Eindrahtiger Erdungsrücklauf - Single-wire earth return

Dieser Artikel behandelt die Stromverteilung. Für die Verwendung der Telekommunikation siehe Erde-Rückkehr-Telegraph .

HGÜ SWER-Stromleitung in Cahora Bassa

Single-Wire Earth Return ( SWER ) oder Single-Wire Ground Return ist eine einadrige Übertragungsleitung, die kostengünstig einphasige elektrische Energie von einem Stromnetz in abgelegene Gebiete liefert . Sein Unterscheidungsmerkmal ist, dass die Erde (oder manchmal ein Gewässer) als Rückleitung für den Strom verwendet wird, um die Notwendigkeit eines zweiten Drahtes (oder Neutralleiters ) als Rückleitung zu vermeiden .

Die einadrige Erdungsrückführung wird hauptsächlich für die ländliche Elektrifizierung verwendet , findet aber auch Verwendung für größere isolierte Lasten wie Wasserpumpen. Es wird auch für Hochspannungs-Gleichstrom über Unterseestromkabel verwendet . Elektrische einphasige Bahntraktion, wie zum Beispiel Stadtbahnen , verwendet ein sehr ähnliches System. Es verwendet Erdungswiderstände, um Gefahren durch Schienenspannungen zu reduzieren, aber die primären Rückströme verlaufen durch die Schienen.

Geschichte

Lloyd Mandeno , OBE (1888–1973) entwickelte SWER um 1925 in Neuseeland für die ländliche Elektrifizierung. Obwohl er es "Earth Working Single Wire Line" nannte, wurde es oft "Mandenos Clothesline" genannt. In Australien und Neuseeland wurden inzwischen mehr als 200.000 Kilometer verbaut . Es gilt als sicher, zuverlässig und kostengünstig, vorausgesetzt, dass die Sicherheitseinrichtungen und die Erdung korrekt installiert sind. Die australischen Standards sind weit verbreitet und werden zitiert. Es wurde auf der ganzen Welt, wie zum Beispiel in der angewandten kanadischen Provinz von Saskatchewan ; Brasilien ; Afrika ; und Teile des oberen Mittleren Westens der Vereinigten Staaten und Alaskas ( Bethel ).

Funktionsprinzip

SWER ist eine praktikable Wahl für ein Verteilungssystem, wenn eine konventionelle Rückstromverkabelung mehr kosten würde als SWERs Trenntransformatoren und geringe Leistungsverluste. Energieingenieure, die sowohl mit SWER als auch mit konventionellen Stromleitungen Erfahrung haben, bewerten SWER als gleichermaßen sicher, zuverlässiger und kostengünstiger, aber mit etwas geringerer Effizienz als konventionelle Leitungen. SWER kann Brände verursachen, wenn die Wartung schlecht ist, und Buschfeuer ist ein Risiko.

Schema von SWER

Die Stromversorgung erfolgt durch eine an die Isolierung Swer Leitung zugeführt Transformator von bis zu 300 kVA . Dieser Transformator trennt das Netz von Erde oder Erde und ändert die Netzspannung (typischerweise 22 oder 33 kV Leiter-Erde) auf die SWER-Spannung (typischerweise 12,7 oder 19,1 kV Leiter-Erde).

Die SWER-Leitung ist ein einzelner Leiter , der sich über Dutzende oder sogar Hunderte von Kilometern erstrecken kann, mit einer Reihe von Verteiltransformatoren entlang seiner Länge. An jedem Transformator, beispielsweise beim Kunden, fließt Strom von der Leitung durch die Primärspule eines Abwärtstransformators zur Erde über einen Erdspieß. Vom Erdspieß findet der Strom schließlich seinen Weg zurück zum Hauptaufwärtstransformator am Kopf der Leitung und schließt den Stromkreis . SWER ist daher ein praktisches Beispiel für eine Phantomschleife .

In Gebieten mit hochbeständigem Boden verschwendet der Widerstand Energie. Ein weiteres Problem besteht darin, dass der Widerstand so hoch sein kann, dass nicht genügend Strom in den Erdnullpunkt fließt, wodurch der Erdungsstab zu höheren Spannungen schwebt. Selbstrückstellende Leistungsschalter werden normalerweise aufgrund einer Spannungsdifferenz zwischen Leitung und Neutralleiter zurückgesetzt. Daher kann bei trockenen, hochohmigen Böden der verringerte Spannungsunterschied zwischen Leitung und Neutralleiter ein Zurücksetzen der Leistungsschalter verhindern. In Australien müssen die Erdungsstäbe an Standorten mit sehr trockenen Böden extra tief sein. Die Erfahrung in Alaska zeigt, dass SWER unter Permafrost geerdet werden muss , was sehr widerstandsfähig ist.

Die Sekundärwicklung des lokalen Transformators versorgt den Kunden entweder mit einpoligem einphasigem (N-0) oder geteiltem Strom (N-0-N) in den Standardgerätespannungen der Region, wobei die 0-Volt-Leitung an eine Sicherheitsleitung angeschlossen ist Erde, die normalerweise keinen Betriebsstrom führt.

Eine große SWER-Leitung kann bis zu 80 Verteiltransformatoren speisen. Die Transformatoren haben normalerweise eine Nennleistung von 5 kVA, 10 kVA und 25 kVA. Die Lastdichten liegen in der Regel unter 0,5 kVA pro Kilometer (0,8 kVA pro Meile) Leitung. Der maximale Bedarf eines einzelnen Kunden beträgt normalerweise weniger als 3,5 kVA, aber es können auch größere Lasten bis zur Kapazität des Verteiltransformators geliefert werden.

Einige SWER-Systeme in den USA sind konventionelle Verteilereinspeisungen, die ohne durchgehenden Neutralleiter gebaut wurden (einige davon waren veraltete Übertragungsleitungen, die für den ländlichen Verteilerdienst umgerüstet wurden). Das Umspannwerk, das solche Leitungen speist, hat an jedem Pol innerhalb des Umspannwerks einen Erdungsstab; dann würde an jedem Abzweig der Leitung die Spanne zwischen dem benachbarten Pol und dem den Transformator tragenden Pol einen geerdeten Leiter haben (wobei jeder Transformator aus Sicherheitsgründen zwei Erdungspunkte erhält).

Mechanische Konstruktion

Die richtige mechanische Konstruktion einer SWER-Leitung kann ihre Lebensdauerkosten senken und ihre Sicherheit erhöhen.

Da es sich bei der Leitung um eine Hochspannungsleitung mit kleinen Strömen handelt, wurde in den historischen SWER-Leitungen als Leiter Nr. 8 verzinkter Stahlzaundraht verwendet. Modernere Installationen verwenden speziell entwickelte , aluminiumummantelte Drähte aus AS1222.1 -Kohlenstoffstahl . Aluminiumplattierte Drähte korrodieren in Küstengebieten, sind aber ansonsten besser geeignet. Aufgrund der großen Spannweiten und hohen mechanischen Spannungen können Windschwingungen zu Schäden an den Drähten führen. Moderne Systeme installieren spiralförmige Schwingungsdämpfer an den Drähten.

Isolatoren bestehen oft aus Porzellan, da Polymere anfällig für UV- Schäden sind. Einige Versorgungsunternehmen installieren Hochspannungsisolatoren, damit die Leitung leicht aufgerüstet werden kann, um mehr Leistung zu übertragen. Beispielsweise können 12-kV-Leitungen auf 22 kV oder 19-kV-Leitungen auf 33 kV isoliert werden.

In SWER-Linien wurden traditionell Stahlbetonmasten wegen ihrer geringen Kosten, geringen Wartung und Beständigkeit gegen Wasserschäden, Termiten und Pilze verwendet . Lokale Arbeitskräfte können sie in den meisten Gebieten produzieren, was die Kosten weiter senkt. In Neuseeland sind Metallmasten üblich (häufig ehemalige Schienen einer Eisenbahnlinie). Holzstangen sind akzeptabel. In Mosambik mussten die Masten mindestens 12 m (39 ft) hoch sein, um den Giraffen einen sicheren Durchgang unter den Leinen zu ermöglichen.

Wenn ein Bereich blitzgefährdet ist, platzieren moderne Designs beim Bau vor dem Aufstellen Blitzerdungsbänder in den Masten. Die Bänder und die Verkabelung können als kostengünstiger Blitzableiter mit abgerundeten Kanten angeordnet werden, um das Anziehen eines Blitzeinschlags zu vermeiden.

Eigenschaften

Sicherheit

SWER wird aufgrund der Isolierung der Erde sowohl vom Generator als auch vom Benutzer als sicher beworben. Die meisten anderen elektrischen Systeme verwenden einen metallischen Neutralleiter, der direkt mit dem Generator oder einer gemeinsamen Masse verbunden ist.

Die Erdung ist kritisch. Bedeutende Ströme in der Größenordnung von 8  Ampere fließen durch den Boden in der Nähe der Erdungspunkte. Eine Erdverbindung von guter Qualität ist erforderlich, um die Gefahr eines Stromschlags aufgrund eines Anstiegs des Erdpotentials in der Nähe dieses Punktes zu vermeiden . Es werden auch getrennte Gründe für Strom und Sicherheit verwendet. Das Duplizieren der Erdungspunkte stellt sicher, dass das System noch sicher ist, wenn einer der Erdungspunkte beschädigt ist.

Eine gute Erdverbindung besteht normalerweise aus einem 6 m langen Pfahl aus kupferbeschichtetem Stahl, der vertikal in den Boden getrieben und mit der Transformatorerde und dem Tank verbunden wird. Ein guter Erdungswiderstand beträgt 5–10 Ohm, der mit speziellen Erdungsprüfgeräten gemessen werden kann. SWER-Systeme sind so konzipiert, dass sie das elektrische Feld in der Erde auf 20 Volt pro Meter begrenzen, um zu vermeiden, dass Menschen und Tiere, die sich in der Nähe befinden, geschockt werden.

Zu den weiteren Standardmerkmalen gehören automatische Wiedereinschalt-Leistungsschalter ( Recloser ). Die meisten Fehler (Überstrom) sind vorübergehend. Da es sich um ein ländliches Netz handelt, werden die meisten dieser Fehler durch den Wiedereinschalter behoben. Jeder Servicestandort benötigt eine wiederverdrahtbare Drop-Out-Sicherung zum Schutz und Schalten des Transformators. Die Sekundärwicklung des Transformators sollte auch durch eine Standardsicherung mit hoher Bruchkapazität (HRC) oder einen Niederspannungs-Leistungsschalter geschützt werden. Ein Überspannungsableiter (Funkenstrecke) auf der Hochspannungsseite ist insbesondere in blitzgefährdeten Bereichen üblich.

Die meisten Brandsicherheitsgefahren in der elektrischen Verteilung gehen von alternden Geräten aus: korrodierte Leitungen, defekte Isolatoren usw. Die geringeren Kosten für die SWER-Wartung können in diesen Fällen die Kosten für einen sicheren Betrieb senken.

SWER vermeidet das Zusammenstoßen von Leitungen im Wind, ein wesentliches Brandschutzmerkmal, aber ein Problem, das bei der offiziellen Untersuchung der Buschbrände am Schwarzen Samstag in Victoria, Australien, aufgetaucht ist . Diese zeigten, dass ein unterbrochener SWER-Leiter über einen Widerstand, der der normalen Last des Stromkreises ähnlich ist, mit Masse kurzschließen kann; in diesem speziellen Fall ein Baum. Dies kann zu großen Strömen ohne Erdschlussanzeige führen. Dies kann in feuergefährdeten Bereichen eine Gefahr darstellen, in denen ein Leiter reißen und Strom durch Bäume oder trockenes Gras schlagen kann.

Blankdraht- oder Erdungsrückleitungs-Telekommunikation kann durch den Erdungsrückstrom beeinträchtigt werden, wenn der Erdungsbereich näher als 100 m ist oder mehr als 10 A Strom absenkt. Moderne Funk-, Glasfaser- und Mobilfunksysteme sind davon nicht betroffen.

Viele nationale elektrische Vorschriften (insbesondere die USA) erfordern eine metallische Rückleitung von der Last zum Generator. In diesen Rechtsordnungen muss jede SWER-Linie ausnahmsweise genehmigt werden.

Kostenvorteile

Der Hauptvorteil von SWER sind die geringen Kosten. Es wird häufig in dünn besiedelten Gebieten verwendet, in denen die Kosten für den Bau einer isolierten Verteilungsleitung nicht gerechtfertigt sind. Die Investitionskosten betragen etwa 50 % einer gleichwertigen zweiadrigen Einphasenleitung. Sie können 30 % von 3-Leiter-Drehstromsystemen kosten. Die Wartungskosten betragen etwa 50 % einer gleichwertigen Linie.

SWER reduziert auch die größten Kosten eines Verteilernetzes: die Anzahl der Pole. Herkömmliche 2-Draht- oder 3-Draht-Verteilerleitungen haben eine höhere Stromübertragungskapazität, können aber 7 Pole pro Kilometer mit Spannweiten von 100 bis 150 Metern benötigen. Die hohe Netzspannung und der niedrige Strom von SWER ermöglichen auch den Einsatz von kostengünstigem verzinktem Stahldraht (historisch Nr. 8 Zaundraht). Die höhere Festigkeit von Stahl ermöglicht Spannweiten von 400 Metern oder mehr, wodurch die Anzahl der Masten auf 2,5 pro Kilometer reduziert wird.

Wenn die Masten auch Glasfaserkabel für die Telekommunikation tragen (metallische Leiter dürfen nicht verwendet werden), können die Investitionen des Energieversorgungsunternehmens weiter reduziert werden.

Zuverlässigkeit

SWER kann in einem Raster oder einer Schleife verwendet werden, wird jedoch normalerweise in einer linearen oder radialen Anordnung angeordnet, um Kosten zu sparen. In der üblichen linearen Form führt ein Single-Point-Failure in einer SWER-Leitung zu einem Leistungsverlust aller weiter unten liegenden Kunden. Da es jedoch weniger Komponenten im Feld hat, muss SWER weniger ausfallen. Da es zum Beispiel nur eine Linie gibt, können Winde nicht dazu führen, dass Linien kollidieren und eine Schadensquelle sowie eine Quelle für Buschfeuer in ländlichen Gebieten beseitigt werden.

Da der Großteil der Übertragungsleitung mit der Erde mit geringem Widerstand verbunden ist, sind übermäßige Erdströme durch Kurzschlüsse und geomagnetische Stürme seltener als bei herkömmlichen Metallrückführungssystemen. SWER hat also weniger Fehlerstromschutzschalter-Öffnungen, um den Betrieb zu unterbrechen.

Erweiterbarkeit

Eine gut durchdachte SWER-Linie kann bei wachsender Nachfrage ohne neue Masten erheblich verbessert werden. Der erste Schritt kann darin bestehen, den Stahldraht durch teureren kupfer- oder aluminiumkaschierten Stahldraht zu ersetzen.

Eventuell kann die Spannung erhöht werden. Einige entfernte SWER-Leitungen arbeiten jetzt mit Spannungen bis zu 35 kV. Normalerweise erfordert dies einen Austausch der Isolatoren und Transformatoren, aber es werden keine neuen Pole benötigt.

Wenn mehr Kapazität benötigt wird, kann eine zweite SWER-Leitung an denselben Polen betrieben werden, um zwei SWER-Leitungen um 180 Grad phasenverschoben bereitzustellen. Dies erfordert mehr Isolatoren und Drähte, verdoppelt jedoch die Leistung, ohne die Pole zu verdoppeln. Viele Standard-SWER-Stöcke haben mehrere Schraubenlöcher, um dieses Upgrade zu unterstützen. Diese Konfiguration bewirkt, dass sich die meisten Erdströme aufheben, wodurch die Gefahr von Stromschlägen und Interferenzen mit Kommunikationsleitungen reduziert werden.

Auch ein Zwei-Phasen- Service ist mit einem Zweidraht-Upgrade möglich: Weniger zuverlässig, dafür aber effizienter. Wenn mehr Leistung benötigt wird, können die Leitungen entsprechend der Last aufgerüstet werden, von eindrahtiger SWER zu zweidrahtiger einphasiger und schließlich zu dreidrahtiger dreiphasiger. Das sorgt für einen effizienteren Kapitaleinsatz und macht die Erstinstallation günstiger.

Die Geräte des Kunden, die vor diesen Upgrades installiert wurden, sind alle einphasig und können nach dem Upgrade wiederverwendet werden. Wenn kleine Mengen an Drehstrom benötigt werden, kann dieser mit Vor-Ort-Geräten wirtschaftlich aus zweiphasigem Strom synthetisiert werden.

Netzqualitätsschwäche

SWER-Leitungen sind in der Regel lang und hochohmig, sodass der Spannungsabfall entlang der Leitung oft ein Problem darstellt und eine schlechte Regelung verursacht. Nachfrageschwankungen verursachen Schwankungen in der gelieferten Spannung. Um dem entgegenzuwirken, verfügen einige Installationen beim Kunden über automatische Stelltransformatoren, um die empfangene Spannung innerhalb der gesetzlichen Vorschriften zu halten.

Nach einigen Jahren Erfahrung schlug der Erfinder einen Kondensator in Reihe mit der Masse des Haupttrenntransformators vor, um der induktiven Reaktanz der Transformatoren, des Drahtes und des Erdungsrückweges entgegenzuwirken. Der Plan war, den Leistungsfaktor zu verbessern , Verluste zu reduzieren und die Spannungsleistung aufgrund des Blindleistungsflusses zu verbessern. Obwohl dies theoretisch fundiert ist, ist dies keine gängige Praxis. Es ermöglicht auch die Verwendung einer DC-Testschleife, um eine legitime variable Last von (zum Beispiel) einem umgestürzten Baum zu unterscheiden, der ein DC-Pfad zur Erde wäre.

Verwenden

Außer in Neuseeland und Australien wird weltweit ein einadriges Erdungskabel verwendet.

Alaska

Im Jahr 1981 wurde eine High-Power 8,5 Meile Prototyp Swer Linie erfolgreich von einem installierten Dieselwerk in Bethel zu Napakiak in Alaska , USA . Es arbeitet mit 80 kV und wurde ursprünglich auf speziellen leichten Glasfasermasten installiert , die einen A-Rahmen bildeten . Seitdem wurden die A-Rahmen entfernt und Standard- Holzstrommasten installiert. Die Stangen mit A-Rahmen konnten auf leichten Schneemaschinen getragen und mit Handwerkzeugen auf Permafrost ohne umfangreiches Graben installiert werden . Das Errichten von "Verankerungsmasten" erforderte immer noch schwere Maschinen, aber die Kosteneinsparungen waren dramatisch.

Forscher der University of Alaska Fairbanks in den Vereinigten Staaten schätzen, dass ein Netz solcher Leitungen in Kombination mit Windturbinen an der Küste die Abhängigkeit des ländlichen Alaskas von immer teurer werdendem Dieselkraftstoff zur Stromerzeugung erheblich reduzieren könnte . Alaskas staatliche wirtschaftliche Energie-Screening-Umfrage befürwortete eine weitere Untersuchung dieser Option, um mehr der nicht ausgelasteten Energiequellen des Staates zu nutzen.

In Entwicklungsländern

Derzeit haben bestimmte Entwicklungsländer angenommen Swer Systeme als ihre Stromnetz - Systeme, insbesondere Laos , Südafrika und Mosambik . SWER wird auch in Brasilien ausgiebig verwendet.

In HGÜ-Systemen

Viele Hochspannungs-Gleichstrom- Systeme (HGÜ), die Unterseestromkabel verwenden, sind einadrige Erdungsrückführungssysteme. Bipolare Systeme mit sowohl positiven als auch negativen Kabeln können auch eine Meerwasser-Erdungselektrode enthalten, die verwendet wird, wenn ein Pol ausgefallen ist. Um elektrochemische Korrosion zu vermeiden, befinden sich die Erdungselektroden solcher Anlagen abseits der Konverterstationen und nicht in der Nähe des Übertragungskabels.

Die Elektroden können sich im Meer oder an Land befinden. Als Kathoden können blanke Kupferdrähte verwendet werden, als Anoden werden im Boden vergrabene Graphitstäbe oder im Meer liegende Titangitter verwendet. Um elektrochemische Korrosion (und Passivierung von Titanoberflächen) zu vermeiden, muss die Stromdichte an der Oberfläche der Elektroden klein sein und daher sind große Elektroden erforderlich.

Beispiele für HGÜ-Systeme mit einadrigem Erdungsrückleiter sind Baltic Cable und Kontek .

Verweise

Externe Links