Кіріспе
Бір сымдық жерді қайтару (SWER) немесе бір сымдық жерді қайтару (SWER) – электр желісінен шалқап жатқан аудандарға ең төмен бағамен бір фазалы электр қуатын жеткізетін бір сымдық тарату желісі. Ток қайтару жолы ретінде жер (немесе кейде су) пайдаланылады, бұл екінші сымның (немесе нөлдік сымның) ток қайтару үшін қажеттілігін жояды. Бір сымдық жерді қайтару негізінен ауылдық жерлерді электрлендіру үшін қолданылады, сонымен қатар су сорғылары сияқты үлкен, жеке тұрған жүктемелерге де қолданылады. Бұл технология су асты электр кабельдері арқылы берілетін жоғары кернеулі тұрақты ток үшін де пайдаланылады. Жеңіл рельсті электрлік теміржол жүйелері де осыған ұқсас жүйені қолданады. Олар рельс кернеуінен туындайтын қауіптерді азайту үшін жерге қарсылықтар қояды, бірақ негізгі ток рельстер арқылы өтеді.
power distribution
Single wire earth return (SWER) or single wire ground return is a single wire transmission line which supplies single phase electric power from an electrical grid to remote areas at lowest cost. The earth (or sometimes a body of water) is used as the return path for the current, to avoid the need for a second wire (or neutral wire) to act as a return path. Single wire earth return is principally used for rural electrification, but also finds use for larger isolated loads such as water pumps. It is also used for high voltage direct current over submarine power cables. Electric single phase railway traction, such as light rail, uses a very similar system. It uses resistors to earth to reduce hazards from rail voltages, but the primary return currents are through the rails.
Тарих
Ллойд Мандено, OBE (1888–1973) 1925 жылы Жаңа Зеландияда ауылдық электрлендіру үшін SWER жүйесін толыққанды әзірледі. Ол оны «Жерде жұмыс істейтін бір сымдық желі» деп атағанмен, көбінесе «Манденоның кір жуатын сымы» деп атады. Қазір Австралия мен Жаңа Зеландияда 200 000 километрден астам (100 000 миль) орнатылған. Қауіпсіздік шаралары мен жерге қосылымы дұрыс орнатылған жағдайда, ол қауіпсіз, сенімді және төмен құнды болып саналады. Австралия стандарттары кеңінен қолданылады және сілтеме ретінде жиі пайдаланылады. Бұл жүйе бүкіл әлемде қолданысқа енді, мысалы, Канаданың Саскачеван провинциясында, Бразилияда, Африкада, АҚШ-тың Орта Батысы мен Аляскада (Бетел) қолданылды.
Жұмыс істеу принципі
SWER – тарату жүйесі үшін тиімді таңдау, себебі дәстүрлі кері ток жүргізуі SWER изоляциялық трансформаторларынан гөрі қымбатқа түседі және қуат жоғалтуларына себеп болады. SWER және дәстүрлі электр желілерін пайдалану тәжірибесі бар инженерлер SWER-ді бірдей қауіпсіз, сенімді, арзан, бірақ дәстүрлі желілерге қарағанда сәл төмен тиімді деп бағалайды. SWER нашар күтім болған жағдайда өртке себеп болуы мүмкін, және құрғақшылық жағдайында өрт қаупі бар. SWER желісіне қуаттылық 300 кВА-ға дейінгі оқшаулау трансформаторы арқылы қуат беріледі. Бұл трансформатор желіні жерден немесе топырақтан оқшаулайды. Кернеу желіден желіге, содан кейін желіден жерге ауысу кезінде өзгереді, әдетте 22 кВ желіні 12,7 кВ SWER-ге немесе 33 кВ желіні 19,1 кВ SWER-ге дейін төмендетеді. SWER желісі – бір ғана өткізгіш, ол ондаған, тіпті жүздеген шақырымға созылуы мүмкін, және оның бойында бірнеше тарату трансформаторлары орналасқан. Әрбір трансформаторда, мысалы, тұтынушының үйінің жанында, ток желіден төмендетуші изоляциялық трансформатордың біріншілік катушкасы арқылы жерге қадау арқылы топыраққа өтеді. Топыраққа қадаудан ток ақырында желі басындағы негізгі көтеруші трансформаторға қайта оралып, тізбекті аяқтайды. Аляскадағы тәжірибе SWER-ді мәңгілік тоңның астында орнату қажеттігін көрсетеді, себебі ол жоғары кедергіге ие. Жергілікті трансформатордың екіншілік орамы тұтынушыға аймақтың стандартты құрылғы кернеулерінде бір ұшты бір фазалы (N 0) немесе бөлінген фазалы (N 0 N) қуатты береді, ал 0 вольттық желі әдетте жұмыс тогы жоқ қауіпсіздік тобына қосылады. Ірі SWER желісі 80-ге дейін тарату трансформаторларын қуатпен қамтамасыз ете алады. Трансформаторлар әдетте 5 кВА, 10 кВА және 25 кВА қуатына ие. Жүктеме тығыздығы әдетте 0,5 кВА/шақырымнан (0,8 кВА/миль) төмен болады. Кез келген тұтынушының ең жоғары сұранысы әдетте 3,5 кВА-дан кем болады, бірақ тарату трансформаторының қуатына дейінгі үлкен жүктемелерді де беруге болады. АҚШ-тағы кейбір SWER жүйелері – бұл дәстүрлі тарату желілері, олар үздіріссіз бейтарапсыз салынған (олардың кейбіреулері ескірген және ауылдық тарату қызметі үшін қайта жабдықталған). Мұндай желілерді қуаттандыратын подстанцияда подстанцияның әр полюсінде жерге қадау таяқшасы болады; содан кейін желідегі әрбір тармақта трансформаторды орналастырған полюс пен оған жақын орналасқан полюс арасындағы аралықта жерге қосылған өткізгіш болады (әр трансформаторға қауіпсіздік үшін екі жерге қосылу нүктесі беріледі).
Механикалық жобалау
SWER желісінің дұрыс механикалық жобалануы оның қызмет ету мерзіміндегі шығындарды төмендетіп, қауіпсіздігін арттырады. Желі жоғары кернеулі болғандықтан және тогы аз болғандықтан, тарихи SWER желілерінде No 8 гальвандалған болат қоршау сымы қолданылған. Көбірек заманауи орналымдар арнайы AS1222.1 жоғары көміртекті болаттан жасалған, алюминиймен қапталған сымдарды пайдаланады. Алюминиймен қапталған сымдар жағалау аймақтарында коррозияға ұшырайды, бірақ басқа жағдайларда тиімдірек. Ұзын аралықтар мен жоғары механикалық кернеуге байланысты, желдің тудырған дірілі сымдарға зақым келтіруі мүмкін. Заманауи жүйелер сымдарға спиральді діріл сөндіргіштер орнатады. Бұл аймақтарда әрбір SWER желісі ерекше жағдай бойынша мақұлдалуға тиіс.
Шығын артықшылықтары
SWER-дің басты артықшылығы – оның төмен құны. Ол көбінесе сирек қоныстанған аймақтарда қолданылады, онда оқшауланған тарату желісін салудың шығыны өтелмейді. Капиталдық шығындар эквивалентті екі сымды бір фазалы желіге қарағанда шамамен 50%-ға төмен. Олар үш сымды үш фазалы жүйелер құнының 30%-ын құрайды. Техникалық қызмет көрсету шығындары эквивалентті үш фазалы желіге қарағанда шамамен 50%-ға төмен. SWER сонымен қатар тарату желісінің ең үлкен шығынын – бағаналардың санын азайтады. Дәстүрлі 2 сымды немесе 3 сымды тарату желілері жоғары қуат беру қабілетіне ие, бірақ 100-150 метрлік аралықта километрге 7 бағана (шақырымға 7, мильге 12) қажет болуы мүмкін. SWER-дің жоғары желілік кернеуі және төмен тогы арзан мырышталған болат сымды пайдалануға мүмкіндік береді (тарихи түрде No. 8 қоршау сымы). Алғашқы қадам болат сымды мыс немесе алюминий қаптамалы, қымбат болат сыммен ауыстыру болуы мүмкін. Кернеуді арттыру да мүмкін. Кейбір алыс SWER желілері қазір 35 кВ кернеумен жұмыс істейді. Әдетте, бұл изоляторлар мен трансформаторларды ауыстыруды талап етеді, бірақ жаңа бағаналар қажет емес. Егер қосымша қуат қажет болса, бірдей бағаналарға екінші SWER желісін жүргізуге болады, осылай екі SWER желісі 180 градусқа фазадан тыс болады. Бұл үшін көбірек изоляторлар мен сымдар қажет, бірақ бағаналардың санын екі еселендірмей қуатты екі есеге арттыруға болады. Көптеген стандартты SWER бағаналарында осы жаңартуды қолдау үшін бірнеше бұранда тесіктері бар. Бұл конфигурация жер тогының көп бөлігін өшіруге мүмкіндік береді, соның салдарынан электр соққысының қаупі азаяды және байланыс желілеріне кедергі келтірмейді. Екі фазалы қызмет екі сымды жаңарту арқылы да мүмкін: ол сенімділігі төмен болғанымен, тиімдірек. Қуат қажеттілігі артқан сайын, желілерді жүктемеге сәйкес жаңартуға болады – бір сымды SWER-ден екі сымды, бір фазалыдан және соңында үш сымды, үш фазалыға дейін. Бұл капиталды тиімді пайдалануды қамтамасыз етеді және бастапқы орнатуды қолжетімді етеді. Осы жаңартулардан бұрын орнатылған тұтынушылардың жабдықтарының барлығы бір фазалы болады және жаңартудан кейін қайта пайдаланылуы мүмкін. Егер үш фазалы қуаттың шағын мөлшері қажет болса, оны екі фазалы қуаттан бордауда экономикалық тұрғыдан синтездеуге болады.
Қуат сапасының әлсіздігі
SWER желілері көбінесе ұзын болып келеді және жоғары импедансқа ие, сондықтан желі бойымен кернеудің төмендеуі жиі кездеседі, бұл кернеуді тұрақсыз етуге себеп болады. Сұраныстың өзгеруі жеткізілетін кернеудің де өзгеруіне алып келеді. Мұны болдырмау үшін кейбір орналымдарда тұтынушы жағында автоматты реттегіш трансформаторлар қолданылады, олар алынған кернеуді заңнамалық талаптар шегінде ұстап тұрады. Бірнеше жылдық тәжірибеден кейін, өнертапқыш негізгі оқшаулағыш трансформатордың жеріне конденсаторды тізбекте қоюды ұсынды, бұл трансформаторлардың, сымдардың және жерге қайта оралу жолының индуктивті кедергісін азайтуға бағытталған. Бұл жоспар қуат коэффициентін жақсарту, шығындарды азайту және реактивті қуат ағыны арқылы кернеуді жақсарту мақсатын көздеді. Аляска штатының экономикалық энергияны бағалау зерттеуі осы мүмкіндікті одан әрі зерттеуді ұсынды, бұл штаттың пайдаланылмаған энергия көздерін тиімдірек пайдалануға мүмкіндік береді.
Дамушы елдерде
Қазіргі уақытта Лаос, Оңтүстік Африка және Мозамбик сияқты кейбір дамып келе жатқан елдер SWER жүйелерін негізгі электр желісі ретінде пайдалануда.
HVDC жүйелерінде
Көптеген жоғары кернеулі тұрақты ток жүйелері (ЖҚЖЖ), су асты электр кабельдерін пайдаланатын, бір сымды жерге қайтару жүйелері болып табылады. Екі полярлы жүйелерде оң және теріс кабельдері бар, және бір полюс істен шыққан жағдайда қолданылатын теңіз суын жерге қосатын электродтар да болуы мүмкін. Электрохимиялық коррозияны болдырмау үшін, мұндай жүйелердің жерге қосатын электродтары түрлендіргіш станциялардан алыс және беру кабеліне жақын емес жерде орналастырылады. Электродтар теңізде немесе құрлықта орналасуы мүмкін. Катодтар үшін жалаңаш мыс сымдар, ал анодтар үшін топыраққа көмілген графит таяқшалары немесе теңіздегі титан торлары қолданылады. Электрохимиялық коррозияны (және титан беттерінің пассивтенуін) болдырмау үшін электродтар бетіндегі ток тығыздығы төмен болуы керек, сондықтан үлкен электродтар қажет. Бір сымды жерге қайтару жүйесін қолданатын ЖҚЖЖ мысалдарына Балтық кабель және Kontek жатады.