Tek telli toprak dönüşü - Single-wire earth return

Bu makale güç dağıtımı ile ilgili. Telekomünikasyon kullanımı için, bkz. toprak dönüşlü telgraf .

Cahora Bassa'da HVDC SWER elektrik hattı

Tek telli toprak dönüşü ( SWER ) veya tek telli toprak dönüşü , bir elektrik şebekesinden uzak alanlara düşük maliyetle tek fazlı elektrik gücü sağlayan tek telli bir iletim hattıdır . Ayırt edici özelliği, toprağın (veya bazen bir su kütlesinin) akımın dönüş yolu olarak kullanılması, dönüş yolu olarak hareket etmesi için ikinci bir kabloya (veya nötr kabloya ) ihtiyaç duyulmamasıdır .

Tek telli toprak dönüşü esas olarak kırsal elektrifikasyon için kullanılır , ancak su pompaları gibi daha büyük yalıtılmış yükler için de kullanım alanı bulur. Denizaltı güç kabloları üzerinden yüksek voltajlı doğru akım için de kullanılır . Hafif raylı sistem gibi elektrikli tek fazlı demiryolu çekişi çok benzer bir sistem kullanır. Ray gerilimlerinden kaynaklanan tehlikeleri azaltmak için toprağa dirençler kullanır, ancak birincil dönüş akımları raylardan geçer.

Tarih

Lloyd Mandeno , OBE (1888–1973) , 1925 civarında Yeni Zelanda'da kırsal elektrifikasyon için SWER'i tamamen geliştirdi . "Dünyada Çalışan Tek Telli Hat" olarak adlandırmasına rağmen, genellikle "Mandeno'nun Çamaşır ipi" olarak adlandırıldı. Avustralya ve Yeni Zelanda'da 200.000 kilometreden fazla yol yapıldı . Güvenlik özellikleri ve topraklamanın doğru şekilde kurulması şartıyla güvenli, güvenilir ve düşük maliyetli olarak kabul edilir. Avustralya standartları yaygın olarak kullanılır ve alıntılanır. Böyle olduğu gibi, tüm dünyada uygulanmış olan Kanadalı ili arasında Saskatchewan ; Brezilya ; Afrika ; ve Amerika Birleşik Devletleri'nin Upper Midwest ve Alaska ( Bethel ) kısımları .

Çalışma prensibi

SWER, geleneksel dönüş akımı kablolamasının SWER'in izolasyon transformatörlerinden ve küçük güç kayıplarından daha pahalıya mal olacağı durumlarda, bir dağıtım sistemi için uygun bir seçimdir. Hem SWER hem de geleneksel elektrik hatları konusunda deneyimli güç mühendisleri, SWER'i eşit derecede güvenli, daha güvenilir, daha az maliyetli, ancak geleneksel hatlardan biraz daha düşük verimli olarak değerlendirir. SWER, bakım yetersiz olduğunda yangına neden olabilir ve orman yangını bir risktir.

SWER şeması

SWER hattına 300 kVA'ya kadar bir izolasyon trafosu ile güç sağlanır . Bu transformatör, şebekeyi topraktan veya topraktan yalıtır ve şebeke voltajını (tipik olarak 22 veya 33 kV hatlar arası) SWER voltajına (tipik olarak 12.7 veya 19.1 kV hatlar arası) değiştirir.

SWER hattı, uzunluğu boyunca bir dizi dağıtım transformatörü ile onlarca hatta yüzlerce kilometre uzayabilen tek bir iletkendir . Her bir transformatörde, örneğin müşteri binasında, hattan akım, bir kademeli izolasyon transformatörünün birincil bobini üzerinden bir topraklama çubuğu üzerinden toprağa akar. Toprak direğinden, akım sonunda hattın başındaki ana yükseltici transformatöre geri dönerek devreyi tamamlar . SWER bu nedenle hayali bir döngünün pratik bir örneğidir .

Direnci yüksek olan topraklarda, direnç enerjiyi boşa harcar. Başka bir sorun, direncin, toprak nötrüne yetersiz akımın akmasına ve topraklama çubuğunun daha yüksek voltajlara yüzmesine neden olacak kadar yüksek olabileceğidir. Kendi kendini sıfırlayan devre kesiciler, genellikle hat ve nötr arasındaki voltaj farkı nedeniyle sıfırlanır. Bu nedenle, kuru, yüksek dirençli topraklarda, hat ile nötr arasındaki voltaj farkının azalması, kesicilerin sıfırlanmasını önleyebilir. Avustralya'da çok kuru topraklara sahip yerlerde topraklama çubuklarının ekstra derin olması gerekir. Alaska'daki deneyim, SWER'in yüksek dirençli permafrost'un altında topraklanması gerektiğini gösteriyor .

Yerel transformatörün sekonder sargısı, müşteriye bölgenin standart cihaz voltajlarında tek uçlu tek fazlı (N-0) veya bölünmüş fazlı (N-0-N) güç sağlar ve 0 volt hat bir emniyete bağlanır. normalde bir çalışma akımı taşımayan toprak.

Büyük bir SWER hattı 80 dağıtım trafosunu besleyebilir. Transformatörler genellikle 5 kVA, 10 kVA ve 25 kVA olarak derecelendirilir. Yük yoğunlukları genellikle hattın kilometresi başına 0,5 kVA'nın (mil başına 0,8 kVA) altındadır. Herhangi bir müşterinin maksimum talebi tipik olarak 3.5 kVA'dan az olacaktır, ancak dağıtım trafosunun kapasitesine kadar daha büyük yükler de sağlanabilir.

ABD'deki bazı SWER sistemleri, sürekli bir nötr olmadan inşa edilmiş geleneksel dağıtım besleyicileridir (bazıları kırsal dağıtım hizmeti için yeniden donatılan eski iletim hatlarıydı). Bu tür hatları besleyen trafo merkezi, trafo merkezi içindeki her bir direk üzerinde bir topraklama çubuğuna sahiptir; daha sonra hattan her kolda, yanındaki direk ile transformatörü taşıyan direk arasındaki mesafe topraklanmış bir iletkene sahip olacaktır (güvenlik nedenleriyle her transformatöre iki topraklama noktası verir).

Mekanik tasarım

Bir SWER hattının uygun mekanik tasarımı, kullanım ömrü maliyetini düşürebilir ve güvenliğini artırabilir.

Hat yüksek gerilim, küçük akımlar olduğu için tarihi SWER hatlarında kullanılan iletken 8 numara galvanizli çelik çit teliydi. Daha modern kurulumlar, özel olarak tasarlanmış AS1222.1 yüksek karbonlu çelik , alüminyum kaplı teller kullanır. Alüminyum kaplı teller kıyı bölgelerinde paslanır, ancak bunun dışında daha uygundur. Uzun açıklıklar ve yüksek mekanik gerilimler nedeniyle rüzgardan kaynaklanan titreşim tellere zarar verebilir. Modern sistemler, tellere spiral titreşim damperleri kurar.

İzolatörler genellikle porselendir, çünkü polimerler ultraviyole hasarına eğilimlidir . Bazı tesisler, hattın daha fazla güç taşıyacak şekilde kolayca yükseltilebilmesi için daha yüksek voltajlı yalıtkanlar kurar. Örneğin, 12 kV hatlar 22 kV'a veya 19 kV hatlar 33 kV'a yalıtılabilir.

Betonarme direkler, düşük maliyetleri, düşük bakımları ve su hasarına, termitlere ve mantarlara karşı dirençleri nedeniyle SWER hatlarında geleneksel olarak kullanılmaktadır . Yerel işgücü bunları çoğu alanda üretebilir ve bu da maliyetleri daha da düşürür. Yeni Zelanda'da metal direkler yaygındır (genellikle bir demiryolu hattından eski raylardır). Ahşap direkler kabul edilebilir. Mozambik'te, zürafaların hatların altından güvenli geçişine izin vermek için direklerin en az 12 m (39 ft) yüksekliğinde olması gerekiyordu .

Bir alan yıldırım düşmesine meyilli ise, modern tasarımlar, direklere, montajdan önce, direklere yıldırım topraklama şeritleri yerleştirir. Kayışlar ve kablolar, bir yıldırım düşmesini önlemek için kenarları yuvarlatılmış, düşük maliyetli bir paratoner olacak şekilde düzenlenebilir.

özellikleri

Emniyet

SWER, hem jeneratörden hem de kullanıcıdan toprak izolasyonu nedeniyle güvenli olarak tanıtılır. Diğer çoğu elektrik sistemi, doğrudan jeneratöre veya ortak bir toprağa bağlı bir metalik nötr kullanır.

Topraklama kritiktir. Toprak noktalarının yakınında topraktan 8 amper mertebesinde önemli akımlar  geçer. Bu noktanın yakınında toprak potansiyeli yükselmesi nedeniyle elektrik çarpması riskini önlemek için kaliteli bir toprak bağlantısı gereklidir . Güç ve güvenlik için ayrı zeminler de kullanılır. Zemin noktalarının çoğaltılması, zeminlerden herhangi birinin hasar görmesi durumunda sistemin hala güvenli olmasını sağlar.

İyi bir toprak bağlantısı normalde toprağa dikey olarak sürülen ve transformatör toprağına ve tankına bağlanan 6 m'lik bakır kaplı çelikten bir kazıktır. İyi bir toprak direnci, uzman toprak test ekipmanı kullanılarak ölçülebilen 5-10 ohm'dur. SWER sistemleri, bölgede olabilecek insanları ve hayvanları şok etmekten kaçınmak için dünyadaki elektrik alanını metre başına 20 volt ile sınırlandıracak şekilde tasarlanmıştır.

Diğer standart özellikler, otomatik tekrar kapamalı devre kesicileri ( tekrar kapamalı ) içerir. Çoğu arıza (aşırı akım) geçicidir. Şebeke kırsal olduğundan, bu arızaların çoğu tekrar kapamalı tarafından temizlenecektir. Her servis sitesi, transformatörün korunması ve anahtarlanması için yeniden kablolanabilir bir bırakma sigortasına ihtiyaç duyar. Trafo sekonder ayrıca standart bir yüksek kopma kapasiteli (HRC) sigorta veya düşük voltajlı devre kesici ile korunmalıdır. Yüksek voltaj tarafında bir parafudr (kıvılcım aralığı), özellikle yıldırım eğilimli alanlarda yaygındır.

Elektrik dağıtımındaki yangın güvenliği tehlikelerinin çoğu, eskiyen ekipmanlardan kaynaklanmaktadır: aşınmış hatlar, kırılmış yalıtkanlar, vb. SWER bakımının daha düşük maliyeti, bu durumlarda güvenli çalıştırma maliyetini azaltabilir.

SWER rüzgar, önemli bir yangın güvenliği özelliği çatışan çizgileri önler, ancak bir sorun su yüzüne resmi soruşturma içine Siyah Cumartesi Orman yangınları içinde Victoria, Avustralya . Bunlar, kopmuş bir SWER iletkeninin, devrenin normal yüküne benzer bir direnç boyunca toprağa kısa devre yapabileceğini gösterdi; bu özel durumda, bir ağaç. Bu, toprak arızası göstergesi olmayan büyük akımlara neden olabilir. Bu, bir iletkenin kopabileceği ve akımın ağaçların veya kuru otların arasından yayılabileceği yangına eğilimli alanlarda tehlike oluşturabilir.

Topraklama alanı 100 m'den daha yakınsa veya 10 A'dan fazla akım batıyorsa, çıplak tel veya toprak dönüşlü telekomünikasyon, toprak dönüş akımı tarafından tehlikeye atılabilir. Modern radyo, fiber optik kanallar ve cep telefonu sistemleri etkilenmez.

Birçok ulusal elektrik yönetmeliği (özellikle ABD), yükten jeneratöre metalik bir dönüş hattı gerektirir. Bu yargı bölgelerinde, her bir SWER satırı istisna ile onaylanmalıdır.

Maliyet avantajları

SWER'in ana avantajı düşük maliyetidir. Genellikle, izole bir dağıtım hattı inşa etme maliyetinin haklı çıkarılamayacağı seyrek nüfuslu alanlarda kullanılır. Sermaye maliyetleri, eşdeğer bir iki telli tek fazlı hattın kabaca %50'sidir. 3 telli üç fazlı sistemlerin %30'una mal olabilirler. Bakım maliyetleri, eşdeğer bir hattın kabaca %50'sidir.

SWER ayrıca bir dağıtım ağının en büyük maliyetini de azaltır: kutup sayısı. Geleneksel 2 telli veya 3 telli dağıtım hatları daha yüksek bir güç aktarım kapasitesine sahiptir, ancak 100 ila 150 metre açıklıklarda kilometre başına 7 kutup gerektirebilir. SWER'in yüksek hat gerilimi ve düşük akımı aynı zamanda düşük maliyetli galvanizli çelik telin (tarihsel olarak No. 8 çit teli) kullanımına da izin verir . Çeliğin daha yüksek mukavemeti, 400 metre veya daha fazla açıklıklara izin vererek, kutup sayısını kilometre başına 2,5'e düşürür.

Direkler telekomünikasyon için fiber optik kablo da taşıyorsa (metal iletkenler kullanılamaz), enerji şirketinin sermaye harcamaları daha da azaltılabilir.

Güvenilirlik

SWER bir ızgarada veya döngüde kullanılabilir, ancak maliyetten tasarruf etmek için genellikle doğrusal veya radyal bir düzende düzenlenir. Alışılagelmiş doğrusal biçimde, bir SWER hattındaki tek noktalı bir arıza, hattın altındaki tüm müşterilerin güç kaybetmesine neden olur. Bununla birlikte, sahada daha az bileşene sahip olduğundan, SWER'in başarısız olma olasılığı daha azdır. Örneğin, yalnızca bir hat olduğundan, rüzgarlar hatların çarpışmasına neden olamaz, bir hasar kaynağının yanı sıra bir kırsal orman yangını kaynağını ortadan kaldırır.

İletim hattının büyük kısmı toprağa düşük dirençli bağlantılara sahip olduğundan, kısa devrelerden ve jeomanyetik fırtınalardan kaynaklanan aşırı toprak akımları, geleneksel metalik dönüş sistemlerinden daha nadirdir. Bu nedenle, SWER hizmeti kesintiye uğratmak için daha az topraklama hatası devre kesici açıklığına sahiptir.

Yükseltilebilirlik

İyi tasarlanmış bir SWER hattı, yeni direkler olmadan talep arttıkça önemli ölçüde yükseltilebilir. İlk adım, çelik teli daha pahalı bakır kaplı veya alüminyum kaplı çelik tel ile değiştirmek olabilir.

Voltajı artırmak mümkün olabilir. Bazı uzak SWER hatları artık 35 kV'a kadar yüksek voltajlarda çalışmaktadır. Normalde bu, yalıtkanların ve transformatörlerin değiştirilmesini gerektirir, ancak yeni kutuplara gerek yoktur.

Daha fazla kapasiteye ihtiyaç duyulursa, iki SWER hattını 180 derece faz dışı sağlamak için aynı direkler üzerinde ikinci bir SWER hattı çalıştırılabilir. Bu, daha fazla yalıtkan ve tel gerektirir, ancak kutupları iki katına çıkarmadan gücü iki katına çıkarır. Birçok standart SWER direği, bu yükseltmeyi desteklemek için birkaç cıvata deliğine sahiptir. Bu konfigürasyon, çoğu toprak akımının iptal olmasına neden olarak, şok tehlikelerini ve iletişim hatlarındaki paraziti azaltır.

İki kablolu yükseltme ile iki aşamalı servis de mümkündür: Daha az güvenilir olsa da daha verimlidir. Daha fazla güç gerektiğinde, hatlar, tek telli SWER'den iki telli, tek fazlı ve son olarak üç telli, üç fazlı olarak yüke uyacak şekilde yükseltilebilir. Bu, sermayenin daha verimli kullanılmasını sağlar ve ilk kurulumu daha ekonomik hale getirir.

Bu yükseltmelerden önce kurulan müşteri ekipmanlarının tümü tek aşamalı olacak ve yükseltmeden sonra yeniden kullanılabilir. Küçük miktarlarda üç fazlı güce ihtiyaç duyulursa, yerinde ekipmanla iki fazlı güçten ekonomik olarak sentezlenebilir.

Güç kalitesi zayıflığı

SWER hatları yüksek empedans ile uzun olma eğilimindedir, bu nedenle hat boyunca voltaj düşüşü genellikle bir problemdir ve yetersiz düzenlemeye neden olur. Talepteki değişiklikler, iletilen voltajda değişikliğe neden olur. Bununla mücadele etmek için, alınan voltajı yasal özelliklerde tutmak için bazı kurulumlarda müşteri sahasında otomatik değişken transformatörler bulunur.

Birkaç yıllık deneyimden sonra mucit , transformatörlerin, telin ve toprak dönüş yolunun endüktif reaktansına karşı koymak için ana izolasyon transformatörünün topraklaması ile seri olarak bir kondansatörü savundu . Plan, güç faktörünü iyileştirmek, kayıpları azaltmak ve reaktif güç akışı nedeniyle voltaj performansını iyileştirmekti . Teorik olarak sağlam olsa da, bu standart bir uygulama değildir. Aynı zamanda, meşru bir değişken yükü (örneğin) toprağa giden bir DC yolu olan düşmüş bir ağaçtan ayırt etmek için bir DC test döngüsünün kullanılmasına da izin verir.

Kullanmak

Yeni Zelanda ve Avustralya'ya ek olarak, dünya genelinde tek telli toprak dönüşü kullanılmaktadır.

Alaska

1981 yılında bir yüksek güçlü 8.5 mil prototip SWER hattı başarıyla yüklendiği dizel fabrikasında içinde Bethel için Napakiak içinde Alaska , Amerika Birleşik Devletleri . 80 kV'da çalışır ve orijinal olarak bir A-çerçevesi oluşturan özel hafif fiberglas direkler üzerine kurulmuştur . O zamandan beri, A çerçeveleri kaldırıldı ve standart ahşap elektrik direkleri kuruldu. A-çerçeveli direkler, hafif kar makinelerinde taşınabilir ve kapsamlı kazı yapmadan permafrost üzerine el aletleri ile kurulabilir . "Ankraj" direklerinin montajı hala ağır makine gerektiriyordu, ancak maliyet tasarrufları çarpıcıydı.

Araştırmacıları ve Alaska Fairbanks Üniversitesi , Amerika Birleşik Devletleri tahmini kıyı ile kombine tür hatların bir ağ, yani rüzgar türbinleri , esasen giderek pahalı üzerinde kırsal Alaska'nın bağımlılığını azaltabilecek dizel yakıt enerji üretimi için. Alaska'nın eyalet ekonomik enerji tarama araştırması, eyaletin yeterince kullanılmayan güç kaynaklarının daha fazlasını kullanmak için bu seçeneğin daha fazla araştırılmasını savundu.

Gelişmekte olan ülkelerde

Şu anda, bazı gelişmekte olan ülkeler , özellikle Laos , Güney Afrika ve Mozambik olmak üzere ana elektrik sistemleri olarak SWER sistemlerini benimsemiştir . SWER, Brezilya'da da yaygın olarak kullanılmaktadır.

HVDC sistemlerinde

Denizaltı güç kablolarını kullanan birçok yüksek voltajlı doğru akım sistemi (HVDC), tek telli toprak dönüş sistemleridir. Hem pozitif hem de negatif kablolara sahip bipolar sistemler, bir kutup arızalandığında kullanılan deniz suyu topraklama elektrotunu da tutabilir. Elektrokimyasal korozyonu önlemek için, bu tür sistemlerin toprak elektrotları, iletim kablosunun yakınında değil, dönüştürücü istasyonlarından ayrı olarak yerleştirilir.

Elektrotlar denizde veya karada bulunabilir. Katotlar için çıplak bakır teller, anotlar için toprağa gömülü grafit çubuklar veya denizdeki titanyum ızgaralar kullanılabilir. Elektrokimyasal korozyonu (ve titanyum yüzeylerin pasivasyonunu) önlemek için elektrotların yüzeyindeki akım yoğunluğunun küçük olması gerekir ve bu nedenle büyük elektrotlar gerekir.

Tek telli toprak dönüşlü HVDC sistemlerine örnek olarak Baltık Kablosu ve Kontek dahildir .

Referanslar

Dış bağlantılar