מה הם ההבדלים בין HVAC לבין HVDC בהעברת חשמל?

הבדל בין HVAC ל-HVDC

החשמל שנוצר בתחנות כוח מועבר למרחקים ארוכים לתחנות ההפצה, שמשם מופצים אותו לצרכנים. המתח המשמש להעברת חשמל למרחקים ארוכים הוא מאוד גבוה, ונבדוק מאוחר יותר את הסיבות למתח הגבוה הזה. בנוסף, החשמל המועבר יכול להיות בצורה של זרם חילופין (AC) או זרם ישר (DC). לכן, ניתן להעביר את החשמל באמצעות HVAC (High Voltage Alternating Current) או HVDC (High Voltage Direct Current).

מדוע מתח גבוה הכרחי להעברה?

מתח משחק תפקיד קריטי בהפחתת אובדן קו, המכונה גם אובדן העברה. כל מוליך חשמלי המשמש להעברת חשמל יש לו כמות מסוימת של התנגדות אוהמית (R). כשהזרם (I) פלט דרך המוליכים הללו, הם מייצרים אנרגיה תרמית, שהיא בעיקרון אנרגיה מיותרת או כוח (P).

לפי חוק אוהם

כפי הנראה, האנרגיה המבוזבזת במוליך במהלך ההעברה תלויה בזרם ולא במתח. עם זאת, ניתן להתאים את גודל הזרם באמצעות המרת מתח באמצעות ציוד מיוחד.

במהלך המרת מתח, הכוח נשמר ולא משתנה. המתח והזרם פשוט משתנים הפוך באותו גורם, לפי העיקרון:

לדוגמה, 11KW כוח במתח של 220v יש בו 50 אמפר. במקרה כזה, אובדי הקו יהיו

נגד נגבה את המתח פי 10. אז אותו כוח של 11KW יהיה במתח של 2200v ו-5 אמפר. עכשיו אובדי הקו יהיו;

כפי שאתה רואה, הגברת המתח מפחיתה באופן משמעותי את אובדי הכוח בקווי העברה. כדי להפחית את הזרם בכבלים של העברה תוך שמירה על אותה כמות של העברת כוח, אנו מגבירים את המתח.

מלחמת הזרמים (AC לעומת DC)

בסוף שנות ה-80 של המאה ה-19, במהלך מה שנודע כ"מלחמת הזרמים", זרם ישיר (DC) היה הראשון שהופץ להעברת חשמל. עם זאת, הוא נחשב לאפקטיבי מאוד בשל חוסר ציוד המרה מעשי של מתח - בניגוד לזרם חילופין (AC), שניתן היה להעלות או להוריד בקלות באמצעות טרנספורמרים. תחנות כוח DC בעלות מתח נמוך יכולות היו לספק חשמל רק ברדיוס של מספר מיילים; מעבר לזה, המתח ירד דרמטית, מה שהצריך מספר תחנות ייצור באזורים קטנים - גישה יקרה.

בעוד שההעברה של DC במתח גבוה מטבעה גורמת לאובדים נמוכים יותר מאשר AC, מערכות DC מוקדמות הסתמכו על ערכים של קשת מרקורי (מתקינים) להמרת AC במתח גבוה ל-DC עבור העברה למרחקים ארוכים. מכשירים אלה היו גדולים, יקרים ודרשו תחזוקה תדירה. לעומת זאת, העברה של AC הסתמכה על טרנספורמרים - יעילים, הזולים ואמינים יותר - מה שהפך את AC לבחירה הדומיננטית להעברת חשמל למרחקים ארוכים באותה תקופה.

בבחירת בין HVAC (High Voltage Alternating Current) לבין HVDC (High Voltage Direct Current) להעברה, müssen mehrere kritische Faktoren berücksichtigt werden. Dieser Artikel untersucht diese Faktoren im Detail.

HVAC & HVDC

HVAC (High Voltage Alternating Current) ו-HVDC (High Voltage Direct Current) מתארים טווחי מתח המשמשים להעברת חשמל למרחקים ארוכים. HVDC הוא בדרך כלל מועדף למרחקים ארוכים במיוחד (בדרך כלל מעל 600 ק"מ), אם כי שתי המערכות בשימוש רחב ברחבי העולם כיום, כל אחת עם יתרונות וחסרונות משלה.

העלויות של העברה

העבירת חשמל למרחקים ארוכים דורשת מתח גבוה, עם העברת כוח בין תחנות סופיות שמטפלות בהמרה של מתח. על כן, העלויות הכוללת של ההעברה תלויות בשני רכיבים: עלויות תחנות סופיות ועלויות קווי העברה.

• תחנות סופיות
  תחנות סופיות ממירות רמות מתח להעברה. למערכות AC, זה נעשה בעיקר באמצעות טרנספורמרים, המחליפים בין מתח גבוה ומתח נמוך. למערכות DC, תחנות סופיות משתמשות במחברים מבוססי תיריסטורים או IGBT כדי להתאים רמות מתח DC.

  מאחר שטרנספורמרים הם אמינים יותר וזולות יותר מאשר מחברים מוצקים, תחנות סופיות של AC זולות יותר ממקבילותיהן של DC, מה שהופך את המרת מתח של AC לשימושית יותר מבחינה כלכלית.

• קווים של העברה
  עלויות קו תלויות במספר המוליכים ובעיצוב מגדלי העברה. מערכות HVDC דורשות רק שני מוליכים, בעוד מערכות HVAC דורשות שלושה או יותר (כולל מוליכים מקובצים כדי להפחית את השפעת הקורונה).

  מגדלי העברה של AC חייבים לתמוך בטעמי מכניים כבדים, ודורשים מבנים חזקים, גבוהים ורחבים יותר בהשוואה למגדלי HVDC. עלויות קו עולות עם המרחק, ולכל 100 ק"מ, קווי HVAC הם יקרים משמעותית מקווי HVDC.

• העלויות הכוללת של העברה
  העלויות הכוללת נקבעות על ידי עלויות תחנות סופיות (קבועות, עצמאיות מרחק) ועלויות קו (משתנות, עולות עם המרחק). לפיכך, עלות המערכת של מערכת העברה עולה ככל שהמרחק גדל.

מרחק נקודת השוויון

"מרחק נקודת השוויון" מתאר את אורך ההעברה מעבר אליו עלות ההשקעה הכוללת של HVAC עולה על זו של HVDC. המרחק הזה הוא בערך 400-500 מיילים (600-800 ק"מ). למרחקים מעבר לסף זה, HVDC הוא הבחירה הכלכלית ביותר; למרחקים קצרים יותר, HVAC הוא כלכלי יותר. הקשר הזה מוצג באופן גרפי בתמונה למעלה.

flexibility

HVDC משמש בדרך כלל להעברה מרחקים ארוכים מנקודה לנקודה, שכן הסיפוק של חשמל בנקודות ביניים ידרוש מחברים יקרים להפחתת מתח DC גבוה. לעומת זאת, HVAC מציע גמישות רבה יותר: תחנות סופיות מרובות יכולות להשתמש בטרנספורמרים זולים להפחתת מתח גבוה, מאפשרות סיפוק חשמל בנקודות שונות לאורך הקו.

אובדי כוח

המערכת HVAC מפגינה מספר סוגים של אובדים, כולל אובדי קורונה, אובדי עור, אובדי הקרנה ואובדיเหนות, שהם בעיקרắngсут או מופחתים במערכות HVDC:

• אובדי קורונה: כשהמתח עובר את הרמה הקריטית, האוויר סביב המוליכים מתאייר, יוצר פיצוצים (פליטת קורונה) שמבזבזים אנרגיה. האובדים האלה תלויים בתדירות - מכיוון ש-DC היא ללא תדירות, אובדי קורונה של HVAC הם בערך שלוש פעמים גבוהים מאלה של HVDC.

• אובדי עור: בהעברת AC, הצפיפות של הזרם היא הגבוהה ביותר על פני המוליך והנמוכה ביותר במרכז (אפקט העור), מפחיתה את השטח הצולב האפקטיבי המשמש לזרימה של הזרם. זה מגביר את ההתנגדות של המוליך ומגביר את אובדי I²R. זרם DC, לעומת זאת, מתפזר באופן אחיד לאורך המוליך, מוחק את האפקט הזה.

• אובדי הקרנה ונעות: השדה המגנטי המתחלף של HVAC גורם לקווים ארוכים של העברה לפעול כמו אנטנות (מקרינים אנרגיה בלתי ניתנת להחזרה) ומחזירים זרמים במוליכים סמוכים (אובדי נעות). השדה המגנטי יציב של HVDC מימנע מבעיות אלו.

אפקט העור

אפקט העור, פרופורציונלי לתדירות, מכריח את רוב זרם ה-AC לזרום ליד פני המוליך, משאיר את הליבה לא מנוצלת. זה מפחית את יעילות המוליך: כדי להעביר זרמים גדולים, מערכות HVAC דורשות מוליכים עם שטח צולב גדול יותר, מגדילות את עלויות החומר. HVDC, שאינו מושפע מאפקט העור, משתמש במוליכים בצורה יעילה יותר.

לכן, כדי להעביר את אותו הזרם, HVAC דורש מוליכים עם קוטר גדול יותר, בעוד ש-HVDC יכול להשיג זאת עם מוליכים בעלי קוטר קטן יותר.

דירוגי זרם ומתח של כבלים

לכבלים יש דירוגי מתח וזרם מקסימליים מקובעים. עבור AC, המתח והזרם המרביים הם בערך 1.4 פעמים גבוהים יותר מהערכים הממוצעים שלהם (שזהים לכוח המסופק או לערכים שקולים של DC). לעומת זאת, במערכות DC הערכים המרביים והממוצעים זהים.

עם זאת, מוליכי HVAC חייבים להיות מדורגיים עבור זרם ומתח מרביים, מפסידים בערך 30% מהקיבולת שלהם. לעומת זאת, HVDC משתמש בכל הקיבולת של המוליכים, כלומר מוליך באותו גודל יכול להעביר יותר כוח במערכות HVDC.

זכויות מעבר

"זכויות מעבר" מתייחסות לרציף אדמה הנדרשrastructure of transmission. HVDC systems have a narrower right-of-way due to smaller towers and fewer conductors (two for DC vs. three for three-phase AC). Additionally, AC insulators on towers must be rated for peak voltages, further increasing their footprint.

This narrower corridor reduces material, construction, and land costs, making HVDC superior in terms of right-of-way efficiency.

Submarine Power Transmission

Submarine cables used for offshore power transmission have stray capacitance between parallel conductors. Capacitance reacts to voltage changes—constant in AC (50–60 cycles per second) but only occurring during switching in DC.

AC cables continuously charge and discharge, causing significant power losses before delivering power to the receiving end. HVDC cables, charged only once, eliminate such losses. For more details, refer to content on submarine cable construction, characteristics, laying, and joints.

Controllability of Power Flow

HVAC systems lack precise control over power flow, whereas HVDC links use IGBT-based semiconductor converters. These complex converters, switchable multiple times per cycle, optimize power distribution across the system, improve harmonic performance, and enable rapid fault protection and clearance—advantages unmatched by HVAC.

Interlinking Asynchronous Systems and Smart Grids

A smart grid allows multiple generating stations to feed into a unified network, leveraging small-scale grids for high-power generation. However, connecting multiple asynchronous AC grids (with differing frequencies or phases) is highly challenging.

Interlinking Asynchronous Grids

Power grids worldwide operate at different frequencies—some at 50 Hz, others at 60 Hz. Even grids with the same frequency may be out of phase. These are classified as "asynchronous systems" and cannot be connected via standard AC links.

DC, however, is unaffected by frequency or phase. HVDC interlinks resolve this by converting AC to frequency- and phase-agnostic DC, enabling seamless integration of asynchronous grids. At the receiving end, HVDC inverters convert the DC back to AC with the required frequency, facilitating unified power transmission.

Circuit Breakers

Circuit breakers are critical in high-voltage transmission, responsible for de-energizing circuits during faults or maintenance. A key requirement is arc-extinguishing capability to interrupt power flow.

• HVAC Circuit Breakers: AC current reverses direction continuously, creating natural zero-current moments (50–60 times per second) that automatically extinguish arcs. This "self-extinguishing" feature simplifies HVAC breaker design, making them relatively straightforward and cost-effective.

• HVDC Circuit Breakers: DC current is unidirectional with no natural zero crossings. To extinguish arcs, specialized circuitry must artificially generate zero-current points. This complexity makes HVDC breakers more intricate and expensive than their AC counterparts.

Interference Generation

AC’s alternating current produces a constantly varying magnetic field, which can induce interference in nearby communication lines. In contrast, DC’s steady magnetic field eliminates such interference, ensuring minimal disruption to adjacent communication systems.