Qué Ventajas Tiene la Tensión Directa de Alta Tensión (HVDC) Sobre la Tensión Alternada de Alta Tensión (HVAC) na Transmisión de Enerxía

Cal son as vantaxes do HVDC sobre o HVAC?

A electricidade viaxas longas distancias antes de chegar aos consumidores. As centrais eléctricas, a miúdo remotas, fornecen electricidade a través de centos de millas e múltiples subestacións. A transmisión en alta tensión reduz as perdas na liña, utilizando tanto corrente alterna como directa. Aínda que a CA é familiar polos postes de servizo público e as tomas de corrente domésticas, o HVDC ofrece ventaxes únicas na transmisión de enerxía.

O obxectivo da transmisión de enerxía é minimizar as perdas e os custos. Aínda que ambos se vean afectados por factores influyentes, o HVDC ten máis ventaxes. Este artigo explora as vantaxes do HVDC sobre o HVAC:

Custos de Transmisión Menores
Os custos de transmisión dependen do equipo de conversión de tensión terminal, a cantidade/tamaño dos conductores, as dimensións das torres e as perdas. O HVAC usa transformadores para a conversión—máis simples e baratos que os conversores baseados en tiristores do HVDC, a súa única vantaxe de custo.

O HVAC necesita polo menos 3 conductores para a transmisión trifásica. O HVDC, usando a terra como camiño de retorno, usa 1 conductor (monopolar) ou 2 (bipolar), reducindo os custos. Incluso os conductores trifásicos poden transportar o dobre da potencia a través de ligazóns HVDC bipolares duplas.

O HVAC require maior espazo entre fase e terra e entre fases, necesitando torres máis altas e anchas. As torres HVDC reducen os custos de instalación. O HVDC tamén ten significativamente menos perdas de transmisión, facendo-o máis eficiente.

Os custos totais de transmisión poden dividirse en dúas categorías principais: os custos das estacións terminais e os custos das liñas de transmisión. Os primeiros son un gasto fixo, independente da distancia de transmisión, mentres que os segundos varián con a lonxitude da liña. Os custos de terminais AC son relativamente baixos, mentres que os custos de terminais HVDC son significativamente maiores. No entanto, o custo por cada 100 km para as liñas de transmisión HVAC é moito maior que o das liñas HVDC. Así, as curvas de custo total para HVAC e HVDC intersecan nun punto coñecido como a distancia de equilibrio.

A distancia de equilibrio é a lonxitude de transmisión máis alá da cal o custo total de investimento do HVAC supera o do HVDC. Esta distancia varía segundo o tipo de transmisión: aproximadamente 400–500 millas (600–800 km) para liñas aéreas, 20–50 km para liñas submarinas, e 50–100 km para liñas subterraneas. Máis alá deste limiar, o HVDC converte-se nunha opción máis eficiente e económicamente viable para a transmisión de enerxía.

A transmisión HVDC incide en significativamente menos perdas comparada co HVAC, con melloras clave nas seguintes áreas:

Ausencia de Perdas de Potencia Reactiva

A transmisión HVAC sofre perdas de potencia reactiva, que son directamente proporcionais á lonxitude da liña, a frecuencia e as cargas inductivas no extremo receptor. Estas perdas reducen a transferencia efectiva de potencia e desperdician enerxía, limitando a lonxitude máxima de liñas HVAC eficientes. Para mitigar isto, os sistemas HVAC confían na compensación en serie e en paralelo para reducir os VARs (voltio-amperios reactivos) e manter a estabilidade.

En contraste, o HVDC opera sen frecuencia ou corrente de carga, eliminando completamente as perdas de potencia reactiva. Isto elimina a necesidade de tales medidas de compensación.

Redución das Perdas de Corona

Cando a tensión de transmisión excede un umbral crítico (a tensión de inicio de corona), as moléculas de aire arredor dos conductores ionizan, creando chispas (descarga de corona) que desperdician enerxía. As perdas de corona dependen do nivel de tensión e a frecuencia. Dado que a CD ten frecuencia cero, as perdas de corona do HVDC son aproximadamente un terzo das do sistema HVAC.

Ausencia do Efecto de Pele

A corrente alternada presenta o efecto de pele, onde a corrente se concentra preto da superficie do conductor, deixando o núcleo subutilizado. Esta distribución desigual de corrente reduce a área efectiva do condutor, aumentando a resistencia (xa que a resistencia é inversamente proporcional á área) e resultando en maiores perdas I²R nas liñas HVAC. O HVDC, coa súa corrente directa constante, evita este efecto, asegurando unha distribución uniforme da corrente a través do condutor e minimizando as perdas resistivas.

Ausencia de Perdas por Radiación ou Inducción

As liñas de transmisión HVAC sofren perdas por radiación e indución debido aos seus campos magnéticos constantemente variables. As perdas por radiación ocorren porque as liñas AC actúan como antenas, radiando enerxía que non pode recuperarse. As perdas por indución derivan das correntes inducidas en conductores próximos polo campo alternante.Nos sistemas HVDC, o campo magnético é constante, eliminando completamente as perdas por radiación e indución.

Redución das Perdas de Corrente de Carga

Os cabos subterraneos e submarinos teñen capacitancia parasita inherente, que requiren cargar antes de poder transmitir potencia. A capacitancia aumenta coa lonxitude do cabo, e así a corrente de carga aumenta proporcionalmente.

Nos sistemas AC, os cabos cargan e descargan varias veces por segundo, extraendo corrente adicional da fonte para manter este ciclo. Esta corrente extra aumenta as perdas I²R no cabo.Os cabos HVDC, no entanto, só requiren cargar unha vez durante a energización inicial ou a conmutación. Isto elimina as perdas asociadas coas correntes de carga continuas.

Ausencia de Perdas por Calor Dieléctrico

O campo eléctrico alternante nos sistemas AC afecta aos materiais de aislamento nas liñas de transmisión, facendo que absorban enerxía e a convirtan en calor—un fenómeno coñecido como perda dieléctica. Isto non só desperdicia enerxía, senón que tamén acorta a vida útil do aislamento.Os sistemas HVDC xeran un campo eléctrico constante, evitando as perdas dieléctricas e os problemas asociados ao aquecemento do aislamento.

3) Conductores Máis Finos

O efecto de pele na CA causa que a corrente se concentre preto da superficie do conductor, requirindo conductores máis gruesos para aumentar a área de superficie e acomodar correntes máis altas.O HVDC, libre do efecto de pele, permite que a corrente se distribua uniformemente a través da sección transversal do conductor. Isto permite o uso de conductores máis finos mantendo a mesma capacidade de transporte de corrente, reducindo os custos de material e peso.

4) Limitacións na Lonxitude da Liña

As liñas HVAC sufren perdas de potencia reactiva que aumentan directamente coa lonxitude da liña. Isto impón un límite crítico na distancia de transmisión HVAC: máis alá de aproximadamente 500 km para liñas aéreas, as perdas de potencia reactiva son excesivamente altas, desestabilizando o sistema.A transmisión HVDC, en contraste, non ten tales restricións de lonxitude, facendo-a adecuada para a entrega de enerxía a ultra-longas distancias.

5) Redución dos Requisitos de Clasificación de Cabos

Os cabos están clasificados para a máxima tensión e corrente tolerables. Nos sistemas AC, a tensión e corrente pico son aproximadamente 1,4 veces superiores aos seus valores medios (que corresponden á potencia real entregada). No entanto, os conductores deben estar clasificados para estes valores pico.Nos sistemas DC, os valores pico e medio son idénticos. Isto significa que o HVDC pode transmitir a mesma potencia usando cabos con clasificaciones de tensión e corrente inferiores en comparación co HVAC. De feito, os sistemas HVAC desperdician aproximadamente o 30% da capacidade dun conductor debido aos seus requisitos pico máis altos.

6) Derecho de Paso Máis Estreito

"Derecho de paso" refírese á franxa de terreo requerida para a infraestrutura de transmisión. Os sistemas HVDC requiren un derecho de paso máis estreito porque usan torres máis pequenas e menos conductores.O HVAC, en contraste, necesita torres máis altas para sostener máis conductores e aisladores máis grandes (clasificados para as tensións pico de CA), que requiren un apoio estructural máis forte. Esta pegada máis ampla aumenta os custos de material, construción e terreo—facendo que o HVDC sexa superior en termos de eficiencia do dereito de paso.

7) Transmisión Baseada en Cabos Superior

Os cabos subterraneos e submarinos consisten en múltiples conductores separados por aislamento, creando capacitancia parasita entre eles. Estes cabos non poden transmitir potencia ata que se carguen completamente, e a capacitancia (e así a corrente de carga) aumenta coa lonxitude.Os sistemas AC recargan e descargan repetidamente os cabos (50–60 veces por segundo), amplificando as perdas I²R e limitando a lonxitude do cabo. Os cabos HVDC, no entanto, só se cargan unha vez (durante a energización inicial ou a conmutación), eliminando esas perdas e as restricións de lonxitude.Isto fai que o HVDC sexa a opción preferida para a transmisión de cabos offshore, submarinos e subterraneos.

8) Transmisión Bipolar

O HVDC admite modos de transmisión versátiles, sendo a transmisión bipolar unha opción amplamente utilizada e económica. Caracterízase por dous conductores paralelos con polaridades opostas, cuxas tensións están equilibradas respecto á terra.Se unha liña falla ou se rompe, o sistema pasa sinxelmente ao modo monopolar: a liña restante continua fornecendo corrente, usando a terra como camiño de retorno.

9) Flujo de Potencia Controlable

Os conversores HVDC, basados en electrónica de estado sólido, permiten un control preciso do flujo de potencia nas redes AC. A súa rápida capacidade de conmutación (operando varias veces por ciclo) mellora o rendemento harmónico, atenua as oscilacións de potencia e optimiza a capacidade de fornecemento de potencia da rede.

10) Limpeza Rápida de Fallos

As correntes de fallo—correntes anormais de fallos eléctricos—poñen en risco significativo. Nos sistemas HVAC, as correntes de fallo elevadas poden danar as liñas de transmisión, as estacións, os xeradores e as cargas.O HVDC minimiza tais riscos: as correntes de fallo son menores, limitando o dano a seccións específicas, e a súa operación de conmutación rápida asegura unha resposta rápida ao fallo, mellorando a resiliencia do sistema.

11) Interconexión de Reds Assíncronas

O HVDC permite a interconexión de rexs AC assíncronas con parámetros diferentes (por exemplo, frecuencia, fase).As rexións adoitan usar frecuencias distintas (por exemplo, 50 Hz en Europa vs. 60 Hz nos EE.UU.), e as rexs poden ter diferenzas de fase, facendo imposible a interconexión directa de AC. O HVDC, operando sen restricións de frecuencia ou fase, liga facilmente estes sistemas independentes.

12) Habilitando Re