Vilka är fördelarna med högspänningsdäckning (HVDC) jämfört med högspänningsväxelström (HVAC) i kraftöverföring?

Vilka är fördelarna med HVS jämfört med HSV?

El sträcker sig långa avstånd innan den når konsumenterna. Kraftverk, ofta belägna på avlägsna platser, levererar el genom hundra mil och flera ombordssättningsstationer. Högspänningstransmission minskar linjeförluster, både för växel- och likström. Även om växelström är bekant från elstolpar och hemuttag erbjuder HVS unika fördelar i strömningsöverföring.

Målet med strömningsöverföring är att minimera förluster och kostnader. Trots att båda står inför påverkande faktorer har HVS fler fördelar. Denna artikel utforskar HVS:s fördelar jämfört med HSV:

Lägre transmissionkostnader
Transmissionkostnader beror på terminalspänningskonverteringsutrustning, antal/storlek på ledare, tornmått och förluster. HSV använder transformatorer för konvertering – enklare och billigare än HVS:s thyristorbaserade konverterare, vilket är dess enda kostnadsmässiga fördel.

HSV kräver minst tre ledare för trefasstransmission. HVS, som använder jorden som återledningsväg, använder en ledare (monopolär) eller två (bipolar), vilket sänker kostnader. Även trefasledare kan bära dubbla effekten via dubbla bipolare länkar i HVS.

HSV kräver större fas-till-jord och fas-till-fasavstånd, vilket kräver högre och bredare torn. HVS-torn minskar installationskostnader. HVS har också betydligt lägre transmissionförluster, vilket gör det mer effektivt.

Totala transmissionkostnader kan delas in i två huvudkategorier: terminalstationskostnader och transmissionslinjekostnader. De förra är fast utgifter, oberoende av transmissionsavstånd, medan de senare varierar med linjelängd. AC-terminalkostnader är relativt låga, medan HVS-terminalkostnader är betydligt högre. Men kostnaden per 100 km för HSV-transmissionslinjer är mycket större än för HVS-linjer. Så totala kostnadskurvor för HSV och HVS skär varandra vid en punkt känd som jämviktsavståndet.

Jämviktsavståndet är transmissionslängden där det totala investeringsbeloppet för HSV överstiger det för HVS. Detta avstånd varierar beroende på transmissionstyp: ungefär 400–500 miles (600–800 km) för överbryggningar, 20–50 km för under vattnet och 50–100 km för under mark. Över denna tröskel blir HVS ett mer effektivt och ekonomiskt rimligt val för strömningsöverföring.

HVS-transmission ger betydligt lägre förluster jämfört med HSV, med viktiga förbättringar inom följande områden:

Framlöpsförlusters frånvaro

HSV-transmission drabbas av framlöpsförluster, som är direkt proportionella till linjelängd, frekvens och induktiva laster vid mottagande slut. Dessa förluster minskar effektiv strömningsöverföring och slösar energi, vilket begränsar den maximala längden för effektiva HSV-linjer. För att mildra detta använder HSV-system serie- och parallellkompenation för att minska VAr (volt-amperereaktiva) och upprätthålla stabilitet.

I motsats till detta opererar HVS utan frekvens eller laddningsström, vilket helt elimineras framlöpsförluster. Detta tar bort behovet av sådana kompensationsåtgärder.

Minimerade koronaförluster

När transmissionsvolten överstiger ett kritiskt tröskelvärde (koronainceptions-volten) ioniseras luftmolekyler runt ledare, skapar gnistor (koronaavlossning) som slösar energi. Koronaförluster beror på spänningsnivå och frekvens. Eftersom DC har nollfrekvens är HVS-koronaförluster ungefär en tredjedel av dem i HSV-system.

Framlöpsförlusters frånvaro

Växelström visar skin-effekten, där ström koncentreras nära ledarytan, vilket lämnar kärnan underanvänd. Denna ojämna strömfördelning minskar den effektiva tvärsnittsytan av ledaren, ökar resistansen (som är inversproportionell till ytan) och resulterar i högre I²R-förluster i HSV-linjer. HVS, med sin stadiga likström, undviker denna effekt, säkerställer jämn strömfördelning över ledaren och minimerar resistivitetförluster.

Inga strålning eller induktionförluster

HSV-transmissionslinjer drabbas av strålning och induktionförluster på grund av deras kontinuerligt varierande magnetiska fält. Strålningförluster inträffar eftersom långa AC-linjer fungerar som antenn, strålar energi som är irrecoverable. Induktionförluster uppstår genom strömmar inducerade i närbelägna ledare av det alternerande fältet.I HVS-system är magnetfältet konstant, vilket eliminerar både strålning och induktionförluster helt.

Minimerade laddningsströmsförluster

Underjordiska och under vatten kablar har inbyggd parasitkapacitans, vilket kräver laddning innan de kan överföra ström. Kapacitans ökar med kabellängd, och därmed stiger laddningsströmmen proportionellt.

I AC-system laddas och avladdas kablar flera gånger per sekund, drar extra ström från källan för att upprätthålla denna cykel. Denna extra ström ökar I²R-förluster i kablen.HVS-kablar, däremot, kräver endast laddning en gång under initial energisättning eller vid växling. Detta eliminerar förluster relaterade till kontinuerliga laddningsströmmar.

Inga dielektriska uppvärmningsförluster

Det alternerande elektriska fältet i AC-system påverkar isoleringsmaterial i transmissionslinjer, vilket får dem att absorbera energi och omvandla den till värme - ett fenomen känt som dielektriska förluster. Detta slösar inte bara energi utan förkortar också isoleringens livslängd.HVS-system genererar ett konstant elektriskt fält, undviker dielektriska förluster och de associerade isoleringsuppvärmningsproblem.

3) Tunnare ledare

Skin-effekten i AC gör att ström koncentreras nära ledarytan, vilket kräver tjockare ledare för att öka ytarean och rymma högre strömmar.HVS, fri från skin-effekten, tillåter ström att distribuera jämnt över ledarnas tvärsnitt. Detta möjliggör användningen av tunnare ledare samtidigt som samma strömföringskapacitet bibehålls, vilket minskar materialkostnader och vikt.

4) Linjelängdsgränser

HSV-linjer drabbas av framlöpsförluster som ökar direkt med linjelängd. Detta inför en kritisk gräns för HSV-transmissionsavstånd: över ungefär 500 km för överbryggningar blir framlöpsförlusterna förhöjda, vilket destabiliserar systemet.HVS-transmission, å andra sidan, har inga sådana längdsgränser, vilket gör det lämpligt för ultra-långdistansströmningsleverans.

5) Minskade kabbliggingskrav

Kablar är dimensionerade för maximal tolerabel spänning och ström. I AC-system är toppspänning och -ström ungefär 1,4 gånger högre än deras medelvärden (som motsvarar den faktiska effekt som levereras). Dock måste ledare dimensioneras för dessa toppvärden.I DC-system är topp- och medelvärden identiska. Detta innebär att HVS kan överföra samma effekt med kablar med lägre spännings- och strömdimensioner jämfört med HSV. I själva verket slösar HSV-system ca 30% av en ledares kapacitet på grund av de högre toppkraven.

6) Trängre rättsvidd

"Rättsvidd" hänvisar till landkorridoren som krävs för transmissionsinfrastruktur. HVS-system kräver en trängre rättsvidd eftersom de använder mindre torn och färre ledare.HSV, å andra sidan, behöver högre torn för att stödja fler ledare och större isolatorer (dimensionerade för AC-toppvoltage), vilket kräver starkare strukturellt stöd. Denna bredare fotavtryck ökar material-, byggnads- och markkostnader - vilket gör HVS överlägset i termer av rättsviddeffektivitet.

7) Superiör kablbaserad transmission

Underjordiska och under vatten kablar består av flera ledare separerade av isolering, vilket skapar parasitkapacitans mellan dem. Dessa kablar kan inte överföra ström förrän de är fullständigt laddade, och kapacitans (och därmed laddningsström) ökar med längd.AC-system laddar och avladdar kablar upprepade gånger (50-60 gånger per sekund), vilket förstärker I²R-förluster och begränsar kabellängd. HVS-kablar, däremot, laddas en gång (under initial energisättning eller vid växling), vilket eliminerar sådana förluster och längdbegränsningar.Detta gör HVS till det föredragna valet för off-shore, under vatten och underjordiska kabltransmissioner.

8) Bipolär transmission

HVS stöder mångsidiga transmissionslägen, med bipolär transmission som ett brett används och kostnadseffektivt alternativ. Det har två parallella ledare med motsatta polariteter, vars spänningar är balanserade i relation till jorden.Om en linje misslyckas eller bryts, växlar systemet sömlöst till monopolär läge: den återstående linjen fortsätter att leverera ström, med jorden som återledningsväg.

9) Kontrollerbar strömfördelning

HVS-konverterare, baserade på fasta tillstånds-elektronik, möjliggör exakt kontroll över strömfördelning i AC-nät. Deras snabba växlingsförmåga (som opererar flera gånger per cykel) förbättrar harmoniska prestanda, dämpar strömsvingningar och optimerar nätets strömförsörjningskapacitet.

10) Snabb felborttagning

Felströmmar - abnorma strömmar från elektriska fel - utgör betydande risker. I HSV-system kan höga felströmmar skada transmissionslinjer, stationer, generatorer och laster.HVS minimerar sådana risker: felströmmar är lägre, vilket begränsar skador till specifika avsnitt, och dess snabba växlingsoperation säkerställer snabb felrespons, vilket ökar systemets motståndskraft.

11) Asynkrona nätverkskopplingar

HVS möjliggör koppling av asynkrona AC-nätverk med olika parametrar (t.ex. frekvens, fas).Regioner använder ofta olika frekvenser (t.ex. 50 Hz i Europa vs. 60 Hz i USA), och nätverk kan ha fas skillnader, vilket gör direkt AC-koppling omöjlig. HVS, som opererar utan frekvens- eller fasbegränsningar, kopplar enkelt dessa oberoende system.

12) Möjliggör smarta nätverk

Smarta nätverk integrerar småskaliga generatorkällor (sol, vind, kärnkraft) i ett enhetligt nätverk med intelligenta strömfördelningskontroller.Detta är möjligt med HVS, som stödjer asynkron koppling av generatorenheterna och ger full kontroll över strömfördelning, vilket stämmer överens med kraven för smarta nätverk.

13) Minskad bullerstörning

HVS orsakar betydligt mindre bullerstörning till närliggande kommunikationslinjer jämfört med HSV.HSV genererar hörbar surrande, radio- och TV-störning, med intensitet kopplad till dess frekvens. HVS, med nollfrekvens, producerar minimal buller. Dessutom ökar HSV-buller i dåligt väder, medan HVS-buller minskar, vilket säkerställer mer stabil drift.