Apa Perbedaan antara HVAC dan HVDC dalam Transmisi Tenaga Listrik

Perbedaan Antara HVAC dan HVDC

Listrik yang dihasilkan di pembangkit listrik ditransmisikan melalui jarak jauh ke substasiun listrik, yang kemudian mendistribusikannya kepada konsumen. Tegangan yang digunakan untuk transmisi listrik jarak jauh sangat tinggi, dan kita akan menjelajahi alasan untuk tegangan tinggi ini nanti. Selain itu, daya yang ditransmisikan dapat dalam bentuk arus bolak-balik (AC) atau arus searah (DC). Oleh karena itu, daya dapat ditransmisikan menggunakan HVAC (High Voltage Alternating Current) atau HVDC (High Voltage Direct Current).

Mengapa Tegangan Tinggi Diperlukan untuk Transmisi?

Tegangan memainkan peran penting dalam mengurangi kerugian garis, juga dikenal sebagai kerugian transmisi. Setiap konduktor listrik yang digunakan untuk transmisi memiliki jumlah resistansi ohm tertentu (R). Ketika arus (I) mengalir melalui konduktor-konduktor ini, mereka menghasilkan energi termal, yang pada dasarnya adalah energi terbuang atau daya (P).

Menurut Hukum Ohm

Seperti yang terlihat, energi yang terbuang dalam konduktor selama transmisi bergantung pada arus daripada tegangan. Namun, kita dapat menyesuaikan magnitudo arus melalui konversi tegangan menggunakan peralatan khusus.

Selama konversi tegangan, daya tetap terjaga dan tidak berubah. Tegangan dan arus hanya bervariasi secara invers dengan faktor yang sama, mengikuti prinsip:

Misalnya, 11KW daya pada tegangan 220v memiliki 50 Amp. Dalam kasus seperti itu, kerugian garis transmisi akan menjadi

Mari kita tingkatkan tegangan dengan faktor 10. Jadi, daya yang sama sebesar 11KW akan memiliki tegangan 2200v & 5 Amp. Sekarang kerugian garis akan menjadi;

Seperti yang Anda lihat, meningkatkan tegangan mengurangi kerugian daya secara signifikan dalam garis transmisi. Jadi, untuk mengurangi arus dalam kabel transmisi sambil mempertahankan jumlah transmisi daya yang sama, kita menaikkan tegangan.

Perang Arus (AC vs. DC)

Pada akhir 1880-an, selama yang disebut "Perang Arus," arus searah (DC) adalah yang pertama dikerahkan untuk transmisi daya. Namun, dianggap sangat tidak efisien karena kurangnya peralatan konversi tegangan yang praktis—tidak seperti arus bolak-balik (AC), yang dapat dengan mudah dinaikkan atau diturunkan menggunakan transformator. Stasiun listrik DC tekanan rendah awal hanya dapat menyuplai listrik dalam radius beberapa mil; di luar itu, tegangan turun drastis, memerlukan stasiun pembangkitan ganda di area kecil—suatu pendekatan yang mahal.

Sementara transmisi DC tekanan tinggi secara inheren mengalami kerugian lebih rendah daripada AC, sistem DC awal bergantung pada katup busur merkuri (rectifier) untuk mengkonversi AC tekanan tinggi menjadi DC untuk transmisi jarak jauh. Perangkat terminal ini besar, mahal, dan membutuhkan perawatan sering. Sebaliknya, transmisi AC bergantung pada transformator—lebih efisien, terjangkau, dan andal—membuat AC pilihan dominan untuk transmisi daya jarak jauh pada saat itu.

Ketika memilih antara AC tekanan tinggi (HVAC) dan DC tekanan tinggi (HVDC) untuk transmisi, beberapa faktor kritis harus dipertimbangkan. Artikel ini menjelajahi faktor-faktor tersebut secara rinci.

HVAC & HVDC

HVAC (High Voltage Alternating Current) dan HVDC (High Voltage Direct Current) merujuk pada rentang tegangan yang digunakan untuk transmisi daya jarak jauh. HVDC biasanya dipilih untuk jarak ultra-jauh (biasanya lebih dari 600 km), meskipun kedua sistem ini luas digunakan di seluruh dunia saat ini, masing-masing dengan kelebihan dan kekurangannya sendiri.

Biaya Transmisi

Transmisi daya jarak jauh memerlukan tegangan tinggi, dengan daya ditransfer antara stasiun terminal yang menangani konversi tegangan. Biaya transmisi total karenanya bergantung pada dua komponen: biaya stasiun terminal dan biaya garis transmisi.

• Stasiun Terminal
  Stasiun terminal mengonversi tingkat tegangan untuk transmisi. Untuk sistem AC, ini sebagian besar dilakukan menggunakan transformator, yang beralih antara tegangan tinggi dan rendah. Untuk sistem DC, stasiun terminal menggunakan konverter berbasis thyristor atau IGBT untuk menyesuaikan tingkat tegangan DC.

  Karena transformator lebih andal dan lebih murah daripada konverter padat, stasiun terminal AC lebih murah daripada rekan-rekan DC-nya, membuat konversi tegangan AC lebih ekonomis.

• Garis Transmisi
  Biaya garis tergantung pada jumlah konduktor dan desain menara transmisi. Sistem HVDC hanya memerlukan dua konduktor, sementara sistem HVAC membutuhkan tiga atau lebih (termasuk konduktor bundel untuk mengurangi efek corona).

  Menara transmisi AC harus mendukung beban mekanis yang lebih berat, memerlukan struktur yang lebih kuat, lebih tinggi, dan lebih lebar dibandingkan dengan menara HVDC. Biaya garis meningkat dengan jarak, dan per 100 km, garis HVAC jauh lebih mahal daripada garis HVDC.

• Biaya Transmisi Keseluruhan
  Biaya total ditentukan oleh biaya terminal (tetap, independen dari jarak) dan biaya garis (variabel, meningkat dengan jarak). Dengan demikian, biaya keseluruhan sistem transmisi meningkat seiring bertambahnya jarak.

Jarak Impas

"Jarak impas" merujuk pada panjang transmisi di mana investasi total HVAC melebihi HVDC. Jarak ini sekitar 400-500 mil (600-800 km). Untuk jarak di luar ambang batas ini, HVDC adalah pilihan yang lebih ekonomis; untuk jarak lebih pendek, HVAC lebih ekonomis. Hubungan ini digambarkan secara visual dalam grafik di atas.

Fleksibilitas

HVDC biasanya digunakan untuk transmisi jarak jauh titik-ke-titik, karena menyalurkan daya di titik tengah memerlukan konverter yang mahal untuk menurunkan tegangan DC yang tinggi. Sebaliknya, HVAC menawarkan fleksibilitas yang lebih besar: stasiun terminal multiple dapat menggunakan transformator biaya rendah untuk menurunkan tegangan tinggi, memungkinkan pengambilan daya di berbagai titik sepanjang garis.

Kerugian Daya

Transmisi HVAC mengalami beberapa jenis kerugian, termasuk kerugian corona, kerugian efek kulit, kerugian radiasi, dan kerugian induksi, yang sebagian besar absen atau diminimalisir dalam sistem HVDC:

• Kerugian Corona: Ketika tegangan melebihi ambang batas kritis, udara di sekitar konduktor terionisasi, menciptakan percikan (discharge corona) yang membuang energi. Kerugian ini bergantung pada frekuensi—karena DC memiliki frekuensi nol, kerugian corona HVAC sekitar tiga kali lebih tinggi daripada HVDC.

• Kerugian Efek Kulit: Dalam transmisi AC, densitas arus tertinggi di permukaan konduktor dan terendah di inti (efek kulit), mengurangi area penampang efektif yang digunakan untuk aliran arus. Ini meningkatkan resistansi konduktor dan memperbesar kerugian I²R. Arus DC, sebaliknya, didistribusikan secara merata di seluruh konduktor, menghilangkan efek ini.

• Kerugian Radiasi dan Induksi: Medan magnet bolak-balik HVAC menyebabkan garis transmisi panjang berfungsi sebagai antena (memancarkan energi yang tidak dapat dipulihkan) dan menginduksi arus di konduktor dekat (kerugian induksi). Medan magnet stabil HVDC menghindari kedua masalah ini.

Efek Kulit

Efek kulit, yang berbanding lurus dengan frekuensi, memaksa sebagian besar arus AC mengalir dekat permukaan konduktor, meninggalkan inti yang kurang dimanfaatkan. Ini mengurangi efisiensi konduktor: untuk membawa arus yang lebih besar, sistem HVAC memerlukan konduktor dengan area penampang yang ditingkatkan, meningkatkan biaya material. HVDC, yang tidak terpengaruh oleh efek kulit, menggunakan konduktor dengan lebih efisien.

Dengan demikian, untuk membawa arus yang sama, HVAC memerlukan konduktor dengan diameter yang lebih besar, sementara HVDC dapat mencapai ini dengan konduktor berdiameter lebih kecil.

Rating Arus dan Tegangan Kabel

Kabel memiliki rating tegangan dan arus maksimum yang dapat ditoleransi. Untuk AC, tegangan dan arus puncak sekitar 1,4 kali lebih tinggi dari nilai rata-ratanya (yang sesuai dengan daya yang sebenarnya disampaikan atau nilai DC setara). Sebaliknya, sistem DC memiliki nilai puncak dan rata-rata yang identik.

Namun, konduktor HVAC harus dirating untuk arus dan tegangan puncak, membuang sekitar 30% kapasitas pengangkutan mereka. Sebaliknya, HVDC memanfaatkan kapasitas penuh konduktor, artinya konduktor dengan ukuran yang sama dapat mentransmisikan lebih banyak daya dalam sistem HVDC.

Hak Lintasan

"Hak lintasan" merujuk pada koridor lahan yang diperlukan untuk infrastruktur transmisi. Sistem HVDC memiliki hak lintasan yang lebih sempit karena menara yang lebih kecil dan konduktor yang lebih sedikit (dua untuk DC vs. tiga untuk tiga fase AC). Selain itu, insulator AC di menara harus dirating untuk tegangan puncak, yang semakin meningkatkan jejaknya.

Koridor yang lebih sempit ini mengurangi biaya material, konstruksi, dan lahan, membuat HVDC unggul dalam hal efisiensi hak lintasan.

Transmisi Daya Submarin

Kabel submarin yang digunakan untuk transmisi daya lepas pantai memiliki kapasitansi parasit antara konduktor paralel. Kapasitansi bereaksi terhadap perubahan tegangan—konstan dalam AC (50-60 siklus per detik) tetapi hanya terjadi selama switching dalam DC.

Kabel AC terus-menerus mengisi dan mengosongkan, menyebabkan kerugian daya signifikan sebelum menyampaikan daya ke ujung penerima. Kabel HVDC, yang hanya diisi sekali, menghilangkan kerugian tersebut. Untuk detail lebih lanjut, rujuk pada konten tentang konstruksi, karakteristik, peletakan, dan sambungan kabel submarin.

Kontrol Aliran Daya

Sistem HVAC kurang memiliki kontrol presisi atas aliran daya, sementara tautan HVDC menggunakan konverter semikonduktor berbasis IGBT. Konverter kompleks ini, yang dapat diswitch berkali-kali per siklus, mengoptimalkan distribusi daya di seluruh sistem, meningkatkan kinerja harmonik, dan memungkinkan perlindungan dan penyelesaian gangguan cepat—keuntungan yang tidak dapat ditandingi oleh HVAC.

Interlinking Sistem Asinkron dan Smart Grid

Smart grid memungkinkan beberapa stasiun pembangkit memberi makan ke jaringan yang terunifikasi, memanfaatkan jaringan skala kecil untuk pembangkitan daya tinggi. Namun, menghubungkan beberapa jaringan AC asinkron (dengan frekuensi atau fase yang berbeda) sangat menantang.

Interlinking Jaringan Asinkron

Jaringan listrik di seluruh dunia beroperasi pada frekuensi yang berbeda—beberapa pada 50 Hz, lainnya pada 60 Hz. Bahkan jaringan dengan frekuensi yang sama mungkin tidak sinkron. Ini diklasifikasikan sebagai "sistem asinkron" dan tidak dapat dihubungkan melalui tautan AC standar.

DC, bagaimanapun, tidak terpengaruh oleh frekuensi atau fase. Interlink HVDC menyelesaikan ini dengan mengonversi AC menjadi DC yang tidak peduli frekuensi dan fase, memungkinkan integrasi mulus jaringan asinkron. Di ujung penerima, inverter HVDC mengonversi DC kembali menjadi AC dengan frekuensi yang diperlukan, memfasilitasi transmisi daya yang terunifikasi.

Pemutus Sirkuit

Pemutus sirkuit sangat penting dalam transmisi tegangan tinggi, bertanggung jawab untuk mendehidrasi sirkuit selama gangguan atau perawatan. Persyaratan utama adalah kemampuan pemadam busur untuk menghentikan aliran daya.

• Pemutus Sirkuit HVAC: Arus AC berbalik arah secara terus-menerus, menciptakan momen nol arus alami (50-60 kali per detik) yang secara otomatis memadamkan busur. Fitur "self-extinguishing" ini menyederhanakan desain pemutus HVAC, membuatnya relatif sederhana dan hemat biaya.

• Pemutus Sirkuit HVDC: Arus DC unidirectional tanpa titik nol alami. Untuk memadamkan busur, rangkaian khusus harus menghasilkan titik nol arus buatan. Kompleksitas ini membuat pemutus HVDC lebih rumit dan mahal daripada rekan-rekan AC-nya.

Generasi Interferensi

Arus bolak-balik AC menghasilkan medan magnet yang terus berubah, yang dapat menginduksi interferensi pada garis komunikasi dekat. Sebaliknya, medan magnet stabil DC menghilangkan interferensi tersebut, memastikan gangguan minimal terhadap sistem komunikasi sekitarnya.