_-_KNP_-_001.jpg/1280px-Cahora_Bassa_(HVDC)_-_KNP_-_001.jpg)
Однопроводной возврат через землю ( SWER ) или однопроводной возврат через землю — это однопроводная линия передачи , которая поставляет однофазную электроэнергию из электросети в отдаленные районы по самой низкой цене. Земля (или иногда водоем) используется в качестве обратного пути для тока, чтобы избежать необходимости во втором проводе (или нейтральном проводе ), который действовал бы как обратный путь.
Однопроводной возврат через землю в основном используется для сельской электрификации , но также находит применение для более крупных изолированных нагрузок, таких как водяные насосы. Он также используется для постоянного тока высокого напряжения по подводным силовым кабелям . Электрическая однофазная железнодорожная тяга, такая как легкорельсовый транспорт , использует очень похожую систему. Она использует резисторы к земле для снижения опасностей от напряжений рельсов, но основные возвратные токи проходят через рельсы. [1]
Ллойд Мандено , OBE (1888–1973) полностью разработал SWER в Новой Зеландии около 1925 года для сельской электрификации. Хотя он назвал его «Earth Working Single Wire Line», его часто называли «бельевой веревкой Мандено». [2] Более 200 000 километров (100 000 миль) уже установлено в Австралии и Новой Зеландии. Он считается безопасным, надежным и недорогим, при условии, что функции безопасности и заземления установлены правильно. Австралийские стандарты широко используются и цитируются. Он применялся по всему миру, например, в канадской провинции Саскачеван ; Бразилии ; Африке ; и частях Верхнего Среднего Запада и Аляски в Соединенных Штатах ( Бетель ).
SWER является приемлемым выбором для распределительной системы, когда обычная проводка обратного тока будет стоить дороже, чем изолирующие трансформаторы SWER и небольшие потери мощности. Инженеры-энергетики, имеющие опыт работы как с SWER, так и с обычными линиями электропередач, оценивают SWER как одинаково безопасную, более надежную, менее затратную, но с немного более низкой эффективностью, чем обычные линии. [3] SWER может стать причиной пожаров при плохом обслуживании, а также лесной пожар является риском. [4]
Питание на линию SWER подается через изолирующий трансформатор мощностью до 300 кВА . Этот трансформатор изолирует сеть от земли или заземления. Напряжение изменяется из-за перехода от линии к линии к линии к земле, обычно снижая сеть 22 кВ до 12,7 кВ SWER или сеть 33 кВ до 19,1 кВ SWER.
Линия SWER представляет собой один проводник , который может тянуться на десятки или даже сотни километров, с рядом распределительных трансформаторов по всей его длине. В каждом трансформаторе, например, в помещении клиента, ток течет от линии через первичную катушку понижающего изолирующего трансформатора к земле через заземляющий штырь. От заземляющего штыря ток в конечном итоге находит свой путь обратно 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 до более высоких напряжений, тратя энергию. Сопротивление может быть достаточно высоким, чтобы повлиять на самовосстанавливающиеся автоматические выключатели, которые обычно сбрасываются из-за разницы в напряжении между линией и нейтралью. В сухих почвах с высоким сопротивлением уменьшенная разница в напряжении между линией и нейтралью может помешать сбросу выключателей. В Австралии, в местах с очень сухой почвой заземляющие стержни должны быть очень глубокими. [5] Опыт Аляски показывает, что SWER необходимо заземлять под вечной мерзлотой , которая имеет высокое сопротивление. [6]
Вторичная обмотка местного трансформатора будет подавать потребителю либо однофазное (N-0), либо двухфазное (N-0-N) питание со стандартным для региона напряжением электроприборов, при этом линия 0 В будет подключена к защитному заземлению, которое обычно не проводит рабочий ток.
Большая линия SWER может питать до 80 распределительных трансформаторов. Трансформаторы обычно имеют мощность 5 кВА , 10 кВА и 25 кВА. Плотность нагрузки обычно ниже 0,5 кВА на километр (0,8 кВА на милю) линии. Максимальный спрос любого отдельного клиента обычно будет ниже 3,5 кВА, но могут также поставляться более крупные нагрузки вплоть до мощности распределительного трансформатора.
Некоторые системы SWER в США представляют собой обычные распределительные фидеры, которые были построены без непрерывной нейтрали (некоторые из них были устаревшими линиями электропередачи, переоборудованными для сельской распределительной службы). Подстанция, питающая такие линии, имеет заземляющий стержень на каждом полюсе внутри подстанции; затем на каждом ответвлении от линии пролет между соседним полюсом и полюсом, несущим трансформатор, будет иметь заземленный проводник (давая каждому трансформатору две точки заземления из соображений безопасности).
Правильная механическая конструкция линии SWER может снизить стоимость ее срока службы и повысить ее безопасность.
Поскольку линия является высоковольтной с малыми токами, проводник, используемый в исторических линиях SWER, представлял собой оцинкованную стальную проволоку ограждения № 8. Более современные установки используют специально разработанные провода из высокоуглеродистой стали AS1222.1 [7] [8] с алюминиевым покрытием. Провода с алюминиевым покрытием подвергаются коррозии в прибрежных районах, но в остальном они более пригодны. [9] Из-за длинных пролетов и высоких механических напряжений вибрация от ветра может привести к повреждению проводов. Современные системы устанавливают на проводах спиральные виброгасители. [9]
Изоляторы часто изготавливаются из фарфора , поскольку полимеры подвержены повреждению ультрафиолетом . Некоторые коммунальные службы устанавливают изоляторы более высокого напряжения, чтобы линию можно было легко модернизировать для передачи большего количества энергии. Например, линии 12 кВ могут быть изолированы до 22 кВ, а линии 19 кВ до 33 кВ. [9]
Железобетонные столбы традиционно использовались на линиях SWER из-за их низкой стоимости, простоты обслуживания 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 это бывшие рельсы с железнодорожной линии). Деревянные столбы приемлемы. В Мозамбике столбы должны быть высотой не менее 12 м (39 футов), чтобы жирафы могли безопасно проходить под линиями. [9]
Если область подвержена ударам молнии, современные конструкции размещают заземляющие полосы молнии в столбах, когда они строятся, до монтажа. Полосы и проводка могут быть организованы так, чтобы быть недорогим молниеотводом с закругленными краями, чтобы избежать удара молнии. [9]
SWER позиционируется как безопасный из-за изоляции земли как от генератора, так и от пользователя. Большинство других электрических систем используют металлическую нейтраль, подключенную напрямую к генератору или общему заземлению. [3]
Заземление имеет решающее значение. Значительные токи порядка 8 ампер протекают через землю вблизи точек заземления. Качественное заземление необходимо для предотвращения риска поражения электрическим током из-за повышения потенциала земли вблизи этой точки. Также используются отдельные заземления для питания и безопасности. Дублирование точек заземления гарантирует, что система по-прежнему будет безопасна, если одно из заземлений будет повреждено.
Хорошее заземление обычно представляет собой 6-метровый кол из омедненной стали, вбитый вертикально в землю и соединенный с заземлением трансформатора и баком. Хорошее сопротивление заземления составляет 5–10 Ом, что 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 электрическим током людей и животных, которые могут находиться в этой области.
Другие стандартные функции включают автоматические выключатели повторного включения ( повторные включения ). Большинство неисправностей (перегрузки по току) являются временными. Поскольку сеть находится в сельской местности, большинство этих неисправностей будут устранены повторным включением. Каждому сервисному участку необходим сменный предохранитель для защиты и переключения трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора также должна быть защищена стандартным предохранителем с высокой разрывной способностью (HRC) или низковольтным выключателем. Ограничитель перенапряжения (искровой разрядник) на стороне высокого напряжения является обычным явлением, особенно в районах, подверженных ударам молний.
Большинство опасностей для пожарной безопасности в электрораспределительной системе связано со старением оборудования: корродированные линии, сломанные изоляторы 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 существенной мерой пожарной безопасности [4], но проблема всплыла в ходе официального расследования лесных пожаров в Черную субботу в Виктории, Австралия . Они продемонстрировали, что сломанный проводник SWER может замкнуться на землю через сопротивление, аналогичное 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 районах, где проводник может оборваться, и ток может образовать дугу через деревья или сухую траву.
Телекоммуникации с оголенным проводом или с возвратом через землю могут быть скомпрометированы током возврата через землю, если область заземления находится ближе 100 м или потребляет более 10 А тока. Современные радио, оптоволоконные каналы и системы сотовой связи не подвержены влиянию.
Многие национальные электротехнические правила (особенно в США) требуют наличия металлической обратной линии от нагрузки к генератору. [10] В этих юрисдикциях каждая линия SWER должна быть одобрена в порядке исключения.
Главное преимущество SWER — низкая стоимость. Он часто используется в малонаселенных районах, где стоимость строительства изолированной распределительной линии не может быть оправдана. Капитальные затраты составляют примерно 50% от стоимости эквивалентной двухпроводной однофазной линии. Они могут стоить 30% от стоимости трехпроводных трехфазных систем. Расходы на техническое обслуживание составляют примерно 50% от стоимости эквивалентной трехфазной линии.
SWER также снижает самую большую стоимость распределительной сети: количество опор. Обычные 2-проводные или 3-проводные распределительные линии имеют более высокую пропускную способность, но могут потребовать 7 опор на километр (12 опор на милю) с пролетами от 100 до 150 метров (от 110 до 160 ярдов). Высокое напряжение линии SWER и низкий ток также позволяют использовать недорогую оцинкованную стальную проволоку (исторически, проволоку для ограждения № 8). [9] Более высокая прочность стали позволяет использовать пролеты в 400 метров (¼ мили) и более, что сокращает количество опор до 2,5 на километр (4 на милю).
Если по столбам также проложен оптоволоконный кабель для телекоммуникаций (использование металлических проводников не допускается), капитальные затраты энергетической компании могут быть дополнительно сокращены.
SWER может использоваться в сетке или петле, но обычно размещается в линейной или радиальной компоновке для экономии затрат. В обычной линейной форме отказ в одной точке на линии SWER приводит к потере питания всех потребителей, расположенных дальше по линии. Однако, поскольку в поле меньше компонентов, у SWER меньше возможностей для отказа. Например, поскольку есть только одна линия, ветры не могут вызвать столкновение линий, устраняя источник ущерба, а также источник лесных пожаров в сельской местности.
Поскольку большая часть линии электропередачи имеет низкоомные соединения с землей, чрезмерные токи заземления от коротких замыканий и геомагнитных бурь случаются реже, чем в обычных системах с металлическим возвратом. Таким образом, SWER имеет меньше размыканий выключателя замыкания на землю для прерывания обслуживания. [3]
Хорошо спроектированная линия SWER может быть существенно модернизирована по мере роста спроса без установки новых столбов. [11] Первым шагом может стать замена стального провода на более дорогой стальной провод с медным или алюминиевым покрытием.
Возможно, напряжение можно будет повысить. Некоторые отдаленные линии SWER сейчас работают при напряжении до 35 кВ. Обычно для этого требуется замена изоляторов и трансформаторов, но новые столбы не нужны. [12]
Если требуется большая мощность, вторая линия SWER может быть запущена на тех же столбах, чтобы обеспечить две линии SWER, сдвинутые на 180 градусов по фазе. Это требует больше изоляторов и проводов, но удваивает мощность без удвоения столбов. Многие стандартные столбы SWER имеют несколько отверстий для болтов для поддержки этого обновления. Такая конфигурация приводит к тому, что большинство токов заземления нейтрализуются, что снижает опасность поражения электрическим током и помехи в линиях связи.
Двухфазное обслуживание также возможно с двухпроводным обновлением: [ необходима цитата ] [ обсудить ] Хотя оно менее надежно, оно более эффективно. По мере того, как требуется больше мощности, линии можно модернизировать для соответствия нагрузке, от однопроводного SWER до двухпроводного, однофазного и, наконец, трехпроводного, трехфазного. Это обеспечивает более эффективное использование капитала и делает первоначальную установку более доступной.
Клиентское оборудование, установленное до этих обновлений, будет однофазным и может быть повторно использовано после обновления. Если требуются небольшие объемы трехфазной мощности , ее можно экономично синтезировать из двухфазной мощности с помощью оборудования на месте.
Линии SWER, как правило, длинные, с высоким импедансом, поэтому падение напряжения вдоль линии часто является проблемой, вызывая плохое регулирование. Изменения в спросе вызывают изменения в поставляемом напряжении. Чтобы бороться с этим, некоторые установки имеют автоматические регулируемые трансформаторы на месте заказчика, чтобы поддерживать полученное напряжение в пределах установленных законом спецификаций. [13]
После нескольких лет опыта изобретатель выступил за конденсатор, включенный последовательно с землей главного изолирующего трансформатора, чтобы противодействовать индуктивному сопротивлению трансформаторов, провода и пути возврата через землю. План состоял в том, чтобы улучшить коэффициент мощности , уменьшить потери и улучшить характеристики напряжения из-за потока реактивной мощности . [3] Хотя теоретически это и разумно, это не является стандартной практикой. Это также позволяет использовать испытательный контур постоянного тока, чтобы отличить законную переменную нагрузку от (например) упавшего дерева, которое было бы путем постоянного тока к земле.
Однопроводное заземление используется по всему миру, наиболее распространено в Новой Зеландии и Австралии.
В 1981 году был успешно установлен мощный 8,5-мильный прототип линии SWER от дизельной станции в Бетеле до Напакиака на Аляске , США . Он работает при напряжении 80 кВ и изначально был установлен на специальных легких стекловолоконных опорах, которые образовывали А-образную раму . С тех пор А-образные рамы были удалены и установлены стандартные деревянные опоры электропередач . А-образные опоры можно было переносить на легких снегоуборочных машинах и устанавливать с помощью ручных инструментов на вечной мерзлоте без обширных земляных работ. Возведение «анкерных» опор по-прежнему требовало тяжелой техники, но экономия средств была существенной.
Исследователи из Университета Аляски в Фэрбенксе , США, подсчитали, что сеть таких линий в сочетании с прибрежными ветряными турбинами могла бы существенно снизить зависимость сельской Аляски от все более дорогого дизельного топлива для выработки электроэнергии. [14] Экономическое энергетическое обследование штата Аляска рекомендовало дальнейшее изучение этого варианта для использования большего количества недоиспользуемых источников энергии штата. [15]
В настоящее время некоторые развивающиеся страны приняли системы SWER в качестве своих основных систем электроснабжения , в частности Лаос , Южная Африка и Мозамбик . [9] SWER также широко используется в Бразилии. [16]
Многие системы постоянного тока высокого напряжения (HVDC), использующие подводные силовые кабели, являются однопроводными системами заземления. Биполярные системы как с положительными, так и с отрицательными кабелями могут также сохранять заземляющий электрод морской воды, используемый при отказе одного полюса. Чтобы избежать электрохимической коррозии, заземляющие электроды таких систем располагаются отдельно от преобразовательных станций и не вблизи кабеля передачи.
Электроды могут располагаться в море или на суше. В качестве катодов могут использоваться оголенные медные провода, а в качестве анодов — зарытые в землю графитовые стержни или титановые сетки в море. Чтобы избежать электрохимической коррозии (и пассивации титановых поверхностей), плотность тока на поверхности электродов должна быть небольшой, поэтому требуются большие электроды.
Примерами систем HVDC с однопроводным замыканием на землю являются Baltic Cable и Kontek .
В следующей таблице показаны различные варианты установки систем SWER.