Retorno à terra monofilar - Single-wire earth return

Linha eléctrica HVDC SWER em Cahora Bassa

O retorno à terra de fio único ( SWER ) ou retorno à terra de fio único é uma linha de transmissão de fio único que fornece energia elétrica monofásica de uma rede elétrica para áreas remotas a baixo custo. Sua característica distintiva é que a terra (ou às vezes um corpo d'água) é usada como caminho de retorno da corrente, para evitar a necessidade de um segundo fio (ou fio neutro ) para atuar como caminho de retorno.

O retorno à terra de fio único é usado principalmente para eletrificação rural , mas também pode ser usado para cargas isoladas maiores, como bombas de água. Também é usado para corrente contínua de alta tensão em cabos de alimentação submarinos . A tração ferroviária monofásica elétrica, como o metrô de superfície , usa um sistema muito semelhante. Ele usa resistores para aterrar para reduzir os riscos das tensões dos trilhos, mas as correntes de retorno primárias são através dos trilhos.

História

Lloyd Mandeno , OBE (1888–1973) desenvolveu totalmente o SWER na Nova Zelândia por volta de 1925 para eletrificação rural. Embora ele tenha denominado "Earth Working Single Wire Line", era frequentemente chamado de "Mandeno's Clothesline". Mais de 200.000 quilômetros já foram instalados na Austrália e na Nova Zelândia. É considerado seguro, confiável e de baixo custo, desde que os dispositivos de segurança e o aterramento estejam corretamente instalados. Os padrões australianos são amplamente usados ​​e citados. Ele tem sido aplicado em todo o mundo, como na província canadense de Saskatchewan ; Brasil ; África ; e porções do Upper Midwest e Alaska dos Estados Unidos ( Bethel ).

Princípio de operação

SWER é uma escolha viável para um sistema de distribuição quando a fiação de corrente de retorno convencional custaria mais do que os transformadores de isolamento SWER e pequenas perdas de energia. Engenheiros de energia experientes com SWER e linhas de energia convencionais classificam o SWER como igualmente seguro, mais confiável, menos caro, mas com eficiência um pouco menor do que as linhas convencionais. SWER pode causar incêndios quando a manutenção é deficiente e incêndios florestais são um risco.

Esquema de SWER

A alimentação é fornecida à linha SWER por um transformador isolante de até 300 kVA . Este transformador isola a rede do solo ou terra e muda a tensão da rede (normalmente 22 ou 33 kV linha a linha) para a tensão SWER (normalmente 12,7 ou 19,1 kV linha à terra).

A linha SWER é um condutor único que pode se estender por dezenas ou até centenas de quilômetros, com diversos transformadores de distribuição ao longo de seu comprimento. Em cada transformador, como nas instalações do cliente, a corrente flui da linha, através da bobina primária de um transformador de isolamento abaixador, para o aterramento por meio de uma estaca de aterramento. Da estaca de aterramento, a corrente finalmente encontra seu caminho de volta para o transformador elevador principal no início da linha, completando o circuito . SWER é, portanto, um exemplo prático de um loop fantasma .

Em áreas com solo de alta resistência, a resistência desperdiça energia. Outro problema é que a resistência pode ser alta o suficiente para que uma corrente insuficiente flua para o neutro da terra, fazendo com que a haste de aterramento flutue para tensões mais altas. Os disjuntores com reinicialização automática geralmente são reiniciados devido à diferença de tensão entre a linha e o neutro. Portanto, com solos secos e de alta resistência, a diferença reduzida na tensão entre a linha e o neutro pode impedir que os disjuntores sejam reiniciados. Na Austrália, locais com solos muito secos precisam que as hastes de aterramento sejam muito profundas. A experiência no Alasca mostra que o SWER precisa ser aterrado abaixo do permafrost , que é de alta resistência.

O enrolamento secundário do transformador local fornecerá ao cliente energia monofásica de terminação única (N-0) ou fase dividida (N-0-N) nas tensões de aparelho padrão da região, com a linha de 0 volt conectada a um dispositivo de segurança terra que normalmente não conduz uma corrente operacional.

Uma grande linha SWER pode alimentar até 80 transformadores de distribuição. Os transformadores são normalmente classificados em 5 kVA, 10 kVA e 25 kVA. As densidades de carga são geralmente abaixo de 0,5 kVA por quilômetro (0,8 kVA por milha) de linha. A demanda máxima de qualquer cliente será normalmente inferior a 3,5 kVA, mas cargas maiores até a capacidade do transformador de distribuição também podem ser fornecidas.

Alguns sistemas SWER nos EUA são alimentadores de distribuição convencionais que foram construídos sem um neutro contínuo (alguns dos quais eram linhas de transmissão obsoletas que foram reformadas para o serviço de distribuição rural). A subestação que alimenta essas linhas tem uma haste de aterramento em cada poste dentro da subestação; então, em cada ramal da linha, o vão entre o pólo próximo e o pólo que carrega o transformador teria um condutor aterrado (dando a cada transformador dois pontos de aterramento por razões de segurança).

Design mecânico

O projeto mecânico adequado de uma linha SWER pode reduzir seu custo de vida útil e aumentar sua segurança.

Como a linha é de alta tensão, com pequenas correntes, o condutor usado nas linhas SWER históricas foi o fio de cerca de aço galvanizado Número 8 . Instalações mais modernas usam fios de aço revestido de alumínio AS1222.1 especialmente projetados . Os fios revestidos de alumínio corroem em áreas costeiras, mas são mais adequados. Por causa dos longos vãos e altas tensões mecânicas, a vibração do vento pode causar danos aos fios. Os sistemas modernos instalam amortecedores de vibração em espiral nos fios.

Os isoladores geralmente são de porcelana porque os polímeros são propensos a danos ultravioleta . Algumas concessionárias instalam isoladores de alta tensão para que a linha possa ser facilmente atualizada para transportar mais energia. Por exemplo, as linhas de 12 kV podem ser isoladas a 22 kV ou as linhas de 19 kV a 33 kV.

Os postes de concreto armado têm sido tradicionalmente utilizados nas linhas SWER devido ao seu baixo custo, baixa manutenção e resistência a danos por água, cupins e fungos . A mão de obra local pode produzi-los na maioria das áreas, reduzindo ainda mais os custos. Na Nova Zelândia, postes de metal são comuns (muitas vezes sendo antigos trilhos de uma linha férrea). Postes de madeira são aceitáveis. Em Moçambique, os postes deviam ter pelo menos 12 m (39 pés) de altura para permitir a passagem segura das girafas por baixo das linhas.

Se uma área está sujeita a raios, os designs modernos colocam tiras de aterramento nos postes quando são construídos, antes da montagem. As tiras e a fiação podem ser dispostas para ser um pára-raios de baixo custo com bordas arredondadas para evitar atrair um raio.

Características

Segurança

SWER é promovido como seguro devido ao isolamento do solo do gerador e do usuário. A maioria dos outros sistemas elétricos usa um neutro metálico conectado diretamente ao gerador ou um aterramento compartilhado.

O aterramento é fundamental. Correntes significativas da ordem de 8  amperes fluem pelo solo perto dos pontos de aterramento. Uma conexão de aterramento de boa qualidade é necessária para evitar o risco de choque elétrico devido ao aumento do potencial de aterramento próximo a este ponto. Também são usados ​​aterramentos separados para alimentação e segurança. A duplicação dos pontos de aterramento garante que o sistema ainda esteja seguro se algum dos aterramentos for danificado.

Uma boa conexão de aterramento é normalmente uma estaca de aço revestida de cobre de 6 m inserida verticalmente no solo e ligada ao terra e ao tanque do transformador. Uma boa resistência de aterramento é de 5–10 ohms, que pode ser medida usando um equipamento de teste de aterramento especializado. Os sistemas SWER são projetados para limitar o campo elétrico na terra a 20 volts por metro para evitar choques em pessoas e animais que possam estar na área.

Outros recursos padrão incluem disjuntores de religamento automático ( religadores ). A maioria das falhas (sobrecorrente) são transitórias. Como a rede é rural, a maioria dessas faltas será eliminada pelo religador. Cada local de serviço precisa de um fusível de queda reutilizável para proteção e comutação do transformador. O transformador secundário também deve ser protegido por um fusível padrão de alta capacidade de ruptura (HRC) ou disjuntor de baixa tensão. Um pára-raios (centelha) no lado da alta tensão é comum, especialmente em áreas sujeitas a raios.

A maioria dos riscos de segurança contra incêndio na distribuição elétrica são decorrentes do envelhecimento de equipamentos: linhas corroídas, isoladores quebrados, etc. O custo mais baixo de manutenção SWER pode reduzir o custo de operação segura nesses casos.

A SWER evita linhas em choque com o vento, um recurso de segurança contra incêndio substancial, mas um problema surgiu na investigação oficial dos incêndios florestais do Black Saturday em Victoria, Austrália . Eles demonstraram que um condutor SWER quebrado pode entrar em curto com o aterramento através de uma resistência semelhante à carga normal do circuito; nesse caso particular, uma árvore. Isso pode causar grandes correntes sem uma indicação de falta à terra. Isso pode representar um perigo em áreas propensas a incêndios, onde um condutor pode quebrar e a corrente pode passar por árvores ou grama seca.

As telecomunicações de fio desencapado ou de retorno à terra podem ser comprometidas pela corrente de retorno à terra se a área de aterramento estiver mais próxima do que 100 m ou absorver mais do que 10 A de corrente. O rádio moderno, os canais de fibra ótica e os sistemas de telefonia celular não são afetados.

Muitos regulamentos elétricos nacionais (principalmente os EUA) exigem uma linha de retorno metálica da carga ao gerador. Nessas jurisdições, cada linha SWER deve ser aprovada por exceção.

Vantagens de custo

A principal vantagem do SWER é o seu baixo custo. É freqüentemente usado em áreas com baixa densidade populacional, onde o custo de construção de uma linha de distribuição isolada não pode ser justificado. Os custos de capital são aproximadamente 50% de uma linha monofásica de dois fios equivalente. Eles podem custar 30% dos sistemas trifásicos de 3 fios. Os custos de manutenção são cerca de 50% de uma linha equivalente.

O SWER também reduz o maior custo de uma rede de distribuição: o número de postes. As linhas convencionais de distribuição de 2 ou 3 fios têm maior capacidade de transferência de energia, mas podem exigir 7 postes por quilômetro, com vãos de 100 a 150 metros. Tensão de linha de alta do SWER e baixa corrente também permite o uso de baixo custo do aço galvanizado fio (historicamente, No. 8 cerca de arame). A maior resistência do aço permite vãos de 400 metros ou mais, reduzindo o número de postes para 2,5 por quilômetro.

Se os postes também contiverem cabo de fibra óptica para telecomunicações (condutores de metal não podem ser usados), as despesas de capital da companhia de energia podem ser reduzidas ainda mais.

Confiabilidade

SWER pode ser usado em uma grade ou loop, mas geralmente é organizado em um layout linear ou radial para economizar custos. Na forma linear usual, uma falha de ponto único em uma linha SWER faz com que todos os clientes mais abaixo na linha percam energia. No entanto, como tem menos componentes em campo, o SWER tem menos chances de falhar. Por exemplo, como há apenas uma linha, os ventos não podem causar o choque das linhas, removendo uma fonte de danos, bem como uma fonte de incêndios florestais rurais.

Como a maior parte da linha de transmissão tem conexões de baixa resistência à terra, correntes de terra excessivas de curtos e tempestades geomagnéticas são mais raras do que nos sistemas convencionais de retorno metálico. Portanto, o SWER tem menos aberturas de disjuntor de falha de aterramento para interromper o serviço.

Capacidade de atualização

Uma linha SWER bem projetada pode ser substancialmente atualizada conforme a demanda cresce, sem novos postes. O primeiro passo pode ser substituir o fio de aço por um fio de aço revestido de cobre ou alumínio, mais caro.

Pode ser possível aumentar a tensão. Algumas linhas SWER distantes agora operam em tensões de até 35 kV. Normalmente, isso requer a troca de isoladores e transformadores, mas não são necessários novos pólos.

Se for necessária mais capacidade, uma segunda linha SWER pode ser executada nos mesmos pólos para fornecer duas linhas SWER 180 graus fora de fase. Isso requer mais isoladores e fios, mas dobra a potência sem dobrar os pólos. Muitos pólos SWER padrão têm vários orifícios para parafusos para apoiar esta atualização. Essa configuração faz com que a maioria das correntes de terra sejam canceladas, reduzindo os riscos de choque e interferência nas linhas de comunicação.

O serviço de duas fases também é possível com uma atualização de dois fios: embora menos confiável, é mais eficiente. À medida que mais energia é necessária, as linhas podem ser atualizadas para corresponder à carga, de um fio SWER para dois fios, monofásico e, finalmente, para três fios, trifásico. Isso garante um uso mais eficiente do capital e torna a instalação inicial mais acessível.

Os equipamentos do cliente instalados antes dessas atualizações serão todos monofásicos e podem ser reutilizados após a atualização. Se pequenas quantidades de energia trifásica forem necessárias, ela pode ser sintetizada economicamente a partir da energia bifásica com equipamento no local.

Fraqueza de qualidade de energia

As linhas SWER tendem a ser longas, com alta impedância, de modo que a queda de tensão ao longo da linha costuma ser um problema, causando má regulação. Variações na demanda causam variação na tensão fornecida. Para combater isso, algumas instalações possuem transformadores variáveis ​​automáticos no local do cliente para manter a tensão recebida dentro das especificações legais.

Após alguns anos de experiência, o inventor defendeu um capacitor em série com o aterramento do transformador de isolamento principal para neutralizar a reatância indutiva dos transformadores, fio e caminho de retorno à terra. O plano era melhorar o fator de potência , reduzir as perdas e melhorar o desempenho da tensão devido ao fluxo de potência reativa . Embora teoricamente correto, esta não é uma prática padrão. Também permite o uso de um loop de teste DC, para distinguir uma carga variável legítima de (por exemplo) uma árvore caída, que seria um caminho DC para o solo.

Usar

Além da Nova Zelândia e da Austrália, o retorno à terra de fio único é usado em todo o mundo.

Alasca

Em 1981, um protótipo de linha SWER de alta potência de 8,5 milhas foi instalado com sucesso de uma fábrica a diesel em Bethel para Napakiak no Alasca , Estados Unidos . Ele opera a 80 kV, e foi originalmente instalado no especiais leves de fibra de vidro pólos que formaram um A-frame . Desde então, as molduras A foram removidas e postes de energia de madeira padrão foram instalados. Os postes com estrutura A podiam ser carregados em máquinas leves para neve e instalados com ferramentas manuais no permafrost sem escavação extensa. A montagem de postes de "ancoragem" ainda exigia maquinário pesado, mas a economia de custos era dramática.

Pesquisadores da University of Alaska Fairbanks , nos Estados Unidos, estimam que uma rede dessas linhas, combinada com turbinas eólicas costeiras , poderia reduzir substancialmente a dependência rural do Alasca do combustível diesel cada vez mais caro para geração de energia. A pesquisa de triagem de energia econômica do estado do Alasca defendeu um estudo mais aprofundado desta opção para usar mais fontes de energia subutilizadas do estado.

Em nações em desenvolvimento

Atualmente, certas nações em desenvolvimento adotaram sistemas SWER como seus principais sistemas de eletricidade , notadamente Laos , África do Sul e Moçambique . SWER também é amplamente utilizado no Brasil.

Em sistemas HVDC

Muitos sistemas de corrente contínua de alta tensão (HVDC) que usam cabos de alimentação submarinos são sistemas de retorno de aterramento de fio único. Os sistemas bipolares com cabos positivos e negativos também podem reter um eletrodo de aterramento de água do mar, usado quando um pólo falha. Para evitar corrosão eletroquímica, os eletrodos de aterramento de tais sistemas estão situados longe das estações conversoras e não perto do cabo de transmissão.

Os eletrodos podem ser colocados no mar ou em terra. Fios de cobre descobertos podem ser usados ​​para cátodos e hastes de grafite enterradas no solo ou grades de titânio no mar são usadas para ânodos. Para evitar corrosão eletroquímica (e passivação de superfícies de titânio), a densidade de corrente na superfície dos eletrodos deve ser pequena e, portanto, eletrodos grandes são necessários.

Exemplos de sistemas HVDC com retorno à terra de um único fio incluem o Cabo Báltico e o Kontek .

Referências

links externos