Truyền điện qua khoảng cách xa AC hay DC tốt hơn là gì?

Tôi tìm thấy câu trả lời này cho một câu hỏi liên quan. Một phần của câu trả lời khiến tôi bối rối là:

Truyền nguồn DC trên một khoảng cách dài là không hiệu quả. Do đó, nguồn cung cấp AC là một nguồn điện hiệu quả hơn nhiều.

Theo Siemens thì hoàn toàn ngược lại :

Bất cứ khi nào phải truyền điện qua khoảng cách xa, truyền tải DC là giải pháp kinh tế nhất so với điện áp cao AC.

Ngoài ra, từ Wikipedia

Tổn thất truyền tải HVDC được trích dẫn là ít hơn 3% trên 1.000 km, thấp hơn 30 đến 40% so với đường dây AC, ở cùng mức điện áp.

Là câu trả lời được đăng đúng?

- - CHỈNH SỬA - -

Chris H đã thực hiện một quan sát rất quan trọng (xem bình luận của anh ấy bên dưới): Bối cảnh của bài tôi đã đề cập là điện áp thấp trong khi tôi đang mù quáng nghĩ về điện áp cao. Quả thực tôi đã học được tải bởi các câu trả lời và ý kiến. Cảm ơn.

Sẽ hiệu quả hơn khi truyền DC bằng cách sử dụng cùng một cơ sở hạ tầng. Điều này là do một số hiệu ứng:

1. Hiệu ứng da có kinh nghiệm với AC. Không có hiệu ứng da với DC.

2. Điện áp cao hơn cho phép với DC cho cùng một đường truyền. Các đường dây phải chịu được điện áp cực đại. Với AC, cao hơn 1,4 lần so với RMS. Với DC, RMS và điện áp cực đại là như nhau. Tuy nhiên, công suất truyền đi là thời gian hiện tại của RMS, không phải điện áp cực đại.

3. Không mất bức xạ với DC. Các đường truyền dài đóng vai trò là ăng ten và làm tỏa ra một số năng lượng. Điều đó chỉ có thể xảy ra với AC.

4. Không có tổn thất cảm ứng. Từ trường thay đổi xung quanh một dây mang dòng điện xoay chiều gây ra điện áp và dòng điện cảm ứng trong các dây dẫn gần đó. Trong thực tế, đường truyền là chính của máy biến áp, và dây dẫn gần nó là phụ. Với dòng điện một chiều, từ trường không thay đổi và do đó không truyền được điện.

Một ưu điểm khác của DC là nó không yêu cầu đồng bộ hóa giữa các lưới. Hai lưới AC cần được đồng bộ hóa pha để được kết nối với nhau. Điều này trở nên khó khăn khi khoảng cách đủ lớn để trở thành phân số đáng kể của một chu kỳ.

Mặt trái là AC dễ dàng chuyển đổi giữa các điện áp. Chuyển đổi DC trở lại AC để đổ nó vào lưới cục bộ ở đầu nhận không phải là một quá trình tầm thường. Phải mất một nhà máy lớn để làm điều này, có nghĩa là chi phí đáng kể. Chi phí đó chỉ đáng giá nếu khoảng cách truyền đủ dài để tiết kiệm hiệu quả vượt xa chi phí của nhà máy chuyển đổi DC-AC trong suốt vòng đời của nó.

Dưới đây là một ví dụ về những gì cần thiết để chuyển đổi điện áp cao DC trở lại AC:

Nguồn điện DC từ các đập lớn ở Quebec đi vào phía trên bên phải. Nhà máy này chuyển đổi nó thành AC và đưa nguồn điện vào một đường truyền AC khu vực lớn ở Ayer Massachusetts ở 42.5702N 71.5242W .

Chi phí xây dựng và vận hành nhà máy này là xứng đáng nhờ tiết kiệm điện đáng kể khi truyền DC thay vì AC. Đồng bộ hóa cũng là một yếu tố trong việc sử dụng DC.

Tôi thực sự đã làm việc trên các chương trình HVDC, từ giữa đến cuối những năm 90. Câu trả lời của Olin Lathrop là đúng một phần, nhưng không hoàn toàn. Tôi sẽ cố gắng không lặp lại quá nhiều câu trả lời của anh ấy, nhưng tôi sẽ làm rõ một vài điều.

Các tổn thất cho AC chủ yếu là do độ tự cảm của cáp. Điều này tạo ra phản ứng cho truyền tải điện xoay chiều. Một quan niệm sai lầm phổ biến (lặp đi lặp lại bởi Olin) là điều này là do chuyển giao quyền lực cho những thứ xung quanh nó. Không phải vậy - một cuộn dây ở giữa đường và Đám mây Magellanic sẽ có cùng một phản ứng và gây ra chính xác các hiệu ứng điện tương tự trên bàn của bạn. Vì lý do này, nó được gọi là tự cảm , và tự cảm của cáp truyền dài là thực sự quan trọng.

Cáp không mất bất kỳ sức mạnh đáng kể nào từ khớp nối cảm ứng với các kim loại khác - đây là nửa còn lại của quan niệm sai lầm phổ biến đó. Hiệu quả của khớp nối cảm ứng là một hàm của tần số AC và khoảng cách giữa các dây cáp. Đối với truyền AC ở tần số 50 / 60Hz, tần số thấp đến mức việc ghép cảm ứng ở bất kỳ khoảng cách nào hoàn toàn không hiệu quả; và trừ khi bạn muốn bị điện giật, những khoảng cách đó phải cách nhau vài mét. Điều này chỉ không xảy ra ở bất kỳ mức độ có thể đo lường được.

(Đã chỉnh sửa để thêm một điều tôi quên) Đối với cáp chạy dưới nước, cũng có dung lượng cáp rất cao do cấu trúc của chúng. Đây là một nguồn tổn thất phản ứng khác nhau, nhưng có ý nghĩa theo cùng một cách. Đây có thể là nguyên nhân chính của tổn thất trong cáp dưới nước.

Hiệu ứng da không gây ra điện trở cao hơn cho truyền tải điện xoay chiều, như Olin nói. Trong thực tế, sự cần thiết của cáp linh hoạt làm cho vấn đề này ít hơn. Một dây cáp đủ dày để truyền tải năng lượng đáng kể thường sẽ không linh hoạt và khó sử dụng khi treo trên tháp, do đó, cáp truyền được lắp ráp từ một bó dây được đặt cách nhau bằng các miếng đệm. Dù sao chúng ta cũng cần phải làm điều này, cho dù chúng ta đang sử dụng DC hay AC. Kết quả của việc này là đặt các dây trong vùng hiệu ứng da cho bó. Rõ ràng có kỹ thuật liên quan đến điều này, và vẫn sẽ có một số tổn thất, nhưng bằng sự trùng hợp hạnh phúc này, chúng tôi có thể đảm bảo rằng chúng thấp hơn rất nhiều.

Tất nhiên, cáp chôn và cáp ngầm là một loại cáp dày duy nhất, vì vậy về nguyên tắc chúng vẫn có thể bị cắn bởi hiệu ứng da. Cấu trúc cáp hạng nặng mặc dù thường sẽ sử dụng lõi trung tâm mạnh, cung cấp tính toàn vẹn về cấu trúc cho cáp, với các đầu nối khác được nối vào lõi đó. Một lần nữa, chúng ta có thể sử dụng điều đó cho lợi thế của mình để giảm hiệu ứng da trong AC và thậm chí cáp HVDC sẽ được chế tạo theo cách tương tự.

Chiến thắng lớn trong truyền tải điện mặc dù đang loại bỏ tổn thất phản ứng.

Như Olin nói, cũng có một vấn đề với việc nối hai lưới điện với nhau, bởi vì chúng sẽ không bao giờ chính xác cùng tần số và pha. Việc sử dụng thông minh các bộ lọc vào giữa thế kỷ 20 đã cho phép kết nối các lưới điện, nhưng thiết kế chúng là nhiều nghệ thuật như khoa học và chúng vốn không hiệu quả. Khi bạn đã truyền được điện ở DC, bạn có thể tái tạo AC với tần số và pha chính xác như lưới đích và tránh sự cố.

Không chỉ vậy, nó còn hiệu quả hơn nhiều khi chuyển đổi từ AC sang DC và trở lại AC một lần nữa, thay vì cố gắng sử dụng các bộ lọc để bù cho pha và tần số. Lưới ngày nay thường được tham gia với các chương trình back-to-back . Đây thực chất là cả hai nửa của một liên kết HVDC cạnh nhau, với một thanh cái khổng lồ nằm giữa hai thay vì hàng km cáp truyền.

Họ đang nói về sự phức tạp và chi phí ( $ $ $ $ $ )

Những người nói "DC kém hiệu quả hơn" đang sử dụng từ "hiệu quả" để nói về các yếu tố thiết kế như độ phức tạp của phần cứng chuyển đổi và quan trọng hơn là chi phí của nó .

Nếu chúng ta có một máy Santa Claus có thể bật ra các bộ chuyển đổi DC / DC rẻ và đáng tin cậy như các máy biến áp tương đương, thì DC thắng. (chỉ có tác dụng cho da). Tuy nhiên, trong thế giới thực tế, một khi đôi giày của bạn được buộc dây và găng tay của lineman được bật, bạn sẽ gặp phải một số trở ngại khác.

• Trong AC, tốc độ ánh sáng tạo ra các vấn đề theo giai đoạn khi tải di chuyển xung quanh - đặc biệt là vấn đề trên đường sắt điện, đó là lý do tại sao chúng thích các tần số cực thấp như 25 Hz hoặc 16-2 / 3 Hz. Vấn đề này biến mất với DC .
• Bạn không thể tăng hiện tại. Hiện tại bị giới hạn bởi hệ thống sưởi dây và sưởi ấm dây đã dựa trên RMS của AC.
• Hầu hết các cơ sở lắp đặt tháp truyền tải và phân phối được chế tạo cho "delta" 3 pha, vì vậy chúng có 3 dây dẫn. Thật khó để sử dụng hiệu quả cả 3 dây trong DC, vì vậy DC sẽ làm giảm đáng kể công suất hiệu quả của các dây này bằng cách lãng phí một dây. Bao nhiêu? DC mang tương tự như AC một pha và 3 dây 3 pha mang sqrt (3) (1.732) lần nhiều hơn. Ôi.
• Bạn cũng có thể tăng điện áp. Các dòng điện xoay chiều được cách điện cho điện áp cực đại [đỉnh = RMS * sqrt (2)] để bạn có thể giả thuyết tăng điện áp DC lên mức đó. Tuy nhiên...
• Một khi năng lượng DC tấn công một vòng cung, sẽ rất khó để dập tắt bởi vì nó không bao giờ dừng lại (không giống như AC, trong đó mọi giao thoa 0 đều tạo ra cơ hội để dập tắt). Điều này có thể được giải quyết với phát hiện lỗi hồ quang. Các dòng AC đã có recloder sẽ tự động kết nối lại sau một chuyến đi; một recloser DC có thể thử lại sau ít nhất vài mili giây, sao chép hiệu ứng của giao thoa AC.

Tất cả những thứ khác là truyền DC đều hiệu quả hơn truyền tải AC ở cùng điện áp danh định do loại bỏ tổn thất phản ứng.

Tuy nhiên tất cả những thứ khác hiếm khi bằng nhau.

1. Ở một điện áp nhất định, DC dễ bị kéo dài hơn nhiều so với AC.
2. Gần đây chúng tôi đã phát triển khả năng chuyển đổi giữa các điện áp DC với chi phí và hiệu quả hợp lý. Ở mức năng lượng cao, nó vẫn đắt hơn và kém hiệu quả hơn so với máy biến áp.

Kết quả là các hệ thống DC có xu hướng hoạt động ở điện áp thấp hơn các hệ thống AC và đây là điều khiến DC nổi tiếng là không hiệu quả.

Điện áp có ảnh hưởng lớn đến chi phí và / hoặc hiệu quả truyền tải. Nếu bạn giảm một nửa điện áp thì để duy trì cùng mức tổn thất điện trở, bạn phải tăng gấp bốn lần kích thước của dây dẫn. Ngoài ra, bạn có tổn thất gấp bốn lần cho cùng một kích thước dây dẫn.

Ngoại lệ cho điều này là điểm năng lượng rất cao để truyền năng lượng điểm qua khoảng cách xa, trên cáp dưới biển hoặc giữa các lưới không đồng bộ. Trong những trường hợp này, chi phí và mối nguy liên quan đến việc chuyển đổi AC được sử dụng trên lưới điện sang điện áp cao DC trở nên hợp lý hơn.