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Retorno a tierra de un solo cable

Línea eléctrica HVDC SWER en Cahora Bassa (Mozambique / Sudáfrica) La línea de retorno a tierra monofásica ( SWER , por sus siglas en inglés ) es una línea de transmisión monofá...

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Línea eléctrica HVDC SWER en Cahora Bassa (Mozambique / Sudáfrica)

La línea de retorno a tierra monofásica ( SWER , por sus siglas en inglés ) es una línea de transmisión monofásica que suministra energía eléctrica monofásica desde la red eléctrica a zonas remotas al menor coste posible. La tierra (o a veces una masa de agua) se utiliza como vía de retorno de la corriente, evitando así la necesidad de un segundo conductor ( neutro ) para dicha vía.

El retorno a tierra de un solo hilo se utiliza principalmente para la electrificación rural , pero también para cargas aisladas de mayor tamaño, como bombas de agua. Asimismo, se emplea para la transmisión de corriente continua de alta tensión a través de cables submarinos . La tracción eléctrica monofásica ferroviaria, como el tren ligero , utiliza un sistema muy similar. Emplea resistencias a tierra para reducir los riesgos derivados de las tensiones en los raíles, pero las corrientes de retorno primarias circulan por los raíles. [ 1 ]

Historia

Los circuitos telegráficos de la década de 1840 utilizaban un solo cable en los postes de cada circuito, conectado a tierra para formar un circuito cerrado. Los primeros circuitos telefónicos también eran desequilibrados, pero posteriormente se adaptaron a dos cables por circuito para formar un sistema de línea equilibrada, menos afectado por las interferencias electromagnéticas.

En 1897, Nikola Tesla patentó un sistema de transmisión y distribución de corriente alterna de alto voltaje que utilizaba un solo cable y electrodos de tierra. Desde la década de 1890 hasta principios de la de 1900, varias compañías eléctricas utilizaron la conexión a tierra en lugar del cable neutro para ahorrar cobre y aluminio.

Lloyd Mandeno , OBE (1888 – 1973) desarrolló completamente SWER en Nueva Zelanda alrededor de 1925 para la electrificación rural. Aunque lo denominó "Earth Working Single Wire Line" (Línea de un solo cable con conexión a tierra), a menudo se le llamaba "Mandeno's Clothesline" (Tendedero de ropa de Mandeno). [ 2 ] Se han instalado más de 200 000 kilómetros (100 000 millas) en Australia y Nueva Zelanda. Se considera seguro, fiable y de bajo coste, siempre que las medidas de seguridad y la puesta a tierra estén correctamente instaladas. Las normas australianas son ampliamente utilizadas y citadas. Se ha aplicado en todo el mundo, como en la provincia canadiense de Saskatchewan ; Brasil ; África ; y partes del Alto Medio Oeste de los Estados Unidos y Alaska ( Bethel ).

Principio de funcionamiento

SWER es una opción viable para un sistema de distribución cuando el cableado convencional de retorno de corriente costaría más que los transformadores de aislamiento de SWER y las pequeñas pérdidas de potencia. Los ingenieros eléctricos con experiencia tanto en SWER como en líneas eléctricas convencionales consideran que SWER es igual de seguro, más fiable y menos costoso, aunque con una eficiencia ligeramente inferior a la de las líneas convencionales. [ 3 ] SWER puede provocar incendios si el mantenimiento es deficiente, y existe riesgo de incendios forestales. [ 4 ]

Esquema de SWER. La energía fluye desde la fuente a la izquierda hasta el destino a la derecha.

La alimentación eléctrica a la línea SWER se suministra mediante un transformador de aislamiento de hasta 300 kVA . Este transformador aísla la red de tierra. La tensión varía debido a la transición de línea a línea a línea-tierra, reduciendo normalmente una red de 22 kV a 12,7 kV SWER o una red de 33 kV a 19,1 kV SWER.     

La línea SWER es un conductor único que puede extenderse por decenas o incluso cientos de kilómetros (millas), con varios transformadores de distribución a lo largo de su longitud. En cada transformador, como por ejemplo en las instalaciones de un cliente, la corriente fluye desde la línea, a través de la bobina primaria de un transformador de aislamiento reductor, hasta tierra a través de una pica de tierra. Desde la pica de tierra, la corriente finalmente regresa al transformador elevador principal en el inicio de la línea, completando el circuito . [ 3 ] SWER es, por lo tanto, un ejemplo práctico de un bucle fantasma .

En zonas con suelos de alta resistencia, la varilla de puesta a tierra puede alcanzar voltajes más altos, lo que supone un desperdicio de energía. La resistencia puede ser lo suficientemente alta como para afectar a los interruptores automáticos de rearme automático, que normalmente se rearman debido a una diferencia de voltaje entre la línea y el neutro. En suelos secos y de alta resistencia, la menor diferencia de voltaje entre la línea y el neutro puede impedir que los interruptores se rearmen. En Australia, en lugares con suelos muy secos, las varillas de puesta a tierra deben estar a mayor profundidad. [ 5 ] La experiencia en Alaska demuestra que el SWER debe estar conectado a tierra por debajo del permafrost , que es de alta resistencia. [ 6 ]

El devanado secundario del transformador local suministrará al cliente energía monofásica de un solo extremo (N-0) o bifásica (N-0-N) con los voltajes estándar de los electrodomésticos de la región, con la  línea de 0 voltios conectada a una toma de tierra de seguridad que normalmente no transporta corriente de funcionamiento.

Una línea SWER de gran tamaño puede alimentar hasta 80 transformadores de distribución. Estos transformadores suelen tener una potencia nominal de 5 kVA , 10 kVA y 25 kVA. La densidad de carga suele ser inferior a 0,5 kVA por kilómetro (0,8 kVA por milla) de línea. La demanda máxima de un solo cliente suele ser inferior a 3,5 kVA, pero también se pueden suministrar cargas mayores hasta la capacidad del transformador de distribución.      

Algunos sistemas SWER en EE. UU. son alimentadores de distribución convencionales construidos sin neutro continuo (algunos de los cuales eran líneas de transmisión obsoletas reacondicionadas para el servicio de distribución rural). La subestación que alimenta dichas líneas tiene una varilla de puesta a tierra en cada poste dentro de la subestación; luego, en cada ramal de la línea, el tramo entre el poste contiguo y el poste que sostiene el transformador tendría un conductor de puesta a tierra (proporcionando a cada transformador dos puntos de puesta a tierra por razones de seguridad).

Diseño mecánico

Un diseño mecánico adecuado de una línea SWER puede reducir su coste total a lo largo de su vida útil y aumentar su seguridad.

Dado que la línea es de alta tensión, con corrientes pequeñas, el conductor utilizado en las líneas SWER históricas era alambre de acero galvanizado para cercas del número 8. Las instalaciones más modernas utilizan alambres de acero con alto contenido de carbono revestidos de aluminio, diseñados especialmente según la norma AS1222.1 [ 7 ] [ 8 ] . Los alambres revestidos de aluminio se corroen en zonas costeras, pero por lo demás son más adecuados. [ 9 ] Debido a los largos tramos y las altas tensiones mecánicas, la vibración del viento puede dañar los alambres. Los sistemas modernos instalan amortiguadores de vibración en espiral en los alambres. [ 9 ]

Los aisladores suelen ser de porcelana porque los polímeros son propensos a sufrir daños por la radiación ultravioleta . Algunas compañías eléctricas instalan aisladores de mayor tensión para que la línea pueda actualizarse fácilmente y soportar mayor potencia. Por ejemplo, las líneas de 12 kV pueden aislarse para soportar 22 kV, o las de 19 kV para soportar 33 kV. [ 9 ]

Los postes de hormigón armado se han utilizado tradicionalmente en las líneas SWER debido a su bajo costo, bajo mantenimiento y resistencia a los daños causados ​​por el agua, las termitas y los hongos . La mano de obra local puede producirlos en la mayoría de las zonas, lo que reduce aún más los costos. En Nueva Zelanda, son comunes los postes metálicos (a menudo antiguos rieles de una línea ferroviaria). Los postes de madera son aceptables. En Mozambique, los postes debían tener al menos 12 m (39 pies) de altura para permitir el paso seguro de las jirafas por debajo de las líneas. [ 9 ]  

Si una zona es propensa a los rayos, los diseños modernos colocan correas de conexión a tierra en los postes durante su construcción, antes de su erección. Las correas y el cableado pueden disponerse para funcionar como un pararrayos de bajo costo con bordes redondeados para evitar la atracción de un rayo. [ 9 ]

Características

Seguridad

SWER se promociona como seguro debido al aislamiento de la tierra tanto del generador como del usuario. La mayoría de los demás sistemas eléctricos utilizan un neutro metálico conectado directamente al generador o una tierra compartida. [ 3 ]

La conexión a tierra es fundamental. Corrientes significativas, del orden de 8 amperios , fluyen por el suelo cerca de los puntos de conexión a tierra. Se requiere una conexión a tierra de buena calidad para prevenir el riesgo de descarga eléctrica debido al aumento del potencial de tierra cerca de este punto. También se utilizan conexiones a tierra independientes para la alimentación y la seguridad. La duplicación de los puntos de conexión a tierra garantiza que el sistema siga siendo seguro si alguno de ellos resulta dañado. 

Una buena conexión a tierra consiste normalmente en una  estaca de acero revestido de cobre de 6 metros (20 pies) clavada verticalmente en el suelo y conectada a la toma de tierra y al tanque del transformador. Una buena resistencia de tierra es de 5 a 10 ohmios, que se puede medir con equipos especializados para pruebas de tierra. Los sistemas SWER están diseñados para limitar el campo eléctrico en la tierra a 20 voltios por metro, evitando así descargas eléctricas a personas y animales que se encuentren en la zona.

Otras características estándar incluyen interruptores automáticos de reconexión ( reconectadores ). La mayoría de las fallas (sobrecorriente) son transitorias. Dado que la red es rural, la mayoría de estas fallas serán eliminadas por el reconectador. Cada sitio de servicio necesita un fusible de desconexión recableable para la protección y conmutación del transformador. El secundario del transformador también debe estar protegido por un fusible estándar de alta capacidad de ruptura (HRC) o un interruptor automático de baja tensión. Un pararrayos (descargador de chispas) en el lado de alta tensión es común, especialmente en áreas propensas a rayos.

La mayoría de los riesgos de incendio en la distribución eléctrica se deben al envejecimiento de los equipos: líneas corroídas, aisladores rotos, etc. El menor costo del mantenimiento de SWER puede reducir el costo de la operación segura en estos casos. [ 4 ]

SWER evita que las líneas choquen con el viento, una característica importante de seguridad contra incendios, [ 4 ] pero surgió un problema en la investigación oficial de los incendios forestales del Sábado Negro en Victoria, Australia . Estos demostraron que un conductor SWER roto puede provocar un cortocircuito a tierra a través de una resistencia similar a la carga normal del circuito; en ese caso particular, un árbol. Esto puede causar grandes corrientes sin una indicación de falla a tierra. [ 4 ] Esto puede representar un peligro en áreas propensas a incendios donde un conductor puede romperse y la corriente puede generar un arco eléctrico a través de árboles o pasto seco.

Las telecomunicaciones por cable desnudo o con retorno a tierra pueden verse afectadas por la corriente de retorno a tierra si la zona de conexión a tierra se encuentra a menos de 100  metros (yardas) o si soporta una corriente superior a 10  A. Los sistemas modernos de radio, fibra óptica y telefonía móvil no se ven afectados.

Muchas normativas eléctricas nacionales (en particular las de EE. UU.) requieren una línea de retorno metálica desde la carga hasta el generador. [ 10 ] En estas jurisdicciones, cada línea SWER debe ser aprobada por excepción.

Ventajas de costos

La principal ventaja de SWER es su bajo costo. Se utiliza frecuentemente en zonas poco pobladas donde el costo de construir una línea de distribución aislada no se justifica. Los costos de capital representan aproximadamente el 50% de los de una línea monofásica de dos hilos equivalente. Pueden llegar a costar el 30% de los de sistemas trifásicos de tres hilos. Los costos de mantenimiento representan aproximadamente el 50% de los de una línea trifásica equivalente.

SWER también reduce el mayor costo de una red de distribución: el número de postes. Las líneas de distribución convencionales de 2 o 3 hilos tienen una mayor capacidad de transferencia de potencia, pero pueden requerir 7 postes por kilómetro (12 postes por milla), con tramos de 100 a 150 metros (110 a 160 yardas). El alto voltaje de línea y la baja corriente de SWER también permiten el uso de alambre de acero galvanizado de bajo costo (históricamente, alambre de cerca n.° 8). [ 9 ] La mayor resistencia del acero permite tramos de 400 metros (¼ de milla) o más, reduciendo el número de postes a 2,5 por kilómetro (4 por milla).

Si los postes también albergan cable de fibra óptica para telecomunicaciones (no se pueden utilizar conductores metálicos), los gastos de capital de la compañía eléctrica podrían reducirse aún más.

Fiabilidad

El sistema SWER puede utilizarse en red o en bucle, pero generalmente se instala en una configuración lineal o radial para ahorrar costes. En la configuración lineal habitual, un fallo puntual en una línea SWER provoca que todos los clientes conectados a ella se queden sin electricidad. Sin embargo, al tener menos componentes, el sistema SWER presenta menos probabilidades de fallo. Por ejemplo, al haber una sola línea, el viento no puede provocar colisiones entre las líneas, eliminando así una fuente de daños y de incendios forestales en zonas rurales.

Dado que la mayor parte de la línea de transmisión tiene conexiones a tierra de baja resistencia, las corrientes de tierra excesivas debidas a cortocircuitos y tormentas geomagnéticas son menos frecuentes que en los sistemas convencionales de retorno metálico. Por lo tanto, SWER tiene menos aperturas de interruptores de circuito por falla a tierra que interrumpan el servicio. [ 3 ]

Capacidad de actualización

Una línea SWER bien diseñada puede mejorarse sustancialmente a medida que aumenta la demanda sin necesidad de postes nuevos. [ 11 ] El primer paso puede ser reemplazar el cable de acero con un cable de acero revestido de cobre o aluminio, que es más caro.

Es posible aumentar la tensión. Algunas líneas SWER distantes operan actualmente a tensiones de hasta 35 kV. Normalmente, esto requiere cambiar los aisladores y transformadores, pero no se necesitan postes nuevos. [ 12 ]

Si se necesita mayor capacidad, se puede instalar una segunda línea SWER en los mismos postes para obtener dos líneas SWER  desfasadas 180 grados. Esto requiere más aisladores y cable, pero duplica la potencia sin duplicar los postes. Muchos postes SWER estándar tienen varios orificios para pernos que permiten esta mejora. Esta configuración anula la mayoría de las corrientes de tierra, reduciendo los riesgos de descarga eléctrica y las interferencias con las líneas de comunicación.

También es posible el servicio bifásico mediante una actualización a dos hilos: si bien es menos fiable, resulta más eficiente. A medida que se requiere mayor potencia, las líneas pueden actualizarse para adaptarse a la carga, desde un solo hilo SWER a dos hilos monofásicos y, finalmente, a tres hilos trifásicos. Esto garantiza un uso más eficiente del capital y abarata la instalación inicial.

Los equipos instalados por los clientes antes de estas actualizaciones serán monofásicos y podrán reutilizarse tras la actualización. Si se requiere una pequeña cantidad de energía trifásica , esta podrá sintetizarse de forma económica a partir de energía bifásica con equipos instalados en las instalaciones.

Debilidad en la calidad de la energía

Las líneas SWER suelen ser largas y de alta impedancia, por lo que la caída de tensión a lo largo de la línea suele ser un problema, provocando una regulación deficiente. Las variaciones en la demanda causan variaciones en la tensión suministrada. Para contrarrestar esto, algunas instalaciones cuentan con transformadores variables automáticos en las instalaciones del cliente para mantener la tensión recibida dentro de las especificaciones legales. [ 13 ]

Tras varios años de experiencia, el inventor propuso un condensador en serie con la tierra del transformador de aislamiento principal para contrarrestar la reactancia inductiva de los transformadores, el cable y la trayectoria de retorno a tierra. El objetivo era mejorar el factor de potencia , reducir las pérdidas y optimizar el rendimiento de la tensión debido al flujo de potencia reactiva . [ 3 ] Si bien teóricamente es correcto, no es una práctica habitual. También permite el uso de un bucle de prueba de CC para distinguir una carga variable legítima de (por ejemplo) un árbol caído, que constituiría una trayectoria de CC a tierra.

Usar

El sistema de retorno a tierra de un solo cable se utiliza en todo el mundo, siendo más común en Nueva Zelanda y Australia.

Colombia

Los sistemas SWER están prohibidos por la regulación eléctrica nacional RETIE (REGLAMENTO DE INSTALACIONES ELECTRICAS).

Estados Unidos

Alaska

En 1981 , se instaló con éxito un prototipo de línea SWER de alta potencia de 13,7 kilómetros (8,5 millas) desde una planta diésel en Bethel hasta Napakiak en Alaska , Estados Unidos . Opera a 80  kV y originalmente se instaló sobre postes especiales ligeros de fibra de vidrio que formaban una estructura en forma de A. Desde entonces, se retiraron las estructuras en forma de A y se instalaron postes de madera estándar . Los postes con estructura en forma de A podían transportarse en motos de nieve ligeras e instalarse con herramientas manuales en el permafrost sin necesidad de excavaciones extensas. La erección de los postes de anclaje aún requería maquinaria pesada, pero el ahorro de costos fue significativo.

Investigadores de la Universidad de Alaska Fairbanks , Estados Unidos, estiman que una red de dichas líneas, combinada con turbinas eólicas costeras , podría reducir sustancialmente la dependencia de las zonas rurales de Alaska del combustible diésel, cada vez más caro , para la generación de energía. [ 14 ] La encuesta estatal de evaluación económica de energía de Alaska abogó por un estudio más profundo de esta opción para utilizar más fuentes de energía subutilizadas del estado. [ 15 ]

En los países en desarrollo

En la actualidad, algunos países en desarrollo han adoptado sistemas SWER como sus principales sistemas de suministro eléctrico, especialmente Laos , Sudáfrica y Mozambique . [ 9 ] SWER también se utiliza ampliamente en Brasil. [ 16 ]

En sistemas HVDC

Muchos sistemas de corriente continua de alta tensión (HVDC) que utilizan cables submarinos son sistemas monofilares con retorno a tierra. Los sistemas bipolares, con cables tanto positivos como negativos, también pueden conservar un electrodo de puesta a tierra de agua de mar, que se utiliza cuando falla uno de los polos. Para evitar la corrosión electroquímica, los electrodos de puesta a tierra de estos sistemas se ubican lejos de las estaciones convertidoras y no cerca del cable de transmisión.

Los electrodos pueden ubicarse en el mar o en tierra. Se pueden usar cables de cobre desnudo como cátodos, y varillas de grafito enterradas en el suelo o rejillas de titanio en el mar como ánodos. Para evitar la corrosión electroquímica (y la pasivación de las superficies de titanio), la densidad de corriente en la superficie de los electrodos debe ser baja, por lo que se requieren electrodos de gran tamaño.

Algunos ejemplos de sistemas HVDC con retorno a tierra de un solo cable son el Baltic Cable y Kontek .

Instalaciones

La siguiente tabla muestra diversas instalaciones de sistemas SWE.

Véase también

Referencias

  1. ↑ "Tracción eléctrica - Regreso" . Páginas web técnicas ferroviarias. Archivado del original el 29 de abril de 2007. Consultado el 27 de abril de 2013 .
  2. ↑ http://www.teara.govt.nz/en/biographies/5m31/1 Mandeno, Lloyd , consultado el 10 de agosto de 2011
  3. 1 2 3 4 5 Mandeno, L. (1947). "Suministro de energía rural, especialmente en zonas rurales remotas" . Actas del Instituto de Ingenieros de Nueva Zelanda . 33 : 234. Archivado del original el 21 de julio de 2012. Recuperado el 17 de septiembre de 2009 .
  4. 1 2 3 4 "Incendios causados ​​por electricidad, sección 4.3.5" . Informe final (Informe). Vol. 2. Victoria, Australia: Comisión Real de Incendios Forestales de Victoria. 2009.  
  5. ↑ Experiencia de servicio con sistemas de distribución de retorno a tierra de un solo cable en el centro de Queensland . 7.ª conferencia CEPSI. Brisbane, Australia. 15-22 de octubre de 1988.
  6. ↑ "Electrificación rural SWER o SWGR en Alaska" . Ruralpower.org . Preguntas frecuentes sobre SWER. 2008. Archivado del original el 28 de junio de 2017. Consultado el 20 de abril de 2009 .
  7. ↑ AS1222.1-1992, Aceros y tirantes, techo desnudo, galvanizado. Archivado el 30 de marzo de 2012 en Wayback Machine.
  8. ↑ IEC 60888 Ed. 1.0 Alambres de acero galvanizado para conductores multifilares. Archivado el 30 de marzo de 2012 en Wayback Machine.
  9. 1 2 3 4 5 6 7 Power to the People Describe el uso de SWER en la electrificación rural de Mozambique. Transmission & Distribution World, 2009. Consultado el 10 de agosto de 2011.
  10. ↑ Código Eléctrico Nacional (NEC) (2008). Quincy, Massachusetts (EE. UU.): Asociación Nacional de Protección contra Incendios .
  11. ↑ Stone Power AB analiza las redes de bajo coste
  12. ↑ "FAQ2" . RuralPower.org . Archivado del original el 24 de junio de 2009. Consultado el 21 de abril de 2009 .
  13. ↑ Chapman, Neil (1 de abril de 2001). "Cuando un cable es suficiente" . Transmission & Distribution World .
  14. ↑ Bettine, Frank, "Propuesta para utilizar un solo cable de retorno a tierra para electrificar 40 aldeas en la región de Calista, Alaska" . Conferencia de Energía de 2002, Universidad de Alaska. Modificado el 10 de octubre de 2002, consultado el 10 de septiembre de 2008.
  15. ↑ http://acep.uaf.edu/media/62360/HVDC-Transmission-System-for-Remote-Alaska.pdf SISTEMA DE TRANSMISIÓN HVDC PARA APLICACIONES EN ALASKA REMOTA 2009
  16. ↑ «Arquivos Disponíveis para Descargar» . Cepel.br . Archivado desde el original el 26 de febrero de 2005 . Consultado el 15 de agosto de 2016 .
  • Rural power.org Archivado el 21 de julio de 2012 en Wayback Machine : Excelente sitio web sobre este tema. Incluye el PDF del artículo de Mandeno.
  • Manual para sistemas de alimentación con retorno a tierra de un solo cable. Archivado el 6 de agosto de 2012 en Wayback Machine . Procedente de la División de Normas de Alimentación de Redes del Gobierno del Territorio del Norte de Australia. Incluye planos mecánicos acotados y listas de piezas.
  • AS2558-2006 Transformadores para uso en sistemas de distribución monofilares con retorno a tierra. Archivado el 21 de septiembre de 2017 en Wayback Machine – Una norma australiana.
  • Saskatchewan, en Canadá, ha operado SWER durante más de cincuenta años.
  • Generación distribuida como soporte de voltaje para sistemas de retorno a tierra de un solo cable, Kashem, MA; Ledwich, G.; IEEE Transactions on Power Delivery, Volumen 19, Número 3, julio de 2004, páginas 1002-1011.