Однопроводная система электроснабжения с заземлением в качестве обратной линии

Введение

Энергоснабжение по одному проводу с заземлением в качестве обратной цепи распределения мощности.

Однопроводная система с заземлением (SWER) или однопроводная система с заземлённым возвратом – это линия передачи электроэнергии, использующая один провод для подачи однофазного электричества из электрической сети в удалённые районы с минимальными затратами. Земля (или иногда водоём) используется в качестве обратного пути для тока, что позволяет избежать необходимости во втором проводе (или нейтральном проводе) для обеспечения обратной цепи. Однопроводная система с заземлённым возвратом в основном применяется для электрификации сельской местности, но также используется для питания крупных изолированных нагрузок, таких как водяные насосы. Она также применяется для передачи высоковольтного постоянного тока по подводным кабелям электропередачи. Электрическая однофазная железнодорожная тяга, например, легкорельсовый транспорт, использует очень похожую систему. В ней используются резисторы, подключённые к земле, для снижения опасности от напряжения на рельсах, но основной возвратный ток протекает по рельсам.

История

Ллойд Мандено, OBE (1888–1973) полностью разработал систему SWER в Новой Зеландии около 1925 года для электрификации сельских районов. Хотя он назвал её "Линия одного провода с заземлением", её часто называли "Бельевой верёвкой Мандено". На сегодняшний день в Австралии и Новой Зеландии установлено более 200 000 километров (100 000 миль). Система считается безопасной, надежной и экономичной при условии правильной установки средств защиты и заземления. Австралийские стандарты широко используются и цитируются. Она применяется по всему миру, в том числе в канадской провинции Саскачеван, Бразилии, Африке, а также в отдельных районах Среднего Запада и Аляски (Бетел) в Соединенных Штатах.

Принцип работы

SWER является жизнеспособным выбором для распределительной системы, когда стоимость прокладки обычных возвратных проводов превышает стоимость изоляционных трансформаторов SWER и небольшие потери мощности. Инженеры-энергетики, имеющие опыт работы как с SWER, так и с традиционными линиями электропередач, оценивают SWER как столь же безопасный, более надежный и менее дорогой, но с несколько меньшим КПД, чем традиционные линии. Неправильное обслуживание линий SWER может привести к пожарам, существует риск возникновения лесных пожаров. Электроэнергия подается на линию SWER посредством изолирующего трансформатора мощностью до 300 кВА. Этот трансформатор изолирует сеть от земли. Напряжение изменяется при переходе от линии к линии и от линии к земле, обычно снижаясь с 22 кВ до 12,7 кВ для SWER или с 33 кВ до 19,1 кВ для SWER. Линия SWER представляет собой один проводник, который может простираться на десятки или даже сотни километров, вдоль которого располагается ряд распределительных трансформаторов. На каждом трансформаторе, например, у потребителя, ток течет из линии через первичную обмотку понижающего изоляционного трансформатора в землю через заземлитель. От заземлителя ток в конечном итоге возвращается к главному повышающему трансформатору в начале линии, замыкая цепь. Опыт, полученный в Аляске, показывает, что SWER необходимо заземлять ниже уровня вечной мерзлоты, обладающей высоким сопротивлением. Вторичная обмотка местного трансформатора обеспечивает потребителя однофазным питанием (N0) или раздельной фазой (N0 N) со стандартным напряжением для бытовых приборов в данном регионе, при этом нулевой проводник подключается к защитному заземлению, которое обычно не несет рабочий ток. К одной большой линии SWER может быть подключено до 80 распределительных трансформаторов. Обычно трансформаторы имеют мощность 5 кВА, 10 кВА и 25 кВА. Плотность нагрузки обычно составляет менее 0,5 кВА на километр (0,8 кВА на милю) линии. Максимальная потребляемая мощность отдельного потребителя обычно не превышает 3,5 кВА, но могут также обеспечиваться и более высокие нагрузки, вплоть до мощности распределительного трансформатора. Некоторые системы SWER в США представляют собой традиционные распределительные сети, построенные без непрерывного нейтрального провода (включая некоторые устаревшие линии электропередач, переоборудованные для обслуживания сельских районов). Подстанция, питающая такие линии, имеет заземляющий стержень на каждой опоре внутри подстанции; затем на каждой ветке от линии пролет между ближайшей опорой и опорой, несущей трансформатор, имеет заземленный проводник (обеспечивая каждой точке установки трансформатора две точки заземления для обеспечения безопасности).

SWER is a viable choice for a distribution system when conventional return current wiring would cost more than SWER's isolation transformers and small power losses. Power engineers experienced with both SWER and conventional power lines rate SWER as equally safe, more reliable, less costly, but with slightly lower efficiency than conventional lines. SWER can cause fires when maintenance is poor, and bushfire is a risk. Power is supplied to the SWER line by an isolating transformer of up to 300 kVA. This transformer isolates the grid from ground or earth. The voltage changes due to the transition from line to line to line to earth, typically reducing a 22 kV grid to 12.7 kV SWER or a 33 kV grid to 19.1 kV SWER. The SWER line is a single conductor that may stretch for tens or even hundreds of kilometres, with a number of distribution transformers along its length. At each transformer, such as a customer's premises, current flows from the line, through the primary coil of a step down isolation transformer, to earth through an earth stake. From the earth stake, the current eventually finds its way back to the main step up transformer at the head of the line, completing the circuit. Experience in Alaska shows that SWER needs to be grounded below permafrost, which is high resistance. The secondary winding of the local transformer will supply the customer with either single ended single phase (N 0) or split phase (N 0 N) power in the region's standard appliance voltages, with the 0 volt line connected to a safety earth that does not normally carry an operating current. A large SWER line may feed as many as 80 distribution transformers. The transformers are usually rated at 5 kVA, 10 kVA, and 25 kVA. The load densities are usually below 0.5 kVA per kilometer (0.8 kVA per mile) of line. Any single customer's maximum demand will typically be less than 3.5 kVA, but larger loads up to the capacity of the distribution transformer can also be supplied. Some SWER systems in the USA are conventional distribution feeders that were built without a continuous neutral (some of which were obsolete transmission lines that were refitted for rural distribution service). The substation feeding such lines has a grounding rod on each pole within the substation; then on each branch from the line, the span between the pole next to and the pole carrying the transformer would have a grounded conductor (giving each transformer two grounding points for safety reasons).

Механическая конструкция

Правильная механическая конструкция линии SWER может снизить ее общую стоимость и повысить безопасность. Поскольку линия имеет высокое напряжение и небольшие токи, в исторических линиях SWER в качестве проводника использовалась оцинкованная стальная проволока №8 для ограждений. В более современных установках используются специально разработанные провода из высокоуглеродистой стали с алюминиевым покрытием, соответствующие стандарту AS1222.1. Провода с алюминиевым покрытием подвержены коррозии в прибрежных районах, но в остальном более предпочтительны. Из-за больших пролетов и высокого механического напряжения вибрация, вызванная ветром, может повредить провода. В современных системах для снижения вибрации используются спиральные демпферы. В этих регионах каждая линия SWER должна быть одобрена в индивидуальном порядке.

Преимущества в цене

Основным преимуществом SWER является его низкая стоимость. Он часто используется в малонаселенных районах, где экономически нецелесообразно строительство изолированной линии распределения. Капитальные затраты составляют примерно 50% от стоимости эквивалентной однофазной линии с двумя проводами. Они могут составлять 30% от стоимости трехфазной системы с тремя проводами. Затраты на обслуживание составляют примерно 50% от стоимости эквивалентной трехфазной линии. SWER также снижает самую значительную статью расходов в распределительной сети: количество опор. Традиционные двух- или трехпроводные линии распределения обладают большей пропускной способностью, но могут требовать 7 опор на километр (12 опор на милю) при пролетах от 100 до 150 метров (110–160 ярдов). Высокое напряжение и низкий ток в линиях SWER позволяют использовать недорогую оцинкованную стальную проволоку (исторически проволоку №8 для ограждений). Первым шагом может быть замена стальной проволоки на более дорогую проволоку из стали с медным или алюминиевым покрытием. Также возможно увеличение напряжения. Некоторые удаленные линии SWER сейчас работают при напряжении до 35 кВ. Обычно это требует замены изоляторов и трансформаторов, но установка новых опор не требуется. Если требуется большая мощность, можно проложить вторую линию SWER на тех же опорах, чтобы получить две линии SWER со сдвигом фаз в 180 градусов. Это требует большего количества изоляторов и проводов, но удваивает мощность без увеличения количества опор. Многие стандартные опоры SWER имеют несколько отверстий для болтов, чтобы обеспечить возможность такой модернизации. Эта конфигурация приводит к взаимному гашению большинства токов в земле, что снижает риск поражения электрическим током и помехи линиям связи. Также возможно двухфазное обслуживание с модернизацией до двух проводов: хотя оно и менее надежно, оно более эффективно. По мере увеличения потребности в мощности линии могут быть модернизированы в соответствии с нагрузкой – от однопроводной SWER до двухпроводной однофазной и, наконец, до трехпроводной трехфазной. Это обеспечивает более эффективное использование капитала и делает первоначальную установку более доступной. Установленное у потребителей оборудование до модернизации будет однофазным и может быть повторно использовано после ее проведения. Если требуется небольшое количество трехфазной мощности, ее можно экономично синтезировать из двухфазной мощности с помощью оборудования, установленного на месте.

SWER's main advantage is its low cost. It is often used in sparsely populated areas where the cost of building an isolated distribution line cannot be justified. Capital costs are roughly 50% of an equivalent two wire single phase line. They can cost 30% of 3 wire three phase systems. Maintenance costs are roughly 50% of an equivalent three phase line. SWER also reduces the largest cost of a distribution network: the number of poles. Conventional 2 wire or 3 wire distribution lines have a higher power transfer capacity, but can require 7 poles per kilometre (12 poles per mile), with spans of 100 to 150 metres (110 to 160 yards). SWER's high line voltage and low current also permits the use of low cost galvanized steel wire (historically, No. 8 fence wire). The first step may be to replace the steel wire with more expensive copper clad or aluminum clad steel wire. It may be possible to increase the voltage. Some distant SWER lines now operate at voltages as high as 35 kV. Normally this requires changing the insulators and transformers, but no new poles are needed. If more capacity is needed, a second SWER line can be run on the same poles to provide two SWER lines 180 degrees out of phase. This requires more insulators and wire, but doubles the power without doubling the poles. Many standard SWER poles have several bolt holes to support this upgrade. This configuration causes most ground currents to cancel, reducing shock hazards and interference with communication lines. Two phase service is also possible with a two wire upgrade: Though less reliable, it is more efficient. As more power is needed, the lines can be upgraded to match the load, from single wire SWER to two wire, single phase and finally to three wire, three phase. This ensures a more efficient use of capital and makes the initial installation more affordable. Customer equipment installed before these upgrades will all be single phase, and can be reused after the upgrade. If small amounts of three phase power are needed, it can be economically synthesized from two phase power with on site equipment.

Слабость качества энергии

СВЕР-линии обычно имеют большую длину и высокое сопротивление, поэтому падение напряжения вдоль линии часто представляет собой проблему, приводящую к неустойчивому напряжению. Колебания нагрузки вызывают изменения в величине напряжения, подаваемого потребителю. Для решения этой проблемы на некоторых объектах устанавливаются автоматические регулирующие трансформаторы, поддерживающие напряжение в пределах допустимых норм. Получив некоторый опыт, изобретатель предложил включить конденсатор последовательно с заземлением главного изоляционного трансформатора для компенсации индуктивного сопротивления трансформаторов, проводов и контура заземления. Это должно было улучшить коэффициент мощности, снизить потери и повысить качество напряжения за счет управления потоком реактивной мощности. Экономическое энергетическое обследование штата Аляска рекомендовало дальнейшее изучение этой возможности для более эффективного использования нереализованного энергетического потенциала штата.

В развивающихся странах

В настоящее время некоторые развивающиеся страны используют системы SWER в качестве основной сети электроснабжения, в частности Лаос, Южная Африка и Мозамбик.

В системах высокой постоянной напряженности

Многие системы постоянного тока высокого напряжения (HVDC), использующие подводные кабели, являются системами с однопроводным заземлением. Биполярные системы с положительным и отрицательным кабелями также могут иметь электрод заземления в морской воде, который используется в случае отказа одного из полюсов. Для предотвращения электрохимической коррозии электроды заземления таких систем располагаются на расстоянии от преобразовательных станций и не вблизи кабеля передачи. Электроды могут располагаться в море или на суше. В качестве катодов можно использовать оголенные медные провода, а в качестве анодов – графитовые стержни, закопанные в землю, или титановые сетки, установленные в море. Для предотвращения электрохимической коррозии (и пассивации титановых поверхностей) плотность тока на поверхности электродов должна быть низкой, поэтому требуются электроды большой площади. Примеры систем HVDC с однопроводным заземлением включают Baltic Cable и Kontek.