単線アースリターン

単線アースリターン（SWER）または単線アースリターンは、単線伝送線路であり、最低コストで電力網から遠隔地に単相電力を供給します。アース（または場合によっては水域）が電流のリターンパスとして使用され、リターンパスとして機能する2本目のワイヤ（または中性線）の必要性を回避します。

単線アースリターンは主に地方の電化に使用されますが、水ポンプなどのより大きな独立した負荷にも使用されます。また、海底電力ケーブルを介した高電圧直流にも使用されます。ライトレールなどの単相電気鉄道牽引は、非常によく似たシステムを使用します。レール電圧による危険を軽減するためにアースへの抵抗を使用しますが、主なリターン電流はレールを通ります。^[1]

ロイド・マンデノ大英帝国勲章受勲者（1888-1973）は、1925年頃、ニュージーランドの農村電化のためにSWERを完全に開発しました。彼はこれを「アースワーキングシングルワイヤーライン」と名付けましたが、しばしば「マンデノの物干しロープ」と呼ばれていました。 ^[2]現在、オーストラリアとニュージーランドでは20万キロメートル（10万マイル）以上が設置されています。安全機能とアースが正しく設置されていれば、安全で信頼性が高く、低コストであると考えられています。オーストラリアの規格は広く使用され、引用されています。カナダのサスカチュワン州、ブラジル、アフリカ、米国の中西部北部とアラスカ（ベセル） の一部など、世界中で適用されています。

SWER は、従来の帰線配線が SWER の絶縁変圧器や小さな電力損失よりもコストがかかる場合に、配電システムに適した選択肢です。SWER と従来の電力線の両方の経験を持つ電力技術者は、SWER は同等に安全で、信頼性が高く、コストが低いが、従来の電力線よりも効率がわずかに低いと評価しています。^[3] SWER はメンテナンスが不十分な場合、火災を引き起こす可能性があり、山火事の危険があります。^[4]

SWER ラインへの電力供給は、最大 300  kVAの絶縁変圧器によって行われます。この変圧器は、グリッドを地面またはアースから絶縁します。電圧は、ライン間からライン対アースへの移行によって変化し、通常、22 kV グリッドは 12.7 kV SWER に、33 kV グリッドは 19.1 kV SWER に低下します。

SWER線は、数十キロメートルから数百キロメートルに渡って伸びる単一の導体であり、その全長に沿って多数の配電用変圧器が設置されている。顧客の敷地などの各変圧器では、電流が線から降圧絶縁変圧器の一次コイルを通り、アース棒を通じて大地に流れる。アース棒から、電流は最終的に線路の先頭にある主昇圧変圧器に戻り、回路が完成する。 [ ^{3]したがって、SWERは}ファントムループの実例である。

抵抗の高い土壌では、接地棒が高電圧に浮上し、エネルギーを浪費する可能性があります。抵抗は、通常は線と中性線の電圧差によりリセットされる自己リセット型遮断器に影響を及ぼすほど高い場合があります。乾燥した高抵抗土壌では、線と中性線の電圧差が小さくなるため、遮断器がリセットされなくなる可能性があります。オーストラリアでは、非常に乾燥した土壌のある場所では、接地棒を非常に深くする必要があります。^[5]アラスカでの経験から、SWERは高抵抗の永久凍土 の下に接地する必要があることがわかっています。 ^[6]

ローカル変圧器の二次巻線は、地域の標準機器電圧でシングルエンド単相 (N-0) または分割相(N-0-N) 電力を顧客に供給し、0 ボルト ラインは通常動作電流を流さない安全アースに接続されます。

大規模な SWER ラインは、最大 80 台の配電用変圧器に電力を供給することができます。変圧器の定格は通常、5  kVA、10 kVA、および 25 kVA です。負荷密度は通常、ライン 1 キロメートルあたり 0.5 kVA (1 マイルあたり 0.8 kVA) 未満です。1 人の顧客の最大需要は通常 3.5 kVA 未満ですが、配電用変圧器の容量までのより大きな負荷も供給できます。

米国の一部の SWER システムは、連続した中性線なしで構築された従来の配電フィーダです (一部は、地方の配電サービス用に再装備された旧式の送電線です)。このような線に給電する変電所では、変電所内の各柱に接地棒があり、線からの各分岐では、隣の柱と変圧器を運ぶ柱の間のスパンに接地導体があります (安全上の理由から、各変圧器に 2 つの接地点があります)。

SWER ラインの適切な機械設計により、ライフタイム コストを削減し、安全性を高めることができます。

送電線は高電圧で電流が少ないため、歴史的なSWER送電線で使用されていた導体は、8番亜鉛メッキ鋼フェンスワイヤーでした。より現代的な設備では、特別に設計されたAS1222.1 ^{[7] [8]} 高炭素鋼、アルミニウム被覆ワイヤーが使用されています。アルミニウム被覆ワイヤーは沿岸地域では腐食しますが、それ以外の点ではより適しています。^[9]スパンが長く機械的張力が高いため、風による振動でワイヤーが損傷する可能性があります。現代のシステムでは、ワイヤーにスパイラル振動ダンパーを取り付けています。^[9]

ポリマーは紫外線によるダメージを受けやすいため、絶縁体は磁器製であることが多い。電力会社によっては、高電圧絶縁体を設置して、簡単にラインをアップグレードしてより多くの電力を流せるようにしているところもある。例えば、12kVラインを22kVに絶縁したり、19kVラインを33kVに絶縁したりすることができる。^[9]

鉄筋コンクリート柱は、低コスト、低メンテナンス、水害、シロアリ、菌類への耐性があるため、SWER線路では伝統的に使用されてきた。ほとんどの地域では地元の労働者が鉄筋コンクリート柱を生産できるため、コストがさらに削減される。ニュージーランドでは金属製柱が一般的である（多くの場合、鉄道線路の旧レールである）。木製の柱も許容される。モザンビークでは、キリンが線路の下を安全に通行できるように、柱の高さは少なくとも12メートル（39フィート）必要であった。^[9]

雷が発生しやすい地域では、現代の設計では、柱を建てる前に建設される際に避雷用アースストラップを柱に設置します。ストラップと配線は、落雷を誘引しないように丸みを帯びた低コストの避雷器として配置できます。^[9]

SWERは、発電機とユーザーの両方から接地が分離されているため安全であると宣伝されています。他のほとんどの電気システムでは、発電機に直接接続された金属中性線または共有接地を使用しています。^[3]

接地は非常に重要です。接地点付近の地面には、 8アンペア程度の大きな電流 が流れます。この点付近の地電位上昇による感電の危険を防ぐには、高品質の接地接続が必要です。電源用と安全用の接地も別々に使用されます。接地点を二重にすることで、いずれかの接地が損傷した場合でも、システムの安全性が確保されます。

適切なアース接続は、通常、6 メートルの銅被覆鋼の杭を地面に垂直に打ち込み、変圧器のアースとタンクに接続します。適切な接地抵抗は 5 ～ 10 オームで、専門のアース テスト機器を使用して測定できます。SWER システムは、そのエリアにいる人や動物に感電を与えないように、地面の電界を 1 メートルあたり 20 ボルトに制限するように設計されています。

その他の標準機能には、自動再閉路回路ブレーカー (リクローザー) があります。ほとんどの障害 (過電流) は一時的なものです。ネットワークは田舎にあるため、これらの障害のほとんどはリクローザーによって解消されます。各サービス サイトには、変圧器の保護と切り替えのために、配線変更可能なドロップ アウト ヒューズが必要です。変圧器の二次側も、標準の高破断容量 (HRC) ヒューズまたは低電圧回路ブレーカーで保護する必要があります。高電圧側のサージ アレスター (スパーク ギャップ) は、特に落雷の多い地域では一般的です。

配電における火災安全上の危険のほとんどは、腐食した配線、破損した絶縁体などの老朽化した設備によるものです。これらのケースでは、SWERのメンテナンスコストが低いため、安全な運用にかかるコストを削減できます。^[4]

SWERは風による電線の衝突を回避します。これは重要な防火機能ですが、^[4]オーストラリアのビクトリア州で発生したブラックサタデー森林火災の公式調査で問題が浮上しました。この調査では、破損したSWER導体が回路の通常の負荷（この場合は木）と同様の抵抗を介して地面に短絡する可能性があることが示されました。これにより、地絡の兆候なしに大電流が発生する可能性があります。^[4]これは、導体が切れて木や乾燥した草に電流がアークを発生する可能性のある火災多発地域では危険です。

接地エリアが 100 m 以内にある場合、または 10 A を超える電流が流れる場合、裸線または接地リターン通信は接地リターン電流によって危険にさらされる可能性があります。最新のラジオ、光ファイバー チャネル、および携帯電話システムは影響を受けません。

多くの国の電気規制（特に米国）では、負荷から発電機への金属製の戻り線を義務付けています。^[10]これらの管轄区域では、各SWER線は例外的に承認される必要があります。

SWER の主な利点は、コストが低いことです。SWER は、独立した配電線を建設するコストを正当化できない、人口密度の低い地域でよく使用されます。資本コストは、同等の 2 線式単相ラインの約 50% です。3 線式三相システムの 30% のコストになることもあります。保守コストは、同等の三相ラインの約 50% です。

SWER は、配電網の最大のコストである電柱の数も削減します。従来の 2 線式または 3 線式の配電線は電力伝送容量が高いものの、1 キロメートルあたり 7 本の電柱 (1 マイルあたり 12 本の電柱) が必要になり、スパンは 100 ～ 150 メートル (110 ～ 160 ヤード) になります。SWER の高線間電圧と低電流により、低コストの亜鉛メッキ鋼線 (従来は No. 8 フェンス ワイヤ) も使用できます。^[9]鋼鉄の強度が高いため、スパンは 400 メートル (1/4 マイル) 以上になり、電柱の数は 1 キロメートルあたり 2.5 本 (1 マイルあたり 4 本) に減ります。

電柱に通信用の光ファイバーケーブルも敷設されている場合（金属導体は使用不可）、電力会社の設備投資額がさらに削減される可能性があります。

SWER はグリッドまたはループで使用できますが、通常はコストを節約するために直線または放射状レイアウトで配置されます。通常の直線形式では、SWER ラインの単一ポイント障害により、ラインの下流のすべての顧客が電力を失います。ただし、現場のコンポーネントが少ないため、SWER では障害が発生する可能性が低くなります。たとえば、ラインが 1 本しかないため、風によってラインが衝突することはなく、被害の原因や田舎の山火事の原因がなくなります。

送電線の大部分は低抵抗の接地接続部を備えているため、従来の金属帰還システムに比べて、短絡や磁気嵐による過剰な接地電流は発生しにくい。そのため、SWERでは、サービスを中断させる漏電遮断器の開放が少なくなる。^[3]

適切に設計されたSWER線は、需要の増加に応じて新しい電柱を建てることなく大幅にアップグレードすることができます。^[11]最初のステップは、鋼線をより高価な銅被覆鋼線またはアルミニウム被覆鋼線に交換することかもしれません。

電圧を上げることは可能かもしれない。遠方のSWER線路の中には、現在35kVもの高電圧で動作しているものもある。通常、これには絶縁体と変圧器の交換が必要だが、新しい柱は必要ない。^[12]

容量をさらに増やす必要がある場合は、同じポールに 2 番目の SWER ラインを配線して、180 度位相がずれた 2 つの SWER ラインを供給できます。この方法では、より多くの絶縁体とワイヤが必要になりますが、ポールを 2 倍にすることなく電力を 2 倍にすることができます。多くの標準的な SWER ポールには、このアップグレードをサポートするために複数のボルト穴があります。この構成により、ほとんどの接地電流がキャンセルされ、感電の危険や通信回線への干渉が軽減されます。

2 相サービスは、2 線式へのアップグレードでも可能になります: ^{[要出典] [議論]}信頼性は低くなりますが、効率は高くなります。より多くの電力が必要になった場合、負荷に合わせて、単線式 SWER から 2 線式、単相、そして最終的には 3 線式、3 相へとラインをアップグレードできます。これにより、資本をより効率的に使用でき、初期設置のコストも抑えられます。

これらのアップグレード前に設置された顧客機器はすべて単相であり、アップグレード後に再利用できます。少量の三相電力が必要な場合は、オンサイト機器を使用して二相電力から経済的に合成できます。

SWERラインは長く、インピーダンスが高い傾向があるため、ラインに沿った電圧降下が問題となることが多く、調整不良を引き起こします。需要の変動は供給電圧の変動を引き起こします。これに対処するために、一部の設備では、受信電圧を法定仕様内に保つために、顧客サイトに自動可変変圧器を設置しています。^[13]

数年の経験を経て、発明者は、変圧器、配線、アースリターンパスの誘導リアクタンスを打ち消すために、主絶縁変圧器のアースに直列にコンデンサを接続することを提唱しました。計画は、力率を改善し、損失を減らし、無効電力フローによる電圧性能を向上させることでした。^[3]理論的には正しいものの、これは標準的な方法ではありません。また、DCテストループを使用して、正当な可変負荷と、（たとえば）倒木（アースへのDCパスになる）を区別することもできます。

単線アースリターンは世界中で使用されていますが、最も一般的に使用されているのはニュージーランドとオーストラリアです。

1981 年、米国アラスカ州ベセルのディーゼル プラントからナパキアックまで、8.5 マイルの高出力プロトタイプ SWER ラインの設置に成功しました。このラインは80 kVで動作し、当初はA フレームを形成する特殊な軽量グラスファイバーポールに設置されていました。その後、A フレームは取り外され、標準的な木製の電柱が設置されました。A フレームのポールは軽量のスノー マシンで運ぶことができ、大規模な掘削を行わずに永久凍土に手工具で設置できました。「アンカー」ポールの設置には依然として重機が必要でしたが、コストの節約は劇的でした。

米国のアラスカ大学フェアバンクス校の研究者らは、このような送電線網を沿岸の風力タービンと組み合わせることで、アラスカの農村部における発電用の高騰するディーゼル燃料への依存を大幅に減らすことができると推定している。 ^[14]アラスカ州の経済エネルギー調査では、州内で十分に活用されていない電力源をさらに活用するために、この選択肢のさらなる研究を提唱している。^[15]

現在、ラオス、南アフリカ、モザンビークなど、一部の発展途上国ではSWERシステムを主電源システムとして採用しています。^[9] SWERはブラジルでも広く使用されています。^[16]

海底電力ケーブルを使用する高電圧直流システム (HVDC) の多くは、単線アースリターンシステムです。正極ケーブルと負極ケーブルの両方を備えた双極システムでは、片方の極が故障した場合に使用する海水接地電極も保持されます。電気化学的腐食を防ぐため、このようなシステムの接地電極は、変換ステーションから離れた場所に設置され、送電ケーブルの近くではありません。

電極は海中または陸上に設置できます。裸銅線は陰極として使用でき、地中に埋められたグラファイト棒または海中のチタングリッドは陽極として使用できます。電気化学的腐食 (およびチタン表面の不動態化) を回避するには、電極表面の電流密度を小さくする必要があり、そのため大きな電極が必要になります。

単線アースリターンを備えた HVDC システムの例としては、Baltic CableやKontek などがあります。

次の表はSWERシステムのさまざまなインストールを示しています。

• Rural power.org 2012 年 7 月 21 日、 Wayback Machineにアーカイブ- このトピックに関する優れたサイトです。Mandeno の記事の PDF を提供しています。
• 単線アースリターン電源システムのマニュアル ( Wayback Machineに 2012 年 8 月 6 日にアーカイブ) - オーストラリア北部準州政府のネットワーク電力規格部門から提供。寸法付きの機械図面と部品リストが含まれています。
• AS2558-2006 単線アースリターン配電システム用変圧器 2017年9月21日アーカイブ-オーストラリア規格
• カナダのサスカチュワン州は50年以上にわたりSWERを運営してきた。
• 単線アースリターンシステムの電圧サポートとしての分散型発電、マサチューセッツ州カシェム、レドウィッチ、G.、IEEE Transactions on Power Delivery、第19巻、第3号、2004年7月、ページ：1002–1011 [1]