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El retorno a tierra de un solo cable ( SWER ) o retorno a tierra de un solo cable es una línea de transmisión de un solo cable que suministra energía eléctrica monofásica desde una red eléctrica a áreas remotas al menor costo. Su característica distintiva es que la tierra (o a veces una masa de agua) se utiliza como camino de retorno de la corriente, para evitar la necesidad de un segundo cable (o cable neutro ) que actúe como camino de retorno.
El retorno a tierra de un solo cable se utiliza principalmente para la electrificación rural , pero también se utiliza para cargas aisladas más grandes, como bombas de agua. También se utiliza para corriente continua de alto voltaje sobre cables eléctricos submarinos . La tracción ferroviaria eléctrica monofásica, como el tren ligero , utiliza un sistema muy similar. Utiliza resistencias a tierra para reducir los peligros de los voltajes de los rieles, pero las corrientes de retorno primarias pasan a través de los rieles. [1]
Lloyd Mandeno , OBE (1888-1973) desarrolló completamente el SWER en Nueva Zelanda alrededor de 1925 para la electrificación rural. Aunque lo denominó "Línea de un solo cable que trabaja la tierra", a menudo se le llamó "Tendedero de Mandeno". [2] Ya se han instalado más de 200.000 kilómetros (100.000 millas) en Australia y Nueva Zelanda. Se considera seguro, confiable y de bajo costo, siempre que los dispositivos de seguridad y puesta a tierra estén instalados correctamente. Las normas australianas se utilizan y citan ampliamente. 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 ( Betel ).
SWER es una opción viable para un sistema de distribución cuando el cableado de corriente de retorno convencional costaría más que los transformadores de aislamiento de SWER y las pequeñas pérdidas de energía. Los ingenieros energéticos con experiencia tanto con SWER como con líneas eléctricas convencionales califican a SWER como igualmente seguro, más confiable y menos costoso, pero con una eficiencia ligeramente menor que las líneas convencionales. [3] SWER puede provocar incendios cuando el mantenimiento es deficiente y los incendios forestales son un riesgo. [4]
La alimentación de la línea SWER se realiza mediante un transformador aislante de hasta 300 kVA . Este transformador aísla la red del suelo o tierra. El voltaje cambia debido a la transición de línea a línea a línea a tierra, lo que generalmente reduce 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 único conductor que puede extenderse a lo largo de decenas o incluso cientos de kilómetros, con varios transformadores de distribución a lo largo de su longitud. En cada transformador, como 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 estaca de tierra. Desde la estaca de tierra, la corriente eventualmente regresa al transformador elevador principal al comienzo de la línea, completando el circuito . [3] SWER es, por tanto, un ejemplo práctico de bucle fantasma .
En áreas con suelo de mayor resistencia, la varilla de conexión a tierra puede flotar a voltajes más altos, desperdiciando energía. La resistencia puede ser lo suficientemente alta como para afectar a los disyuntores de reinicio automático, que generalmente se reinician debido a una diferencia de voltaje entre la línea y el neutro. En suelos secos y de alta resistencia, la diferencia reducida de voltaje entre la línea y el neutro puede evitar que los disyuntores se reinicien. En Australia, los lugares con suelos muy secos necesitan que las varillas de conexión a tierra sean más profundas. [5] La experiencia en Alaska muestra que el SWER debe estar conectado a tierra debajo del permafrost , que es de alta resistencia. [6]
El devanado secundario del transformador local suministrará al cliente energía monofásica (N-0) o de fase dividida (N-0-N) en los voltajes de electrodomésticos estándar de la región, con la línea de 0 voltios conectada a un cable de seguridad. tierra que normalmente no conduce corriente de funcionamiento.
Una línea SWER grande puede alimentar hasta 80 transformadores de distribución. Los transformadores suelen tener capacidades nominales de 5 kVA , 10 kVA y 25 kVA. Las densidades de carga suelen ser inferiores a 0,5 kVA por kilómetro (0,8 kVA por milla) de línea. La demanda máxima de cualquier cliente será normalmente 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 que se construyeron sin un neutro continuo (algunos de los cuales eran líneas de transmisión obsoletas que fueron reacondicionadas para el servicio de distribución rural). La subestación que alimenta dichas líneas tiene una pica de puesta a tierra en cada polo dentro de la subestación; luego, en cada ramal de la línea, el tramo entre el poste contiguo y el poste que lleva el transformador tendría un conductor puesto a tierra (dando a cada transformador dos puntos de puesta a tierra por razones de seguridad).
El diseño mecánico adecuado de una línea SWER puede reducir el costo de su vida útil y aumentar su seguridad.
Dado que la línea es de alto voltaje, con corrientes pequeñas, el conductor utilizado en las líneas SWER históricas fue alambre de cerca de acero galvanizado número 8 . Las instalaciones más modernas utilizan cables revestidos de aluminio de acero con alto contenido de carbono AS1222.1 [7] [8] especialmente diseñados . Los alambres revestidos de aluminio se corroen en las 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 cables. Los sistemas modernos instalan amortiguadores de vibraciones en espiral en los cables. [9]
Los aisladores suelen ser de porcelana porque los polímeros son propensos a sufrir daños por rayos ultravioleta . Algunas empresas de servicios públicos instalan aisladores de mayor voltaje para que la línea pueda actualizarse fácilmente para transportar más energía. Por ejemplo, se pueden aislar líneas de 12 kV a 22 kV, o líneas de 19 kV a 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 daños por agua, termitas y hongos . La mano de obra local puede producirlos en la mayoría de las áreas, lo que reduce aún más los costos. En Nueva Zelanda, los postes metálicos son comunes (a menudo son antiguos rieles de una línea ferroviaria). Se aceptan postes de madera. 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 un área es propensa a sufrir rayos, los diseños modernos colocan correas a tierra para rayos en los postes cuando se construyen, antes de su montaje. Las correas y el cableado se pueden disponer para formar un pararrayos de bajo coste con bordes redondeados para evitar atraer un rayo. [9]
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 a una tierra compartida. [3]
La conexión a tierra es fundamental. Corrientes importantes del orden de 8 amperios fluyen a través del suelo cerca de los puntos de tierra. Es necesaria una conexión a tierra de buena calidad para evitar el riesgo de descarga eléctrica debido al aumento del potencial de tierra cerca de este punto. También se utilizan motivos separados para energía y seguridad. La duplicación de los puntos de tierra garantiza que el sistema siga siendo seguro si alguna de las tierras resulta dañada.
Una buena conexión a tierra suele ser una estaca de 6 m de acero revestida de cobre clavada verticalmente en el suelo y unida a la tierra y al tanque del transformador. Una buena resistencia a tierra es de 5 a 10 ohmios, que se puede medir utilizando un equipo de prueba de tierra especializado. Los sistemas SWER están diseñados para limitar el campo eléctrico en la tierra a 20 voltios por metro para evitar descargas eléctricas a personas y animales que puedan encontrarse en el área.
Otras características estándar incluyen disyuntores de reconexión automática ( reconectadores ). La mayoría de las fallas (sobrecorriente) son transitorias. Dado que la red es rural, la mayoría de estas fallas serán solucionadas por el reconectador. Cada sitio de servicio necesita un fusible desconectador recargable para 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 disyuntor de bajo voltaje. Un descargador de sobretensiones (vía chispas) en el lado de alto voltaje es común, especialmente en áreas propensas a rayos.
La mayoría de los riesgos de seguridad contra incendios en la distribución eléctrica provienen de equipos antiguos: líneas corroídas, aisladores rotos, etc. El menor costo de mantenimiento del SWER puede reducir el costo de una 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 sobre 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 presentar un peligro en áreas propensas a incendios donde un conductor puede romperse y la corriente puede atravesar árboles o pasto seco.
Las telecomunicaciones de cable desnudo o de retorno a tierra pueden verse comprometidas por la corriente de retorno a tierra si el área de conexión a tierra está a menos de 100 m o absorbe más de 10 A de corriente. Los sistemas modernos de radio, fibra óptica y telefonía celular no se ven afectados.
Muchas regulaciones eléctricas nacionales (notablemente las de EE. UU.) requieren una línea de retorno metálica desde la carga al generador. [10] En estas jurisdicciones, cada línea SWER debe ser aprobada por excepción.
La principal ventaja de SWER es su bajo coste. A menudo se utiliza en zonas escasamente pobladas donde no se puede justificar el coste de construir una línea de distribución aislada. Los costos de capital son aproximadamente el 50% de una línea monofásica de dos hilos equivalente. Pueden costar el 30% de los sistemas trifásicos de 3 hilos. Los costos de mantenimiento son aproximadamente el 50% de los de una línea trifásica equivalente.
SWER también reduce el mayor coste de una red de distribución: el número de postes. Las líneas de distribución convencionales de 2 o 3 cables tienen una mayor capacidad de transferencia de energía, pero pueden requerir 7 polos por kilómetro (12 polos 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 para cercas No. 8). [9] La mayor resistencia del acero permite luces 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 llevan cable de fibra óptica para telecomunicaciones (no se pueden utilizar conductores metálicos), los gastos de capital de la compañía eléctrica pueden reducirse aún más.
SWER se puede utilizar en una cuadrícula o en bucle, pero generalmente se organiza en un diseño lineal o radial para ahorrar costos. En la forma lineal habitual, una falla en un solo punto en una línea SWER hace que todos los clientes que se encuentran más abajo en la línea pierdan energía. Sin embargo, dado que tiene menos componentes en el campo, SWER tiene menos posibilidades de fallar. Por ejemplo, dado que solo hay una línea, los vientos no pueden hacer que las líneas choquen, eliminando una fuente de daños, así como una fuente de incendios forestales rurales.
Dado que la mayor parte de la línea de transmisión tiene conexiones a tierra de baja resistencia, las corrientes excesivas a tierra debidas a cortocircuitos y tormentas geomagnéticas son más raras que en los sistemas convencionales de retorno metálico. Por lo tanto, SWER tiene menos aperturas de disyuntores de falla a tierra para interrumpir el servicio. [3]
Una línea SWER bien diseñada se puede mejorar sustancialmente a medida que crece la demanda sin nuevos postes. [11] El primer paso puede ser reemplazar el alambre de acero con alambre de acero revestido de cobre o aluminio, más caro.
Quizás sea posible aumentar el voltaje. Algunas líneas SWER distantes ahora funcionan con voltajes de hasta 35 kV. Normalmente esto requiere cambiar los aisladores y transformadores, pero no se necesitan polos nuevos. [12]
Si se necesita más capacidad, se puede instalar una segunda línea SWER en los mismos postes para proporcionar dos líneas SWER desfasadas 180 grados. Esto requiere más aisladores y cables, pero duplica la potencia sin duplicar los polos. Muchos postes SWER estándar tienen varios orificios para pernos para soportar esta actualización. Esta configuración hace que la mayoría de las corrientes de tierra se cancelen, lo que reduce los riesgos de descargas eléctricas y las interferencias con las líneas de comunicación.
El servicio bifásico también es posible con una actualización de dos cables: [ cita necesaria ] [ discutir ] Aunque es menos confiable, es más eficiente. A medida que se necesita más energía, las líneas se pueden actualizar para adaptarlas a la carga, desde SWER de un solo cable a dos cables, monofásico y, finalmente, a tres cables, trifásico. Esto garantiza un uso más eficiente del capital y hace que la instalación inicial sea más asequible.
Todos los equipos del cliente instalados antes de estas actualizaciones serán monofásicos y podrán reutilizarse después de la actualización. Si se necesitan pequeñas cantidades de energía trifásica , se puede sintetizar económicamente a partir de energía bifásica con equipo en el sitio.
Las líneas SWER tienden a ser largas y con alta impedancia, por lo que la caída de voltaje a lo largo de la línea suele ser un problema que provoca una mala regulación. Las variaciones en la demanda provocan variaciones en el voltaje entregado. Para combatirlo, algunas instalaciones disponen de transformadores variables automáticos en las instalaciones del cliente para mantener la tensión recibida dentro de las especificaciones legales. [13]
Después de algunos años de experiencia, el inventor recomendó un condensador en serie con la tierra del transformador de aislamiento principal para contrarrestar la reactancia inductiva de los transformadores, el cable y el camino de retorno a tierra. El plan era mejorar el factor de potencia , reducir las pérdidas y mejorar el rendimiento del voltaje debido al flujo de potencia reactiva . [3] Aunque teóricamente sólida, esta no es una práctica estándar. También permite el uso de un bucle de prueba de CC para distinguir una carga variable legítima de (por ejemplo) un árbol caído, que sería una ruta de CC a tierra.
El retorno a tierra de un solo cable se utiliza en todo el mundo, más comúnmente en Nueva Zelanda y Australia.
En 1981, se instaló con éxito un prototipo de línea SWER de alta potencia de 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 de fibra de vidrio livianos que formaban un marco en A. Desde entonces, se quitaron los marcos A y se instalaron postes eléctricos de madera estándar. Los postes con estructura en A podrían transportarse en máquinas de nieve livianas y podrían instalarse con herramientas manuales sobre permafrost sin necesidad de excavar mucho. El montaje de postes de "anclaje" todavía requería maquinaria pesada, pero los ahorros de costos fueron espectaculares.
Investigadores de la Universidad de Alaska Fairbanks , Estados Unidos, estiman que una red de este tipo de 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 de evaluación de energía económica del estado de Alaska abogó por un mayor estudio de esta opción para utilizar más fuentes de energía subutilizadas del estado. [15]
En la actualidad, ciertos países en desarrollo han adoptado sistemas SWER como sus principales sistemas eléctricos , en particular Laos , Sudáfrica y Mozambique . [9] SWER también se utiliza ampliamente en Brasil. [dieciséis]
Muchos sistemas de corriente continua de alto voltaje (HVDC) que utilizan cables de energía submarinos son sistemas de retorno a tierra de un solo cable. Los sistemas bipolares con cables positivos y negativos también pueden conservar un electrodo de conexión a tierra de agua de mar, que se utiliza cuando falla un polo. Para evitar la corrosión electroquímica, los electrodos de tierra de estos sistemas están situados lejos de las estaciones convertidoras y no cerca del cable de transmisión.
Los electrodos pueden estar situados en el mar o en tierra. Se pueden usar alambres de cobre desnudos 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 pequeña y, por lo tanto, se requieren electrodos grandes.
Ejemplos de sistemas HVDC con retorno a tierra de un solo cable incluyen Baltic Cable y Kontek .
La siguiente tabla muestra varias instalaciones de sistemas SWER.