Wady wynikające z technologii przesyłania energii elektrycznej sieciami jedno- i trójfazowymi można wyeliminować dzięki użyciu technologii przesyłu jednoprzewodowego.

Przesył energii elektrycznej sieciami jedno- i trójfazowymi wiąże się z poważnymi niedogodnościami. Do słabych stron tego tradycyjnego rozwiązania należą:
• znaczne straty mocy w przewodach linii wydzielane w postaci ciepła,
• konieczność stosowania transformatorów zmieniających wysokość napięcia przesyłu,
• występowanie zakłóceń, zwłaszcza zwarć prowadzących do przerw w pracy,
• bardzo duże zużycie metali kolorowych,
• wysoki koszt budowy sieci elektroenergetycznych (105-106 zł/km linii).
Wymienione wady można wyeliminować lub przynajmniej znacznie ograniczyć dzięki użyciu technologii jednoprzewodowego przesyłu energii elektrycznej. Jedna z nich znalazła już dawno szerokie zastosowanie, inne wciąż przechodzą badania i próby.

SWER – alternatywa dla trójfazowych sieci średniego napięcia

W przypadku zasilania odległych, jednofazowych odbiorców jednoprzewodowe układy przesyłu energii elektrycznej SWER (Single Wire Earth Return – jednoprzewodowa linia z ziemią jako torem powrotnym) okazały się korzystną alternatywą dla tradycyjnych trójfazowych sieci rozdzielczych średniego napięcia (SN). Technologię SWER opracowano i wdrożono po raz pierwszy do elektryfikacji rolnictwa Nowej Zelandii w 1925 r. Do tej pory w Australii i Nowej Zelandii oraz na innych kontynentach zbudowano ponad 200 tys. km tych linii.

Rys. 1. Schemat jednoprzewodowego układu przesyłowego SWER

Struktura sieci SWER
W australijskich liniach SWER energia jest dostarczana przez transformator separacyjny o mocy maksymalnie 300 kVA i przekładni napięciowej najczęściej 22/19 kV. Linia (rys. 1) składa się z jednego przewodu i może rozciągać się nawet na 200 km, co jest długością niespotykaną dla konwencjonalnych sieci promieniowych SN. Wzdłuż trasy przyłączeni są rozproszeni odbiorcy, którzy pobierają moc przez transformatory dystrybucyjne (obniżające napięcie w stosunku 19/0,24 kV). Najdłuższe z tych ciągów zasilają do 80 transformatorów o znormalizowanych mocach 5, 10 i 25 kVA. Zwykle gęstość odbieranej mocy nie przekracza 0,5 kVA/km długości linii, co jest wyjątkowo niskim wskaźnikiem. Właśnie tak niewielkie obciążenie uzasadnia rezygnację z kosztownego przewodu powrotnego i wykorzystanie w przewodzie fazowym stali – materiału tańszego i zarazem wytrzymalszego mechanicznie od aluminium. Koszt budowy linii jednoprzewodowej jest dzięki temu wyraźnie niższy od jej trójfazowego odpowiednika – oszczędność może sięgać 70%. Zysk ten wynika również z użycia mniejszej liczby słupów pozbawionych przy tym poprzeczników. Podczas gdy trójfazowe linie SN liczą średnio siedem słupów na kilometr, dla SWER wskaźnik ten można obniżyć do 2,5. Z powodu niższych obciążeń mechanicznych dopuszcza się stosowanie tańszych, tradycyjnych słupów z żelazobetonu, które odznaczają się dużą odpornością na warunki atmosferyczne i niszczące oddziaływanie organizmów żywych. W rezultacie uzyskuje się także zmniejszenie nakładów na konserwację linii. Niestety wskutek niższej przewodności stali straty przesyłowe są blisko dwukrotnie wyższe niż w jednofazowych dwuprzewodowych liniach przenoszących daną moc i mogą sięgać 20%.

Ograniczenia
Specyfika działania linii SWER stwarza określone trudności. Przepływ prądów powrotnych ziemią wywiera niekorzystny wpływ na istniejące obiekty lub konstrukcje, jednak ryzyko to jest minimalne dzięki lokalizowaniu linii w niezagospodarowanym terenie. Większym problemem bywa zagrożenie porażeniowe występujące w pobliżu punktów uziemienia transformatorów separacyjnych i dystrybucyjnych. Jego eliminacja wymaga dotrzymania właściwej oporności uziemień. Odbiorcy zasilani z transformatorów dystrybucyjnych mają do dyspozycji dwie wysokości napięcia jednofazowego: 500 V oraz 250 V. W razie potrzeby stosowania trójfazowych urządzeń konieczne jest użycie specjalnych przetwornic wytwarzających ten układ napięć o odpowiednich parametrach.

Rys. 2. Uproszczony schemat jednoprzewodowej linii przesyłowej:
1 – generator napięcia wysokiej częstotliwości,
2 – obwód rezonansowy transformatora podnoszącego napięcie,
3 – przewód linii,
4 – obwód rezonansowy transformatora obniżającego napięcie,
5 – prostownik,
6 – przekształtnik

Nowa koncepcja linii jednoprzewodowych

Sięgnięcie do okrytych tajemnicą pomysłów genialnego wynalazcy Nikoli Tesli pokazuje odmienne kierunki poszukiwań technologii jednoprzewodowego przesyłu energii elektrycznej. Opracowany przez rosyjskich naukowców układ zawiera dwa dostrojone do rezonansu obwody elektryczne połączone jednoprzewodową linią przesyłową (rys. 2).
W tym układzie straty mocy w jedynym przewodzie linii praktycznie nie występują. Praca takiej linii jest bezpieczna dla otoczenia i ludzi. Zużycie metalu na jej wykonanie jest dziesiątki razy mniejsze niż w obecnych sieciach. Na rys. 3 porównano tradycyjny kabel trójfazowy i przewód nowej linii dla przesyłu tej samej mocy. Kilkukrotne obniżenie przekroju i wagi przewodu daje ponadto wielokrotne zmniejszenie promienia zagięć kabla oraz kosztów i czasu układania kabli. W liniach jednoprzewodowych wykluczone jest ryzyko zwarć, co podnosi dyspozycyjność linii oraz bezpieczeństwo jej eksploatacji.
Walory omawianej technologii doceniono w Rosji, gdzie po dwóch dekadach badań i eksperymentów zawiązano współpracę instytutów badawczych i firm wdrożeniowych. Dotychczas wykonano tam kilka pilotażowych projektów, w tym jednoprzewodowe linie diodowego oświetlenia ulicznego i układ zasilania automatyki rakiety nośnej, który przyniósł oszczędność 130 kg miedzi. Inną aplikacją jest układ zasilania stacji ochrony katodowej rurociągów naftowych. W systemie tym przemiennik częstotliwości zasila linię o napięciu 6,8 kV, 3,4 kHz. Moc 20 kW jest przesyłana na odległość 1,7 km przewodem o średnicy zaledwie… 1 mm.

Rys. 3. Tradycyjny kabel 3-fazowy i przewód nowej linii dla przesyłu mocy 50 kW

Badanie zjawiska

Prekursorem koncepcji przesyłu elektryczności z pomocą jednego przewodu był Nikola Tesla. Doświadczenia takie demonstrował już w 1892 r. lecz dokładne informacje na ten temat nie zachowały się do naszych czasów. Rosyjskie badania nad jednoprzewodowym przesyłem energii elektrycznej zainicjował inżynier S. Awramienko, który przed 25 laty zauważył nieznany mu efekt. Przy przemieszczaniu naelektryzowanych przedmiotów następowało zaświecenie znajdującej się w pobliżu lampy luminescencyjnej. Nasunęło mu to myśl, że ruch elektryczności statycznej wytwarza zmienne pole elektromagnetyczne, które wywołuje świecenie gazu w lampie. W układach badanych przez Awramienkę z generatora napięcia wysokiej częstotliwości, rzędu kHz, wymuszany jest „przepływ” tzw. prądu przesunięcia (tj. zsynchronizowanych drgań spolaryzowanych atomów, czyli dipoli osadzonych w sieci krystalicznej przewodnika) przez jedyny przewód do jego drugiego końca. Tu energia elektryczna jest odbierana przez nałożony na przewód transformator odpowiedniej konstrukcji. W obwodzie wtórnym tego transformatora parametry prądu są przekształcane na wartości przydatne dla konwencjonalnych odbiorów. Jednak pełnego objaśnienia zasady działania takich układów nadal nie podano. W 2003 r. Awramienko zmarł, lecz kontynuowane badania ujawniały dalsze, niezwykłe własności tego zjawiska. Jedną z najcenniejszych jest brak wydzielania ciepła przy „przepływie” prądu przesunięcia, co jest zresztą zgodne z teorią przewodnictwa. Ponieważ oporność właściwa przewodnika nie ma w tym przypadku znaczenia, można drogie metale kolorowe jak miedź czy aluminium zastąpić tańszym materiałem, np. stalą, a dodatkowo przekrój zmniejszyć do wartości podyktowanej jedynie wytrzymałością mechaniczną. Możliwe jest również wykorzystanie światłowodów, wody lub nawet ziemi w charakterze toru przesyłowego.

Opracował Piotr Olszowiec
Opracowano na podstawie artykułu
„Energo- i materiałooszczędna technologia przesyłu energii elektrycznej na duże odległości”, Sistiemy Ekołogiczieskije 2/2011