Quais são as Vantagens da Transmissão de Energia em Corrente Contínua de Alta Tensão (HVDC) em Relação à Corrente Alternada de Alta Tensão (HVAC)?
Quais são as Vantagens do HVDC sobre o HVAC?
A eletricidade percorre longas distâncias antes de chegar aos consumidores. As usinas de energia, muitas vezes remotas, fornecem eletricidade através de centenas de milhas e múltiplas subestações. A transmissão em alta tensão reduz as perdas na linha, com o uso tanto de corrente alternada (AC) quanto de corrente contínua (DC). Embora a AC seja familiar através de postes de utilidades e tomadas domésticas, o HVDC oferece vantagens únicas na transmissão de energia.
O objetivo da transmissão de energia é minimizar as perdas e os custos. Embora ambos enfrentem fatores influentes, o HVDC tem mais vantagens. Este artigo explora as vantagens do HVDC sobre o HVAC:
Custos de Transmissão Menores
Os custos de transmissão dependem do equipamento de conversão de tensão terminal, quantidade/tamanho dos condutores, dimensões das torres e perdas. O HVAC usa transformadores para conversão—mais simples e baratos do que os conversores baseados em tiristores do HVDC, sua única vantagem de custo.
O HVAC precisa de pelo menos 3 condutores para transmissão trifásica. O HVDC, usando a terra como caminho de retorno, usa 1 condutor (monopolar) ou 2 (bipolar), reduzindo custos. Mesmo condutores trifásicos podem transportar o dobro de potência via ligações bipolares duplas de HVDC.
O HVAC requer maior espaçamento fase-a-terra e fase-a-fase, necessitando torres mais altas e largas. As torres de HVDC reduzem os custos de instalação. O HVDC também tem perdas de transmissão significativamente menores, tornando-o mais eficiente.
Os custos totais de transmissão podem ser divididos em duas categorias principais: custos de estações terminais e custos de linhas de transmissão. Os primeiros são despesas fixas, independentes da distância de transmissão, enquanto os últimos variam com o comprimento da linha. Os custos de terminais de AC são relativamente baixos, enquanto os custos de terminais de HVDC são significativamente maiores. No entanto, o custo por 100 km para linhas de transmissão HVAC é muito maior do que para linhas HVDC. Assim, as curvas de custo total para HVAC e HVDC se cruzam em um ponto conhecido como a distância de equilíbrio.
A distância de equilíbrio é o comprimento de transmissão além do qual o custo total de investimento em HVAC excede o de HVDC. Esta distância varia conforme o tipo de transmissão: aproximadamente 400–500 milhas (600–800 km) para linhas aéreas, 20–50 km para linhas subaquáticas e 50–100 km para linhas subterrâneas. Além deste limite, o HVDC se torna uma escolha mais eficiente e economicamente viável para a transmissão de energia.
A transmissão HVDC incide em perdas significativamente menores em comparação com o HVAC, com melhorias-chave nas seguintes áreas:
Ausência de Perdas de Potência Reativa
A transmissão HVAC sofre de perdas de potência reativa, que são diretamente proporcionais ao comprimento da linha, à frequência e às cargas indutivas no extremo receptor. Essas perdas reduzem a transferência efetiva de potência e desperdiçam energia, limitando o comprimento máximo de linhas HVAC eficientes. Para mitigar isso, os sistemas HVAC dependem de compensação série e paralela para reduzir VARs (volt-ampere reativo) e manter a estabilidade.
Em contraste, o HVDC opera sem frequência ou corrente de carga, eliminando completamente as perdas de potência reativa. Isso remove a necessidade dessas medidas de compensação.
Redução de Perdas por Corona
Quando a tensão de transmissão excede um limiar crítico (a tensão de iniciação da corona), as moléculas de ar ao redor dos condutores se ionizam, criando faíscas (descarga de corona) que desperdiçam energia. As perdas por corona dependem do nível de tensão e da frequência. Como a DC tem frequência zero, as perdas por corona do HVDC são aproximadamente um terço das observadas nos sistemas HVAC.
Ausência do Efeito Pele
A corrente AC exibe o efeito pele, onde a corrente se concentra perto da superfície do condutor, deixando o núcleo subutilizado. Esta distribuição desigual de corrente reduz a área efetiva do condutor, aumentando a resistência (já que a resistência é inversamente proporcional à área) e resultando em perdas I²R mais altas nas linhas HVAC. O HVDC, com sua corrente contínua constante, evita esse efeito, garantindo uma distribuição uniforme de corrente ao longo do condutor e minimizando as perdas resistentes.
Sem Perdas por Radiação ou Indução
As linhas de transmissão HVAC sofrem de perdas por radiação e indução devido aos seus campos magnéticos constantemente variáveis. As perdas por radiação ocorrem porque as linhas AC longas atuam como antenas, irradiando energia que é irreversível. As perdas por indução surgem de correntes induzidas em condutores próximos pelo campo alternado.Nos sistemas HVDC, o campo magnético é constante, eliminando completamente as perdas por radiação e indução.
Redução de Perdas por Corrente de Carga
Cabos subterrâneos e subaquáticos têm capacitância parasitária inerente, que requer carregamento antes de poderem transmitir energia. A capacitância aumenta com o comprimento do cabo, e, portanto, a corrente de carga aumenta proporcionalmente.
Nos sistemas AC, os cabos carregam e descarregam várias vezes por segundo, exigindo corrente adicional da fonte para manter esse ciclo. Esta corrente extra aumenta as perdas I²R no cabo.Os cabos HVDC, no entanto, só precisam ser carregados uma vez durante a energização inicial ou comutação. Isso elimina as perdas associadas às correntes de carregamento contínuas.
Sem Perdas por Aquecimento Dielétrico
O campo elétrico alternado nos sistemas AC afeta os materiais de isolamento nas linhas de transmissão, fazendo com que absorvam energia e a convertam em calor—um fenômeno conhecido como perda dielétrica. Isso não apenas desperdiça energia, mas também encurta a vida útil do isolamento.Os sistemas HVDC geram um campo elétrico constante, evitando perdas dielétricas e os problemas associados ao aquecimento do isolamento.
3) Condutores Mais Finos
O efeito pele na AC causa a concentração da corrente perto da superfície do condutor, exigindo condutores mais grossos para aumentar a área superficial e acomodar correntes mais altas.O HVDC, livre do efeito pele, permite a distribuição uniforme da corrente ao longo da seção transversal do condutor. Isso permite o uso de condutores mais finos, mantendo a mesma capacidade de condução de corrente, reduzindo os custos de material e peso.
4) Limitações de Comprimento da Linha
As linhas HVAC sofrem de perdas de potência reativa que aumentam diretamente com o comprimento da linha. Isso impõe um limite crítico na distância de transmissão HVAC: além de aproximadamente 500 km para linhas aéreas, as perdas de potência reativa se tornam excessivamente altas, desestabilizando o sistema.A transmissão HVDC, por outro lado, não tem tais restrições de comprimento, tornando-a adequada para a entrega de energia em distâncias ultralongas.
5) Redução dos Requisitos de Classificação do Cabo
Os cabos são classificados para tensão e corrente máximas toleráveis. Nos sistemas AC, a tensão e a corrente de pico são aproximadamente 1,4 vezes maiores que seus valores médios (que correspondem à potência real entregue). No entanto, os condutores devem ser classificados para esses valores de pico.Nos sistemas DC, os valores de pico e médio são idênticos. Isso significa que o HVDC pode transmitir a mesma potência usando cabos com classificações de tensão e corrente menores em comparação com o HVAC. Na verdade, os sistemas HVAC desperdiçam cerca de 30% da capacidade de um condutor devido a seus requisitos de pico mais altos.
6) Faixa de Servidão Mais Estreita
"Faixa de servidão" refere-se à faixa de terra necessária para infraestrutura de transmissão. Os sistemas HVDC requerem uma faixa de servidão mais estreita porque usam torres menores e menos condutores.O HVAC, por outro lado, precisa de torres mais altas para suportar mais condutores e isuladores maiores (classificados para tensões de pico AC), o que exige suporte estrutural mais forte. Este pé de impressão mais amplo aumenta os custos de material, construção e terra—tornando o HVDC superior em termos de eficiência de faixa de servidão.
7) Transmissão Superior Baseada em Cabos
Cabos subterrâneos e submarinos consistem em múltiplos condutores separados por isolamento, criando capacitância parasitária entre eles. Esses cabos não podem transmitir energia até serem totalmente carregados, e a capacitância (e, portanto, a corrente de carga) aumenta com o comprimento.Os sistemas AC carregam e descarregam os cabos repetidamente (50–60 vezes por segundo), amplificando as perdas I²R e limitando o comprimento do cabo. Os cabos HVDC, no entanto, só carregam uma vez (durante a energização inicial ou comutação), eliminando essas perdas e as restrições de comprimento.Isso torna o HVDC a escolha preferida para transmissão de cabos offshore, subaquática e subterrânea.
8) Transmissão Bipolar
O HVDC suporta modos de transmissão versáteis, com a transmissão bipolar sendo uma opção amplamente utilizada e econômica. Ele possui dois condutores paralelos com polaridades opostas, suas tensões equilibradas em relação à terra.Se uma linha falhar ou se romper, o sistema muda automaticamente para o modo monopolar: a linha restante continua fornecendo corrente, usando a terra como caminho de retorno.
9) Fluxo de Potência Controlável
Os conversores HVDC, baseados em eletrônica de estado sólido, permitem controle preciso sobre o fluxo de potência em redes AC. Sua capacidade de comutação rápida (operando várias vezes por ciclo) melhora o desempenho harmônico, amortece oscilações de potência e otimiza a capacidade de fornecimento de potência da rede.
10) Limpeza Rápida de Falhas
Correntes de falha—correntes anormais de falhas elétricas—representam riscos significativos. Nos sistemas HVAC, as correntes de falha elevadas podem danificar linhas de transmissão, estações, geradores e cargas.O HVDC minimiza esses riscos: as correntes de falha são menores, limitando o dano a seções específicas, e sua operação de comutação rápida garante uma resposta rápida a falhas, aumentando a resiliência do sistema.
11) Interconexão de Redes Assíncronas
O HVDC permite a interconexão de redes AC assíncronas com parâmetros diferentes (por exemplo, frequência, fase).Regiões frequentemente usam frequências distintas (por exemplo, 50 Hz na Europa vs. 60 Hz nos EUA), e as redes podem ter diferenças de fase, tornando a interconexão direta de AC impossível. O HVDC, operando sem restrições de frequência ou fase, liga facilmente esses sistemas independentes.
12) Habilitação de Redes Inteligentes
Redes inteligentes integram geradores de pequena escala (solar, eólica, nuclear) em uma rede unificada com controle inteligente de fluxo de potência.Isso é viável com o HVDC, que suporta a interconexão assíncrona de unidades de geração e fornece controle total sobre a distribuição de potência, alinhando-se com os requisitos de redes inteligentes.
13) Redução de Interferência Sonora
O HVDC causa muito menos interferência sonora em linhas de comunicação próximas em comparação com o HVAC.O HVAC gera zumbido audível, interferência de rádio e TV, com intensidade ligada à sua frequência. O HVDC, com frequência zero, produz ruído mínimo. Além disso, o ruído do HVAC aumenta em condições climáticas ruins, enquanto o ruído do HVDC diminui, garantindo operação mais estável.
