Однопроводная электрическая система SWER

Впервые система SWER была использована в 1925 году при строительстве ЛЭП в Новой Зеландии для электрификации сельских районов. Она была разработана новозеландским инженером-электриком Ллойдом Мандено (1888—1973).

Первоначально он назвал её «Earth Working Single Wire Line» (Земляная рабочая однопроводная линия), но чаще систему называли «Bethel of Mandeno’s Clothesline» (Бельевая верёвка Мандено).

С тех пор SWER получила большое распространение в этой стране, а также в соседней Австралии. Причина того, что именно в этих странах SWER завоевала популярность, связана с низкой плотностью населения. В Австралии есть дополнительное преимущество для данной системы — значительная часть территории страны покрыта пустынями, где система SWER не создаёт практически никаких проблем. По данным на 2008 год, в Австралии эксплуатировалось более 150 000 км линий SWER.

Помимо Австралии и Новой Зеландии, система SWER используется в Бразилии, Канаде (например, в провинции Саскачеван), в ряде африканских стран.

Используется SWER в США: на территориях Верхнего Среднего Запада, также существует опытная ЛЭП на Аляске в городе Бетел.

Также системы, аналогичные SWER, используются на некоторых подводных ЛЭП, обратным проводом в них является морская вода. Как правило, подводные однопроводные системы работают на постоянном токе^[3].

Система SWER считается безопасной, надёжной и экономически целесообразной, при условии соблюдения правил установки средств безопасности и заземления.

Электропитание на линию SWER подаётся через изолирующий трансформатор мощностью до 300 кВА. Этот трансформатор изолирует сеть от земли. Напряжение изменяется из-за перехода от линейного к фазному, при этом обычно напряжение снижается от 22 кВ (сеть) до 12,7 кВ (SWER) или от 33 кВ (сеть) до 19,1 кВ (SWER). Используется заземление с сопротивлением 5—10 Ом. Поскольку сопротивление Земли составляет менее 1 Ом, характеристики системы будут определяться главным образом сопротивлением заземления. Сила тока в заземлении не должна превышать 8 А, что ограничивает передаваемую мощность. Напряжение между проводом или землёй составляет 12,7 или 19,1 кВ. Провод, по которому осуществляется передача энергии — стальной, оцинкованный, диаметром 3,26 мм, позже вместо оцинкованных стали использовать стальные провода, покрытые тонким слоем алюминия^[3].

Линия SWER представляет собой один проводник, который может простираться на десятки или даже сотни километров, с рядом распределительных трансформаторов по всей его длине. В каждом трансформаторе, например, в помещении клиента, ток течёт от линии через первичную обмотку понижающего изолирующего трансформатора к земле через заземляющий штырь. От заземляющего штыря ток в конечном итоге возвращается к главному повышающему трансформатору в начале линии, замыкая цепь^[4]. Таким образом, система SWER является практическим примером фантомного контура.

В регионах с почвой с высоким сопротивлением заземляющий стержень может находиться под более высоким напряжением, что приводит к потере энергии. Сопротивление может быть достаточно высоким, чтобы повлиять на самовосстанавливающиеся автоматические выключатели, которые обычно перезапускаются из-за разницы в фазном напряжении. В условиях сухих почв с высоким сопротивлением уме́ньшенная разница в фазном напряжении между может помешать перезапуску выключателей. В Австралии, в местах с очень сухими почвами заземляющие стержни необходимо было устанавливать на большую глубину^[5]. Опыт Аляски показывает, что систему SWER необходимо заземлять ниже уровня вечной мерзлоты, которая имеет высокое сопротивление^[6].

Вторичная обмотка местного трансформатора подаёт потребителю либо однофазный (N-0), либо двухфазный (N-0-N) ток со стандартным для региона напряжением электроприборов, при этом линия с напряжением 0 В подключена к защитному заземлению, которое обычно не проводит рабочий ток.

Большая линия SWER может подавать питание до 80 распределительным трансформаторам. Трансформаторы обычно имеют номинальную мощность 5 кВА, 10 кВА и 25 кВА. Плотность нагрузки обычно менее 0,5 кВА на километр (0,8 кВА на милю) линии. Обычно максимальная потребность клиента ниже 3,5 кВА, номогут быть обеспечены и более крупные нагрузки вплоть до мощности распределительного трансформатора.

Некоторые системы SWER в США представляют собой обычные распределительные линии, которые были построены без непрерывной нейтрали (некоторые из них были устаревшими линиями электропередачи, переоборудованными для обслуживания сельских районов). Подстанция, питающая такие линии, имеет заземляющий стержень на каждом столбе внутри подстанции; затем на каждом ответвлении от линии, пролёт между соседним столбом и столбом, на котором находится трансформатор, будет иметь заземляющий проводник (что даёт каждому трансформатору две точки заземления по соображениям безопасности). Использование систем SWER является рентабельным, так как стандартная проводка обратного тока стоит дороже, чем изолирующие трансформаторы SWER и небольшие потери мощности. Инженеры-энергетики, имеющие опыт работы как с системами SWER, так и с традиционными линиями электропередачи, считают, что по сравнению с традиционными линиями система SWER является такой же же безопасной, более надёжной и менее затратной системой, но с немного ме́ньшей эффективностью^[4]. SWER может стать причиной лесных пожаров при неудовлетворительном обслуживании^[7].

Корректное механическое проектирование линии SWER может снизить её стоимость на протяжении всего срока службы и повысить безопасность.

Поскольку линия является высоковольтной с небольшими токами, проводник, используемый в исторических линиях SWER, представлял собой оцинкованную стальную проволоку № 8 (использовавшуюся для ограждения на новозеландских овцеводческих фермах). Более современные установки используют специально разработанные провода из высокоуглеродной стали AS1222.1 с алюминиевым покрытием^[8]. Провода с алюминиевым покрытием подвергаются коррозии в прибрежных районах, но в остальном они более пригодны^[9]. Из-за длинных пролётов и высоких механических напряжений вибрация от ветра может привести к повреждению проводов. Современные системы устанавливают на проводах спиральные виброгасители^[9].

Линейные изоляторы часто изготавливаются из фарфора, поскольку полимеры подвержены повреждениям от ультрафиолетового излучения. Некоторые энергетические компании устанавливают изоляторы более высокого напряжения, чтобы линию можно было легко модернизировать для передачи бо́льшего объёма электроэнергии. Например, линии на12 кВ могут быть изолированы до 22 кВ, а линии 19 кВ до 33 кВ.

Изоляторы часто изготавливаются из фарфора, поскольку полимеры подвержены повреждениям от ультрафиолетового излучения. Некоторые энергетические компании устанавливают изоляторы на более высокое напряжение, чтобы линия могла быть легко модернизирована для передачи большего объёма энергии. Например, линии на 12 кВ могут быть модернизированы до 22 кВ, а линии на 19 кВ — до 33 кВ^[9].

В линиях SWER традиционно используются железобетонные столбы из-за их низкой стоимости, низких затрат на обслуживание и устойчивости к повреждениям от воды, термитов и грибков. Они могут быть произведены в большинстве регионов местной промышленностью, что дополнительно снижает затраты. В Новой Зеландии распространены металлические столбы (часто, это бывшие рельсы от железнодорожной линии).

Также используются и деревянные столбы. В Мозамбике и Южной Африке существует процветающая индустрия деревянных столбов, использующая древесину с плантаций, что приводит к доступности качественных обработанных столбов по низкой цене. Деревянные столбы очень прочные, могут выдерживать транспортировку и являются предпочтительным продуктом. В Мозамбике столбы должны быть как минимум 12 м (39 футов) в высоту, чтобы обеспечить безопасный проход жирафов под линиями^[9].

В регионах, подверженных грозам и ударам молнии, современные конструкции предусматривают установку заземляющих ремней в столбах при их строительстве, до монтажа. Заземляющий провод фиксируется к столбу с помощью алюминиевого ремня, провод изгибается в форме буквы U. Этот изгиб создаётся для предотвращения накопления плотного электрического поля и возможности пробоя. Заземляющий провод действует как «разрыв стержня», и ток молнии проходит через заземляющий провод, а не через столб^[9].

Основной проблемой для системы SWER является обеспечение безопасности. Система рассчитывается таким образом, чтобы шаговое напряжение в почве не превышало 20 В/м. То есть шаговое напряжение не опасно для человека. Хотя некоторые экологи считают, что протекание электрического тока через землю негативно сказывается на природе. К тому же, SWER нельзя использовать в крупных агломерациях, так как там она будет вызывать электрическую коррозию объектов городской инфраструктуры вблизи питающих подстанций. Поэтому SWER используется только для электрификации удалённых населённых пунктов^[3].

При этом, SWER считается безопасной системой благодаря изоляции заземления как от генератора, так и от пользователя. Большинство других электрических систем используют металлический нейтральный провод, подключённый напрямую к генератору или к общему заземлению^[4].

Заземление имеет решающее значение. Значительные токи порядка 8 А проходят через землю вблизи точек заземления. Необходимо обеспечить качественное заземление, чтобы предотвратить риск электрического удара из-за повышения потенциала земли вблизи этой точки. Также используются отдельные заземления для электропитания и безопасности. Дублирование точек заземления гарантирует, что система останется безопасной, даже если одно из заземлений будет повреждено.

Для корректной организации заземления обычно используется 6-метровый кол, изготовленный из меди с покрытием из стали, который забивается вертикально в землю и соединяется с заземлением трансформатора и баком. При этом, сопротивление заземления должно составлять 5-10 Ом, измерение производится с помощью специализированного оборудования для тестирования заземления. Системы SWER разработаны для ограничения электрического поля в земле до 20 вольт на метр, чтобы избежать поражения электрическим током людей и животных, которые могут находиться в этой зоне.

Также в системе предусмотрен стандартный функционал — автоматическое повторное включение. Большинство неисправностей (перегрузки) являются вре́менными. Поскольку сети SWER в основном находятся в сельской местности, большинство их этих неисправностей устраняются 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 или низковольтным выключателем. В регионах, подверженных ударам молний, обычно применяются ограничители перенапряжения.

Серьёзные угрозы для пожарной безопасности в электрических распределительных сетях связаны с устаревшим оборудованием: корродированные линии, сломанные изоляторы и т. д. Более низкие затраты на обслуживание SWER могут снизить стоимость безопасной эксплуатации в таких случаях^[7].

Несмотря на имеющуюся информацию о том, что система SWER предотвращает столкновение линий при сильном ветре, что является существенной угрозой пожарной безопасности^[7], однако в ходе официального расследования лесных пожаров в Чёрную субботу в Австралии в 2009 году была выявлена следующая проблема. Было выяснено, что сломанный проводник SWER может замкнуться на землю через сопротивление, аналогичное нормальной нагрузке цепи; в данном конкретном случае, это было дерево. Это может привести к большим токам без индикации замыкания на землю^[7], что представляет серьёзную угрозу в пожароопасных зонах, где проводник может оборваться, и ток может пройти через деревья или сухую траву.

В случае, если провод упал на землю или на дерево, но при этом сила тока оказалась в допустимых пределах, соответствующих нормальной нагрузке, это обстоятельство не может быть сразу определено на передающей стороне без получения информации, что к потребителю энергия не поступает. Соответственно, нет возможности сразу отключить подачу электроэнергии в подобных аварийных ситуациях^[3].

Системы телекоммуникации, использующие технологии с неизолированными проводами (например, в антенных системах) или возвратом на землю (телеграф с обратным заземлением) могут быть подвержены риску из-за тока возврата на землю, если зона заземления находится ближе 100 м или потребляет более 10 А. Современные радиосистемы, оптоволоконные каналы и системы сотовой связи не подвержены этому воздействию.

В большинстве стран мира национальные электротехнические нормы требуют использования металлического обратного провода (например, в США^[10]), но в ряде случаев эксплуатация систем SWER, тем не менее, допускается на основе разрешения, выданного в индивидуальном порядке. В СССР и в современной России SWER и аналогичные ей системы никогда не использовались, даже не рассматривалась официально возможность строительства таких ЛЭП. Для страны с большими лесными массивами и множеством факторов, способствующим обрыву проводов ЛЭП, имеющиеся в системе SWER проблемы с безопасностью оказываются совершенно неприемлемыми^[3].

Основное преимущество SWER заключается в его низкой стоимости. Он часто используется в малонаселённых районах, где стоимость строительства изолированной распределительной линии не может быть оправдана. Капитальные затраты составляют примерно 50 % от стоимости эквивалентной двухпроводной однофазной линии. Они могут составлять 30 % от стоимости трёхпроводных трёхфазных систем. Затраты на техническое обслуживание составляют примерно 50 % от стоимости эквивалентной трёхфазной линии.

При использовании систем SWER также снижена наибольшая статья расходов распределительной сети: количество опор. Обычные двухпроводные или трёхпроводные распределительные линии имеют более высокую пропускную способность, но при этом требуется до 7 опор на километр (12 опор на милю) с пролётами от 100 до 150 метров (от 110 до 160 ярдов). Высокое напряжение и низкий ток линии SWER также позволяют использовать недорогую оцинкованную стальную проволоку (исторически, проволоку № 8 для ограждений овцеводческих ферм в Новой Зеландии)^[9]. Большая прочность стали позволяет делать пролёты до 400 метров (¼ мили) и более, что сокращает количество опор до 2,5 на километр (4 на милю).

Если опоры также используются для телекоммуникационного оптоволоконного кабеля (металлические проводники не могут быть использованы), капитальные расходы энергетической компании могут быть дополнительно снижены.

Систему SWER обычно размещают в линейной или радиальной конфигурации для экономии затрат. В стандартном линейном формате отказ в одной точке на линии SWER приводит отключению электроэнергии у всех клиентов, находящихся дальше по линии. Однако, поскольку в системе меньше компонентов, вероятность повреждений также ниже. Например, в случае одной линии, порывы ветры не могут вызвать столкновение линий, соответственно уменьшается вероятность аварийных ситуаций, а также возможности лесных пожаров в сельской местности.

Поскольку основная часть линии электропередачи имеет низкоомное сопротивление заземления, сверхтоки заземления из-за коротких замыканий и геомагнитных бурь встречаются реже, чем в обычных системах с металлическим обратным проводником. Поэтому в системе SWER происходит меньше срабатываний автоматов защиты от замыканий, прерывающих обслуживание^[4].

Если линия SWER грамотно спроектирована, есть возможность её значительного модернизирования по мере роста спроса без установки новых опор^[11]. Первым шагом может стать замена оцинкованного стального провода на более дорогой стальной провод с медным или алюминиевым покрытием.

Также существует возможность увеличения напряжения, для этого необходимо заменить изоляторы и трансформаторы, но новые опоры не нужны^[12]. Некоторые удалённые линии SWER работают при напряжении до 35 кВ.

Если требуется бо́льшая мощность, можно проложить вторую линию SWER на тех же столбах, для того, чтобы обеспечить две линии SWER, работающие с разностью фаз в 180 градусов. Для этого необходимо увеличить количество изоляторов и проводов, но при этом мощность возрастает в 2 раза без увеличения количества столбов. Для обеспечения возможности такой модернизации многие стандартные опоры SWER имеют несколько отверстий для болтов. Эта конфигурация позволяет нейтрализовать бо́льшую часть токов заземления, что снижает риск поражения электрическим током и помехи в линиях связи.

По мере увеличения потребности в мощности линии могут быть модернизированы в соответствии с нагрузкой: от однопроводной системы SWER сначала до однофазной двухпроводной сети, затем до двухфазной сети (что менее надёжно, но более эффективно), и, наконец, трёхпроводной трёхфазной. 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 потребуются небольшие объёмы трёхфазной мощности, её можно экономично синтезировать из двухфазной мощности с помощью имеющегося оборудования на месте.

Большая протяжённость стандартных линий SWER, и их высокое сопротивление, способствуют падению напряжения вдоль линии, что часто вызывает проблемы с регулированием напряжения. Колебания в потреблении электроэнергии приводят к изменениям в подаваемом напряжении. Чтобы справиться с этой ситуацией, некоторые конструкции предусматривают установку автоматических регулируемых трансформаторов на стороне клиента, которые поддерживают получаемое напряжение в пределах законодательно установленных норм.

После нескольких лет опытов изобретатель системы SWER предложил использовать конденсатор, подключённый последовательно к заземлению главного изолирующего трансформатора, чтобы компенсировать индуктивное сопротивление трансформаторов, проводов и обратной заземляющей цепи (электропроводящая цепь, образуемая «землёй» между заземляющими устройствами). Планировалось улучшить коэффициент мощности, снизить потери и улучшить характеристики напряжения за счёт потока реактивной мощности^[4]. Хотя это теоретически обосновано, такая практика не является стандартной. Это также позволяет использовать контур тестирования постоянного тока, чтобы отличить легитимную переменную нагрузку от (например) упавшего дерева, которое создавало бы путь по постоянному току на «землю».

Системы SWER продолжают использоваться в некоторых удалённых регионах Новой Зеландии (например, King Country) и Австралии. По данным на 2008 год, в Австралии эксплуатировалось более 150 000 км линий SWER^[13].

В Новой Зеландии системы SWER используют следующие энергетические компании по распределению электроэнергии потребителям:

Интерес к развитию системы SWER к середине 1980-х годов постепенно угас, но в конце 2000-х годов возродился вновь. В условиях глобального экономического кризиса инвесторы обратили свои взоры на Африку, так как экономики многих стран этого континента демонстрируют впечатляющий рост. Но именно там существуют проблемы с энергоснабжением. Система SWER способна решить их с небольшими затратами, при этом условия на континенте (малая плотность населения, значительную часть площади занимают пустыни) оптимальны для данной системы^[3].

Некоторые развивающиеся африканские страны приняли системы SWER в качестве своих основных систем электроснабжения, в частности Лаос, Южно-Африканская республика и Мозамбик^[9] .

В США на Аляске в 1981 году была успешно установлена высокомощная прототипная линия SWER протяжённостью 8,5 миль от дизельной электростанции в Бетеле до Напакияка. Она работает на напряжении 80 кВ, и изначально была установлена на специальных лёгких стеклопластиковых опорах, образующих конструкцию в виде буквы A. Позднее конструкции в виде буквы A были сняты, и вместо них установлены стандартные деревянные опоры электропередач. Опоры в виде буквы A можно было перевозить на лёгких снегоходах и устанавливать с помощью подручных инструментов на вечной мерзлоте без обширных земляных работ. Установка «анкерных» опор по-прежнему требовала использования тяжёлой техники, но экономия затрат была значительной.

Исследователи из Аляскинского университета в Фэрбенксе подсчитали, что сеть таких линий, в сочетании с прибрежными ветряными турбинами, может значительно снизить зависимость сельских районов Аляски от всё более дорожающего дизельного топлива для выработки электроэнергии. Было проведено экономическое энергетическое обследование штата Аляска, и было рекомендовано провести дальнейшие изучение этого варианта, чтобы использовать больше энергетических ресурсов штата, которые не достаточно задействованы^[14].

Система SWER была установлена в Канаде в провинции Саскачеван: по данным на 2009 год энергетическая компания SaskPower обслуживала с помощью этой сети более 62 000 фермерских хозяйств^[15].

В Колумбии использование систем SWER запрещено национальным электротехническим регулированием RETIE (REGLAMENTO DE INSTALACIONES ELECTRICAS).

Системы SWER также широко используются в Бразилии^[16].

В СССР вместо SWER разрабатывали систему однопроводной системы передачи электроэнергии в резонансном режиме, основанной на принципе, открытом Николой Тесла. По сравнению со SWER, однопроводная резонансная линия более безопасна. При обрыве или же замыкании на землю провода меняется частота собственного резонанса линии. Это может быть обнаружено автоматикой на передающей стороне и подача электроэнергии будет сразу же отключена^[3].

Многие высоковольтные линии постоянного тока (HVDC), использующие подводные кабели, являются монополярными, то есть системами SWER. Биполярные системы с положительными и отрицательными кабелями также могут иметь заземляющий электрод в морской воде, который используется в случае выхода из строя одной из опор. 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 оголённые медные провода, а в качестве анодов — графитовые стержни, зарытые в землю, 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 высоковольтных линий постоянного тока с однопроводным замыканием на землю являются:

• Baltic Cable — это монополярная линия электропередачи постоянного тока высокого напряжения, проходящая по дну Балтийского моря и соединяющая электросети Германии и Швеции. Максимальная мощность передачи составляет 600 МВт.
• Kontek — монополярная кабельная линия электропередачи постоянного тока высокого напряжения длиной 170 км, объединяющая энергосистему Германии с энергосистемой датского острова Зеландия. Максимальная мощность передачи составляет 600 МВт.