трансформаторами по всей длине. В каждом трансформаторе, например, в помещении клиента, ток течет от линии через первичную катушку понижающего изолирующего трансформатора к земле через заземляющий кол. От заземляющего столба ток в конечном итоге возвращается к главному повышающему трансформатору в начале линии, замыкая цепь . [3] Таким образом, SWER является практическим примером фантомной петли .
В районах с почвой с более высоким сопротивлением заземляющий стержень может плавать под более высоким напряжением, тратя энергию. Сопротивление может быть достаточно высоким, чтобы воздействовать на автоматические выключатели с самовозвратом, которые обычно сбрасываются из-за разницы напряжений между линией и нейтралью. В случае сухих почв с высоким сопротивлением уменьшенная разница в напряжении между линией и нейтралью может препятствовать повторному включению выключателей. В Австралии в местах с очень сухой почвой стержни заземления должны быть очень глубокими. [5] Опыт Аляски показывает, что SWER необходимо заземлять ниже уровня вечной мерзлоты , которая имеет высокое сопротивление. [6]
Вторичная обмотка местного трансформатора будет подавать потребителю либо несимметричную однофазную (N-0), либо двухфазную (N-0-N) мощность со стандартными для региона напряжениями, при этом линия 0 В будет подключена к предохранительному устройству. землю, которая обычно не проводит рабочий ток.
Большая линия SWER может питать до 80 распределительных трансформаторов. Трансформаторы обычно имеют номинальную мощность 5 кВА , 10 кВА и 25 кВА. Плотность нагрузки обычно ниже 0,5 кВА на километр (0,8 кВА на милю) линии. Максимальная потребность любого отдельного потребителя обычно составляет менее 3,5 кВА, но также могут поставляться и более крупные нагрузки, вплоть до мощности распределительного трансформатора.
Некоторые системы SWER в США представляют собой обычные распределительные фидеры, построенные без постоянной нейтрали (некоторые из них представляли собой устаревшие линии электропередачи, которые были переоборудованы для распределения электроэнергии в сельской местности). Подстанция, питающая такие линии, имеет заземляющий стержень на каждом полюсе внутри подстанции; тогда на каждой ветви линии пролет между соседним столбом и столбом, на котором находится трансформатор, будет иметь заземленный проводник (что дает каждому трансформатору две точки заземления по соображениям безопасности).
Правильная механическая конструкция линии SWER может снизить стоимость ее срока службы и повысить ее безопасность.
Поскольку линия высокого напряжения и с малыми токами, в исторических линиях SWER использовался проводник из оцинкованной стальной проволоки номер 8 . В более современных установках используются специально разработанные провода AS1222.1 [7] [8] из высокоуглеродистой стали с алюминиевой оболочкой. Провода с алюминиевой оболочкой подвержены коррозии в прибрежных районах, но в остальном они более пригодны. [9] Из-за больших пролетов и высоких механических напряжений вибрация от ветра может привести к повреждению проводов. Современные системы устанавливают на провода спиральные виброгасители. [9]
Изоляторы часто изготавливаются из фарфора , поскольку полимеры склонны к повреждению ультрафиолетом . Некоторые коммунальные предприятия устанавливают изоляторы более высокого напряжения, чтобы можно было легко модернизировать линию для передачи большей мощности. Например, линии 12 кВ могут быть изолированы от 22 кВ, а линии 19 кВ — от 33 кВ. [9]
Железобетонные опоры традиционно использовались на линиях SWER из-за их низкой стоимости, неприхотливости в обслуживании и устойчивости к повреждениям водой, термитами и грибками . Местная рабочая сила может производить их в большинстве районов, что еще больше снижает затраты. В Новой Зеландии распространены металлические столбы (часто бывшие рельсы железнодорожной линии). Допускаются деревянные столбы. В Мозамбике шесты должны были иметь высоту не менее 12 м (39 футов), чтобы обеспечить безопасный проход жирафов под линиями. [9]
Если территория подвержена молниям, в современных конструкциях заземляющие ленты размещаются на опорах при их возведении, перед монтажом. Ремни и проводку можно организовать в виде недорогого молниеотвода с закругленными краями, чтобы избежать удара молнии. [9]
SWER позиционируется как безопасный из-за изоляции заземления как от генератора, так и от пользователя. В большинстве других электрических систем используется металлическая нейтраль, подключенная непосредственно к генератору или к общему заземлению. [3]
Заземление имеет решающее значение. Через землю вблизи точек заземления протекают значительные токи порядка 8 ампер . Для предотвращения риска поражения электрическим током из-за повышения потенциала земли вблизи этой точки необходимо качественное заземление . Также используются отдельные заземления для питания и безопасности. Дублирование точек заземления гарантирует безопасность системы даже в случае повреждения одной из точек заземления.
Хорошее заземление обычно представляет собой 6-метровый стальной колышек с медным покрытием, вбитый вертикально в землю и прикрепленный к заземлению и резервуару трансформатора. Хорошее сопротивление заземления составляет 5–10 Ом, которое можно измерить с помощью специального оборудования для проверки заземления. Системы SWER предназначены для ограничения электрического поля в земле до 20 вольт на метр, чтобы избежать поражения током людей и животных, которые могут находиться в этом районе.
Другие стандартные функции включают автоматические выключатели повторного включения ( реклоузеры ). Большинство неисправностей (перегрузка по току) являются временными. Поскольку сеть является сельской, большинство этих неисправностей будет устранено устройством повторного включения. На каждом сервисном объекте необходим перемонтируемый предохранитель для защиты и переключения трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора также должна быть защищена стандартным предохранителем с высокой отключающей способностью (HRC) или автоматическим выключателем низкого напряжения. Разрядник для защиты от перенапряжения (искровой разрядник) на стороне высокого напряжения является обычным явлением, особенно в зонах, подверженных воздействию молний.
Большинство угроз пожарной безопасности в электрораспределительных сетях связано со старением оборудования: корродированными линиями, сломанными изоляторами и т. д. Более низкая стоимость обслуживания SWER может снизить стоимость безопасной эксплуатации в этих случаях. [4]
SWER позволяет избежать столкновения линий на ветру, что является важной функцией пожарной безопасности, [4] но проблема всплыла в ходе официального расследования лесных пожаров в Черную субботу в Виктории, Австралия . Они продемонстрировали, что оборванный проводник SWER может замкнуться на землю при сопротивлении, аналогичном нормальной нагрузке цепи; в данном конкретном случае дерево. Это может вызвать большие токи без индикации замыкания на землю. [4] Это может представлять опасность в пожароопасных зонах, где проводник может порваться, а ток может пройти через деревья или сухую траву.
Телекоммуникации с неизолированными проводами или с заземлением могут быть нарушены из-за тока заземления, если зона заземления находится ближе 100 м или пропускает ток более 10 А. Современное радио, оптоволоконные каналы и системы сотовой связи не затронуты.
Многие национальные электротехнические правила (особенно США) требуют металлической обратной линии от нагрузки к генератору. [10] В этих юрисдикциях каждая линия SWER должна быть одобрена в порядке исключения.
Главным преимуществом SWER является его низкая стоимость. Его часто используют в малонаселенных районах, где затраты на строительство изолированной распределительной линии не могут быть оправданы. Капитальные затраты составляют примерно 50% эквивалентной двухпроводной однофазной линии. Они могут стоить 30% стоимости трехпроводных трехфазных систем. Затраты на техническое обслуживание составляют примерно 50% от стоимости эквивалентной трехфазной линии.
SWER также снижает самую большую стоимость распределительной сети: количество полюсов. Обычные 2- или 3-проводные распределительные линии имеют более высокую пропускную способность, но для них может потребоваться 7 опор на километр (12 опор на милю) с пролетами от 100 до 150 метров (от 110 до 160 ярдов). Высокое линейное напряжение и низкий ток SWER также позволяют использовать недорогую оцинкованную стальную проволоку (исторически это была проволока для ограждения № 8). [9] Большая прочность стали позволяет прокладывать пролеты длиной 400 метров (¼ мили) и более, сокращая количество опор до 2,5 на километр (4 на милю).
Если на опорах также проложен оптоволоконный кабель для телекоммуникаций (не допускается использование металлических проводников), капитальные затраты энергетической компании могут быть дополнительно сокращены.
SWER может использоваться в виде сетки или петли, но обычно для экономии затрат располагается в линейной или радиальной схеме. В обычной линейной форме отказ в одной точке в линии SWER приводит к потере питания всех потребителей, расположенных дальше по линии. Однако, поскольку у SWER меньше компонентов, работающих в полевых условиях, у SWER меньше шансов выйти из строя. Например, поскольку существует только одна линия, ветер не может вызвать столкновение линий, устраняя источник ущерба, а также источник сельских лесных пожаров.
Поскольку основная часть линии электропередачи имеет соединение с землей с низким сопротивлением, чрезмерные токи на землю из-за коротких замыканий и геомагнитных бурь встречаются реже, чем в традиционных системах с металлическим возвратом. Таким образом, SWER имеет меньше размыканий выключателей при замыкании на землю, которые могут прерывать работу. [3]
Хорошо спроектированная линия SWER может быть существенно модернизирована по мере роста спроса без новых опор. [11] Первым шагом может быть замена стальной проволоки на более дорогую стальную проволоку с медным или алюминиевым покрытием.
Возможно, можно увеличить напряжение. Некоторые отдаленные линии SWER теперь работают при напряжении до 35 кВ. Обычно это требует замены изоляторов и трансформаторов, но новые полюса не требуются. [12]
Если требуется большая мощность, вторая линия SWER может быть проложена на тех же опорах, чтобы обеспечить две линии SWER, сдвинутые по фазе на 180 градусов. Это требует больше изоляторов и проводов, но удваивает мощность без удвоения количества полюсов. Многие стандартные опоры SWER имеют несколько отверстий под болты для поддержки этой модернизации. Такая конфигурация приводит к аннулированию большинства токов заземления, что снижает опасность поражения электрическим током и помех в линиях связи.
Двухфазное обслуживание также возможно при двухпроводной модернизации: [ нужна ссылка ] [ обсудить ] Хотя он менее надежен, он более эффективен. По мере необходимости увеличения мощности линии можно модернизировать в соответствии с нагрузкой: с однопроводной SWER на двухпроводную, однофазную и, наконец, на трехпроводную, трехфазную. Это обеспечивает более эффективное использование капитала и делает первоначальную установку более доступной.
Оборудование клиента, установленное до этих обновлений, будет однофазным и может быть повторно использовано после обновления. Если необходимы небольшие объемы трехфазной энергии , ее можно экономично синтезировать из двухфазной энергии с помощью оборудования на месте.
Линии SWER имеют тенденцию быть длинными и иметь высокий импеданс, поэтому падение напряжения на линии часто является проблемой, вызывающей плохое регулирование. Изменения спроса вызывают изменения подаваемого напряжения. Чтобы бороться с этим, в некоторых установках на объекте клиента имеются автоматические регулируемые трансформаторы, позволяющие поддерживать получаемое напряжение в пределах законодательных требований. [13]
После нескольких лет опыта изобретатель предложил включать конденсатор последовательно с землей главного изолирующего трансформатора, чтобы противодействовать индуктивному реактивному сопротивлению трансформаторов, проводов и обратного пути заземления. План состоял в том, чтобы улучшить коэффициент мощности , уменьшить потери и улучшить характеристики напряжения за счет потока реактивной мощности . [3] Хотя это теоретически обосновано, это не является стандартной практикой. Это также позволяет использовать тестовый контур постоянного тока, чтобы отличить допустимую переменную нагрузку от (например) упавшего дерева, которое может быть путем постоянного тока к земле.
Однопроводной возврат заземления используется во всем мире, чаще всего в Новой Зеландии и Австралии.
В 1981 году был успешно установлен мощный прототип линии SWER длиной 8,5 миль от дизельного завода в Вефиле до Напакиака на Аляске , США . Он работает на напряжении 80 кВ и изначально был установлен на специальных легких опорах из стекловолокна , образующих А-образную раму . С тех пор А-образные рамы были сняты и установлены стандартные деревянные опоры . Столбы с А-образной рамой можно было перевозить на легких снегоуборочных машинах и устанавливать с помощью ручных инструментов на вечной мерзлоте без обширных раскопок. Для установки «анкерных» столбов по-прежнему требовалась тяжелая техника, но экономия средств была впечатляющей.
Исследователи из Университета Аляски в Фэрбенксе , США , подсчитали, что сеть таких линий в сочетании с прибрежными ветряными турбинами может существенно снизить зависимость сельских районов Аляски от все более дорогого дизельного топлива для производства электроэнергии. [14] Обзор экономической энергетики штата Аляска рекомендовал дальнейшее изучение этого варианта использования большего количества недостаточно используемых источников энергии в штате. [15]
В настоящее время некоторые развивающиеся страны, в частности Лаос , Южная Африка и Мозамбик , приняли системы SWER в качестве своих систем электроснабжения . [9] SWER также широко используется в Бразилии. [16]
Многие высоковольтные системы постоянного тока (HVDC), в которых используются подводные силовые кабели, представляют собой однопроводные системы заземления. Биполярные системы как с положительными, так и с отрицательными кабелями также могут иметь заземляющий электрод с морской водой, который используется в случае выхода из строя одного полюса. Во избежание электрохимической коррозии заземлители таких систем располагаются отдельно от преобразовательных подстанций, а не вблизи кабеля передачи.
Электроды могут быть расположены в море или на суше. В качестве катодов можно использовать голые медные провода, а в качестве анодов — графитовые стержни, закопанные в землю, или титановые сетки в море. Во избежание электрохимической коррозии (и пассивации титановых поверхностей) плотность тока на поверхности электродов должна быть небольшой, поэтому требуются электроды больших размеров.
Примеры систем HVDC с однопроводным заземлением включают Baltic Cable и Kontek .
В следующей таблице показаны различные варианты установки систем SWER.