מה הם היתרונות של חשמל הנדסי מתח גבוה (HVDC) לעומת חשמל חילופין (HVAC) בהעברת חשמל

מהן המיתרונות של ה-VDC לעומת ה-VAC?

חשמל מועבר למרחקים ארוכים לפני שמגיע לצרכנים. תחנות כוח, לעתים רחוקות, מספקות חשמל דרך מאות מיילים ותחנות טרנספורמציה מרובות. העברת מתח גבוה מפחיתה אובדות קו, עם שימוש הן ב-VAC והן ב-VDC. אם כי VAC מוכר דרך עמודי חשמל ומפלי בית, VDC מציעה יתרונות ייחודיים בעברת חשמל.

המטרה בעברת חשמל היא להפחית אובדות וויות. בעוד שניהם נתקלים בגורמים המשפיעים, ל-VDC יש יתרונות נוספים. מאמר זה בוחן את היתרונות של VDC לעומת VAC:

ויות העברה נמוכות יותר
ויות ההעברה תלויה במיתקן הממיר במתח הקצה, בכמות/גודל המוליכים, בהיקף הצריחים ובאובדות. VAC משתמשת בטרנספורמרים להמרה—פשוטה וזולה יותר מאשר הממירים מבוססי התיריסטורים של VDC, שזו הוויתרון היחיד שלה מבחינת עלויות.

VAC דורשת לפחות 3 מוליכים להעברה בשלושה פאזות. VDC, המשתמשת באדמה כמסלול חזרה, משתמשת במוליך אחד (חד-קוטבי) או שניים (דו-קוטבי), מה שמפחית עלויות. אפילו מוליכי שלושה פאזות יכולים לשאת כפליים כמות החשמל באמצעות קשרים דו-קוטביים כפולים של VDC.

VAC דורשת מרווח גדול יותר בין פאזה לאדמה ובין פאזה לפאזה, מה דורש צריחים גבוהים יותר ורחבים יותר. צריחי VDC מפחיתים עלויות התקנה. VDC גם יש לה אובדות העברה נמוכות משמעותית, מה שהופך אותה ליעילה יותר.

ויות ההעברה הכוללת יכולה להתחלק לשני קטגוריות עיקריות: עלויות תחנת קצה ועלויות קו ההעברה. האחת היא עלות קבועה, בלתי תלויה במרחק ההעברה, בעוד שהאחרת משתנה בהתאם לאורך הקו. עלויות תחנת הקצה של VAC נמוכות באופן יחסי, בעוד שעלויות תחנת הקצה של VDC גבוהות משמעותית. עם זאת, עלות לכל 100 ק"מ לקווי העברה של VAC גבוהה בהרבה מאשר עבור קווי VDC. לכן, עקומי הויות ההשקעה של VAC ו-VDC נפגשים בנקודה הידועה כמרחק השיוויון.

מרחק השיוויון הוא אורך ההעברה מעבר אליו סך ההשקעה של VAC עולה על זו של VDC. המרחק הזה משתנה לפי סוג ההעברה: בערך 400-500 מיילים (600-800 ק"מ) לקו אוויר, 20-50 ק"מ לקו תת-ימי, ו-50-100 ק"מ לקו תת-קרקעי. מעבר לסף זה, VDC הופכת לבחירה יעילה יותר ומכלכלית יותר להעברת חשמל.

העברת VDC גורמת לאובדות נמוכות משמעותית בהשוואה ל-VAC, עם שיפורים מרכזיים באזורים הבאים:

חוסר אובדת אנרגיה ריאקטיבית

העברת VAC סובלת מאובדת אנרגיה ריאקטיבית, שהיא פרופורציונלית לאורך הקו, בתדירות וב עומס אינדוקטיבי בקצה המקבל. אובדות אלה מפחיתות את העברת האנרגיה האפקטיבית ומבזבזות אנרגיה, מגבילות את האורך המרבי של קווי VAC יעילים. כדי להפחית זאת, מערכות VAC מתבססות על פיצוי סדרתי ומקביל כדי להפחית VARs (וולט-אמפר ריאקטיביים) ולשמור על יציבות.

בניגוד לכך, VDC פועלת ללא תדירות או זרם טעינה, ממחיקה לחלוטין את אובדת האנרגיה הריאקטיבית. זה מormap את הצורך בצעדי פיצוי כאלה.

הוזלה של אובדת קורונה

כאשר מתח ההעברה עובר את הסף הקריטי (מתח תחילת הקורונה), מולקולות אוויר סביב המוליכים מתאיירות, יוצרות פיצוצים (פליטת קורונה) שמבזבזות אנרגיה. אובדת הקורונה תלויה ברמת מתח בתדירות. מכיוון ש-VDC היא בתדירות אפס, אובדת הקורונה שלה היא בערך שליש מאובדת הקורונה במערכות VAC.

חוסר אפקט עור

זרם חילופין מפגין אפקט עור, שבו הזרם מתרכז ליד פני השטח של המוליך, משאיר את הליבה חסרת שימוש. הפיזור הלא אחיד של הזרם מפחית את השטח המשולש האפקטיבי של המוליך, מגביר את ההתנגדות (שהיא הפוכה לנפח) וגורם לאובדת I²R גבוהה יותר בקווים של VAC. VDC, עם הזרם הישר המתמיד שלה, מתחמק מהאפקט הזה, מבטיחה פיזור אחיד של הזרם לאורך המוליך וממזער אובדות התנגדות.

אין אובדת קרינה או אינדוקציה

קווים של העברה VAC סובלים מאובדת קרינה ואינדוקציה עקב השדות מגנטיים שלהם המשתנים כל הזמן. אובדת קרינה מתרחשת מכיוון שקווי AC ארוכים פועלים כמו אנטנות, מקרינים אנרגיה שאינה ניתנת לשחזור. אובדת אינדוקציה נגרמת מהזרמים המושרה במוליכים סמוכים על ידי השדה המתחלף.במערכות VDC, השדה המגנטי הוא קבוע, ממחיקה לחלוטין הן את אובדת הקרינה והן את אובדת האינדוקציה.

הוזלה של אובדת זרם טעינה

כבלים תת-קרקעיים ותת-ימיים יש להם קיבול פרזיטי מולד, הדורש טעינה לפני שהם יכולים להעביר חשמל. הקיבול גדל עם אורך הכבל, וכתוצאה מכך הזרם הטעינה עולה באופן פרופורציונלי.

במערכות AC, הכבלים מטעינים ומפרקים מספר פעמים בשניה, משלבים זרם נוסף מהמקור כדי לשמור על מחזור זה. זרם נוסף זה מגביר אובדת I²R בכבל.בכבלים של VDC, לעומת זאת, דרושה טעינה רק פעם אחת במהלך האנרגיה הראשונית או החלפת מצב. זה ממחיק את האובדות הקשורות לזרמי טעינה מתמשכים.

אין אובדת חימום דיילקטרי

השדה החשמלי המתחלף במערכות AC משפיע על חומרי הבידוד בקווי העברה, גורם להם לספוג אנרגיה ולהמיר אותה לחום - תופעה הידועה כאובדן דיילקטרי. זה לא רק מבזבז אנרגיה, אלא גם מקצר את חיי הבידוד.מערכות VDC יוצרות שדה חשמלי קבוע, ממחיקה לחלוטין את האובדן הדיילקטרי ואת בעיות החימום הנלוות לבידוד.

3) מוליכים דקים יותר

אפקט העור ב-AC גורם לזרם להתרכז ליד פני השטח של המוליך, מחייב מוליכים עבים יותר כדי להגדיל את שטח הפנים ולהכיל זרמים גבוהים יותר.VDC, חסרת אפקט העור, מאפשרת לזרם להתפזר באופן אחיד לאורך חתך המוליך. זה מאפשר שימוש במוליכים דקים יותר תוך שמירה על אותה יכולת נשיאה של זרם, מפחית עלויות חומרים ומשקל.

4) הגבלות אורך קו

קווים של VAC סובלים מאובדת אנרגיה ריאקטיבית שגדלה בצורה ישירה לאורך הקו. זה מטיל הגבלה קריטית על מרחק ההעברה של VAC: מעבר לבערך 500 ק"מ לקווי אוויר, אובדת האנרגיה הריאקטיבית נעשית גבוהה מדי, מדגדגת את המערכת.הփברת VDC, לעומת זאת, אין לה הגבלות אורך כאלה, מה שהופכת אותה למגמת בחירה להעברת חשמל למרחקים ארוכים מאוד.

5) הפחתת דרישות דירוג כבלים

כבלים דורגים למתח וזרם מקסימליים סבירים. במערכות AC, מתח וזרם פיק_maximum are approximately 1.4 times higher than their average values (which correspond to the actual power delivered). However, conductors must be rated for these peak values.In DC systems, peak and average values are identical. This means HVDC can transmit the same power using cables with lower voltage and current ratings compared to HVAC. In fact, HVAC systems effectively waste about 30% of a conductor’s capacity due to their higher peak requirements.

6) Narrower Right-of-Way

"Right-of-way" refers to the land corridor required for transmission infrastructure. HVDC systems require a narrower right-of-way because they use smaller towers and fewer conductors.HVAC, by contrast, needs taller towers to support more conductors and larger insulators (rated for AC peak voltages), which demand stronger structural support. This broader footprint increases material, construction, and land costs—making HVDC superior in terms of right-of-way efficiency.

7) Superior Cable-Based Transmission

Underground and submarine cables consist of multiple conductors separated by insulation, creating parasitic capacitance between them. These cables cannot transmit power until fully charged, and capacitance (and thus charging current) increases with length.AC systems repeatedly charge and discharge cables (50–60 times per second), amplifying I²R losses and limiting cable length. HVDC cables, however, only charge once (during initial energization or switching), eliminating such losses and length restrictions.This makes HVDC the preferred choice for offshore, underwater, and underground cable transmission.

8) Bipolar Transmission

HVDC supports versatile transmission modes, with bipolar transmission being a widely used and cost-effective option. It features two parallel conductors with opposite polarities, their voltages balanced relative to the earth.If one line fails or breaks, the system seamlessly switches to monopolar mode: the remaining line continues supplying current, using the earth as the return path.

9) Controllable Power Flow

HVDC converters, based on solid-state electronics, enable precise control over power flow in AC networks. Their rapid switching capability (operating multiple times per cycle) enhances harmonic performance, dampens power swings, and optimizes the network’s power supply capacity.

10) Fast Fault Clearance

Fault currents—abnormal currents from electrical faults—pose significant risks. In HVAC systems, high fault currents can damage transmission lines, stations, generators, and loads.HVDC minimizes such risks: fault currents are lower, limiting damage to specific sections, and its fast-switching operation ensures rapid fault response, enhancing system resilience.

11) Asynchronous Grid Interconnection

HVDC enables interconnection of asynchronous AC grids with differing parameters (e.g., frequency, phase).Regions often use distinct frequencies (e.g., 50 Hz in Europe vs. 60 Hz in the U.S.), and grids may have phase differences, making direct AC interconnection impossible. HVDC, operating without frequency or phase constraints, easily links these independent systems.

12) Enabling Smart Grids

Smart grids integrate small-scale generators (solar, wind, nuclear) into a unified network with intelligent power flow control.This is feasible with HVDC, which supports asynchronous interconnection of generation units and provides full control over power distribution, aligning with smart grid requirements.

13) Reduced Noise Interference

HVDC causes far less noise interference to nearby communication lines compared to HVAC.HVAC generates audible buzzing, radio, and TV interference, with intensity tied to its frequency. HVDC, with zero frequency, produces minimal noise. Additionally, HVAC noise increases in bad weather, while HVDC noise diminishes, ensuring more stable operation.