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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. La tierra (o, a veces, un cuerpo de agua) se utiliza como ruta de retorno para la corriente, para evitar la necesidad de un segundo cable (o cable neutro ) que actúe como ruta 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 monofásica eléctrica, como el tren ligero , utiliza un sistema muy similar. Utiliza resistencias a tierra para reducir los riesgos de los voltajes de los rieles, pero las corrientes de retorno primarias son a través de los rieles. [1]
Lloyd Mandeno , OBE (1888-1973) desarrolló completamente SWER en Nueva Zelanda alrededor de 1925 para electrificación rural. Aunque lo denominó "línea de un solo cable para trabajo con tierra", a menudo se lo llamaba "el tendedero de Mandeno". [2] 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 se instalen correctamente las características de seguridad y la conexión a tierra. Las normas australianas se usan 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 ( Bethel ).
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 pérdidas de potencia son pequeñas. Los ingenieros de energía con experiencia tanto en SWER como en líneas eléctricas convencionales consideran que SWER es igualmente seguro, más confiable y menos costoso, pero con una eficiencia ligeramente menor que las líneas convencionales. [3] SWER puede causar incendios cuando el mantenimiento es deficiente y los incendios forestales son un riesgo. [4]
La línea SWER recibe energía mediante un transformador de aislamiento de hasta 300 kVA . Este transformador aísla la red de la 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 por decenas o incluso cientos de kilómetros, con una serie de 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 reductor de aislamiento, hasta tierra a través de una pica de tierra. Desde la pica de tierra, la corriente finalmente encuentra su camino de regreso al transformador elevador principal en la cabecera de la línea, completando el circuito . [3] SWER es, por lo tanto, un ejemplo práctico de un bucle fantasma .
En áreas con suelos de mayor resistencia, la varilla de puesta a tierra puede flotar a voltajes más altos, desperdiciando energía. La resistencia puede ser lo suficientemente alta como para afectar los disyuntores de reinicio automático, que generalmente se reinician debido a una diferencia de voltaje entre la línea y el neutro. Con 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 puesta a tierra sean más profundas. [5] La experiencia en Alaska muestra que el SWER debe conectarse 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 de fase dividida (N-0-N) en los voltajes de electrodomésticos estándar de la región, con la línea de 0 voltios conectada a una tierra de seguridad que normalmente no transporta una corriente de funcionamiento.
Una línea SWER grande puede alimentar hasta 80 transformadores de distribución. Los transformadores suelen tener una potencia nominal 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 un cliente individual normalmente será inferior a 3,5 kVA, pero también se pueden suministrar cargas mayores hasta la capacidad del transformador de distribución.
Algunos sistemas SWER en los EE. UU. son alimentadores de distribución convencionales que se construyeron sin un neutro continuo (algunos de los cuales eran líneas de transmisión obsoletas que se reacondicionaron para el servicio de distribución rural). La subestación que alimenta dichas líneas tiene una varilla de conexión 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 transporta el transformador tendría un conductor conectado a tierra (lo que le da a cada transformador dos puntos de conexión a tierra por razones de seguridad).
El diseño mecánico adecuado de una línea SWER puede reducir su costo de vida útil y aumentar su seguridad.
Como la línea es de alto voltaje, con pequeñas corrientes, el conductor utilizado en las líneas SWER históricas era alambre de acero galvanizado número 8 para cercas. Las instalaciones más modernas utilizan alambres de acero con alto contenido de carbono AS1222.1 [7] [8] especialmente diseñados , revestidos de aluminio. Los alambres revestidos de aluminio se corroen en las zonas costeras, pero son más adecuados en otros casos. [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 vibraciones en espiral en los alambres. [9]
Los aisladores suelen ser de porcelana porque los polímeros son propensos a sufrir daños por la luz ultravioleta . Algunas empresas de servicios públicos instalan aisladores de mayor voltaje para que la línea pueda actualizarse fácilmente y transportar más energía. Por ejemplo, las líneas de 12 kV pueden aislarse a 22 kV, o las líneas de 19 kV a 33 kV. [9]
Tradicionalmente, en las líneas de SWER se han utilizado postes de hormigón armado por su bajo coste, su escaso mantenimiento y su resistencia a los daños causados por el agua, las termitas y los hongos . En la mayoría de las zonas se pueden fabricar con mano de obra local, lo que reduce aún más los costes. En Nueva Zelanda, son habituales los postes de metal (que suelen ser antiguos raíles de una línea ferroviaria). Los postes de madera son aceptables. En Mozambique, los postes tenían que 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 puesta a tierra en los postes cuando se construyen, antes de su erección. Las correas y el cableado se pueden disponer de modo que sean un pararrayos de bajo costo con bordes redondeados para evitar atraer la caída de un rayo. [9]
Se promociona el SWER como seguro debido al aislamiento de la conexión a 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 conexión a tierra compartida. [3]
La conexión a tierra es fundamental. Corrientes significativas del orden de 8 amperios fluyen a través del suelo cerca de los puntos de tierra. Se necesita 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 conexiones a tierra independientes para la alimentación y la seguridad. La duplicación de los puntos de tierra garantiza que el sistema siga siendo seguro si alguna de las conexiones a tierra se daña.
Una buena conexión a tierra consiste normalmente en una estaca de acero revestido de cobre de 6 m 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 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 electrocutar a las personas y los animales que puedan estar 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 eliminadas por el reconectador. Cada sitio de servicio necesita un fusible de desconexión reconectable para la protección y conmutación del transformador. El secundario del transformador también debe estar protegido por un fusible de alta capacidad de ruptura (HRC) estándar o un disyuntor de bajo voltaje. Un pararrayos (chispa) en el lado de alto voltaje 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 de mantenimiento de los SWER puede reducir el costo de una operación segura en estos casos. [4]
SWER evita que las líneas choquen con el viento, una característica de seguridad contra incendios importante, [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 por cable desnudo o con retorno a tierra pueden verse afectadas 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 de radio, fibra óptica y telefonía celular modernos no se ven afectados.
Muchas reglamentaciones eléctricas nacionales (especialmente las de EE. UU.) exigen una línea de retorno metálica desde la carga hasta el generador. [10] En estas jurisdicciones, cada línea SWER debe ser aprobada por excepción.
La principal ventaja de SWER es su bajo costo. A menudo se utiliza en áreas escasamente pobladas donde el costo de construir una línea de distribución aislada no se justifica. Los costos de capital son aproximadamente el 50% de una línea monofásica de dos cables equivalente. Pueden costar el 30% de los sistemas trifásicos de tres cables. Los costos de mantenimiento son aproximadamente el 50% de una línea trifásica equivalente.
La SWER también reduce el mayor costo 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 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 la SWER también permiten el uso de alambre de acero galvanizado de bajo costo (históricamente, alambre de cercas No. 8). [9] La mayor resistencia del acero permite tramos de 400 metros (¼ de milla) o más, lo que reduce 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.
El SWER se puede utilizar en una red o en un bucle, pero normalmente se organiza en un diseño lineal o radial para ahorrar costes. En la forma lineal habitual, una falla de un solo punto en una línea SWER hace que todos los clientes que se encuentran más abajo en la línea se queden sin energía. Sin embargo, como tiene menos componentes en el campo, el SWER tiene menos posibilidades de fallar. Por ejemplo, como solo hay una línea, los vientos no pueden hacer que las líneas choquen, lo que elimina 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 de tierra excesivas por cortocircuitos y tormentas geomagnéticas son más raras que en los sistemas de retorno metálico convencionales. Por lo tanto, SWER tiene menos aperturas de disyuntores por falla a tierra que interrumpan el servicio. [3]
Una línea SWER bien diseñada se puede mejorar sustancialmente a medida que aumenta la demanda sin necesidad de nuevos postes. [11] El primer paso puede ser reemplazar el cable de acero con un cable de acero revestido de cobre o aluminio, que es más costoso.
Es posible que se pueda aumentar el voltaje. Algunas líneas SWER distantes ahora operan a voltajes de hasta 35 kV. Normalmente, esto requiere cambiar los aisladores y transformadores, pero no se necesitan nuevos postes. [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 postes. 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 descarga eléctrica y la interferencia con las líneas de comunicación.
El servicio bifásico también es posible con una actualización a dos cables: [ cita requerida ] [ discutir ] Aunque es menos confiable, es más eficiente. A medida que se necesita más energía, las líneas se pueden actualizar para que coincidan con la carga, de SWER de un solo cable a monofásica de dos cables y, finalmente, a trifásica de tres cables. Esto garantiza un uso más eficiente del capital y hace que la instalación inicial sea más asequible.
Los equipos de los clientes instalados antes de estas actualizaciones serán todos monofásicos y podrán reutilizarse después de la actualización. Si se necesitan pequeñas cantidades de energía trifásica , se puede sintetizar de manera económica a partir de energía bifásica con equipos en el sitio.
Las líneas SWER suelen ser largas y con alta impedancia, por lo que la caída de tensión a lo largo de la línea suele ser un problema, lo que provoca una mala regulación. Las variaciones en la demanda provocan variaciones en la tensión suministrada. Para combatir esto, algunas instalaciones cuentan con transformadores variables automáticos en el sitio del cliente para mantener la tensión recibida dentro de las especificaciones legales. [13]
Después de algunos años de experiencia, el inventor abogó por un condensador en serie con la tierra del transformador de aislamiento principal para contrarrestar la reactancia inductiva de los transformadores, el cable y la ruta de retorno a tierra. El plan era mejorar el factor de potencia , reducir las pérdidas y mejorar el rendimiento de voltaje debido al flujo de potencia reactiva . [3] Aunque teóricamente es sólido, 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 en postes especiales de fibra de vidrio livianos que formaban una estructura en forma de A. Desde entonces, se han quitado las estructuras en forma de A y se instalaron postes eléctricos de madera estándar. Los postes con estructura en forma de A se podían transportar en máquinas quitanieves livianas y se podían instalar con herramientas manuales en el permafrost sin excavaciones extensas. La erección de postes de "anclaje" aún requería maquinaria pesada, pero los ahorros de costos fueron espectaculares.
Los 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 la Alaska rural del combustible diésel, cada vez más caro, para la generación de energía. [14] La encuesta de evaluación económica de la energía del estado de Alaska abogó por un estudio más profundo de esta opción para utilizar más fuentes de energía subutilizadas del estado. [15]
En la actualidad, algunos países en desarrollo han adoptado sistemas SWER como sus principales sistemas de electricidad , en particular Laos , Sudáfrica y Mozambique . [9] Los SWER también se utilizan ampliamente en Brasil. [16]
Muchos sistemas de corriente continua de alto voltaje (HVDC) que utilizan cables de alimentación submarinos son sistemas de puesta a tierra de un solo cable. Los sistemas bipolares con cables positivos y negativos también pueden tener un electrodo de puesta a tierra de agua de mar, que se utiliza cuando falla un polo. Para evitar la corrosión electroquímica, los electrodos de puesta a tierra de dichos sistemas se sitúan 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 utilizar cables de cobre desnudo como cátodos y barras 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, por lo que se requieren electrodos grandes.
Algunos 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