Apakah Perbezaan antara HVAC dan HVDC dalam Penghantaran Tenaga?

Perbezaan antara HVAC dan HVDC

Elektrik yang dijanakan di kilang-kilang kuasa ditransmisikan sejauh jarak yang panjang ke substesen elektrik, yang kemudiannya mendistribusikannya kepada pengguna. Voltan yang digunakan untuk transmisi kuasa jarak jauh adalah sangat tinggi, dan kita akan meneroka sebab-sebab voltan yang tinggi ini kemudian. Selain itu, kuasa yang ditransmisikan boleh dalam bentuk arus ulang-alik (AC) atau arus terus (DC). Oleh itu, kuasa boleh ditransmisikan menggunakan HVAC (High Voltage Alternating Current) atau HVDC (High Voltage Direct Current).

Mengapa Voltan Tinggi Diperlukan untuk Transmisi?

Voltan memainkan peranan penting dalam mengurangkan kerugian laluan, juga dikenali sebagai kerugian transmisi. Setiap konduktor elektrik yang digunakan untuk transmisi kuasa mempunyai rintangan ohmik (R) tertentu. Apabila arus (I) mengalir melalui konduktor-konduktor ini, ia menghasilkan tenaga termal, yang pada dasarnya adalah tenaga yang terbuang atau kuasa (P).

Menurut Hukum Ohm

Seperti yang jelas, tenaga yang terbuang dalam konduktor semasa transmisi bergantung pada arus daripada voltan. Walau bagaimanapun, kita boleh menyesuaikan magnitud arus melalui penukaran voltan menggunakan peralatan khusus.

Semasa penukaran voltan, kuasa tetap terpelihara dan tidak berubah. Voltan dan arus hanya berubah secara songsang dengan faktor yang sama, mengikut prinsip:

Sebagai contoh, 11KW kuasa pada voltan 220v mempunyai 50 Amps. Dalam kes seperti ini, kerugian laluan transmisi akan menjadi

Mari kita meningkatkan voltan dengan faktor 10. Jadi, kuasa yang sama 11KW akan mempunyai voltan 2200v & 5 Amps. Kini, kerugian laluan akan menjadi;

Seperti yang anda lihat, peningkatan voltan mengurangkan kerugian kuasa secara signifikan dalam laluan transmisi. Oleh itu, untuk mengurangkan arus dalam kabel transmisi sambil mengekalkan jumlah transmisi kuasa yang sama, kita meningkatkan voltan.

Perang Arus (AC vs. DC)

Pada akhir 1880-an, semasa yang dikenali sebagai "Perang Arus," arus terus (DC) adalah yang pertama digunakan untuk transmisi kuasa. Walau bagaimanapun, ia dianggap sangat tidak efisien disebabkan kekurangan peralatan penukaran voltan yang praktikal—berbeza dengan arus ulang-alik (AC), yang boleh dengan mudah dinaikkan atau diturunkan menggunakan transformator. Stesen-stesen kuasa DC rendah voltan awal hanya dapat menyediakan elektrik dalam radius beberapa batu; melebihi itu, voltan jatuh drastik, memerlukan pelbagai stesen penjanaan dalam kawasan kecil—suatu pendekatan yang mahal.

Walaupun transmisi DC voltan tinggi secara inheren mengakibatkan kerugian yang lebih rendah daripada AC, sistem-sistem DC awal bergantung pada katup busur merkuri (rectifiers) untuk menukar AC voltan tinggi kepada DC untuk transmisi jarak jauh. Peranti-peranti terminal ini besar, mahal, dan memerlukan penyelenggaraan berkala. Sebaliknya, transmisi AC bergantung pada transformator—lebih cekap, murah, dan boleh dipercayai—membuat AC menjadi pilihan dominan untuk transmisi kuasa jarak jauh pada masa itu.

Apabila memilih antara AC voltan tinggi (HVAC) dan DC voltan tinggi (HVDC) untuk transmisi, beberapa faktor kritikal perlu dipertimbangkan. Artikel ini menjelaskan faktor-faktor tersebut secara terperinci.

HVAC & HVDC

HVAC (High Voltage Alternating Current) dan HVDC (High Voltage Direct Current) merujuk kepada julat voltan yang digunakan untuk transmisi kuasa jarak jauh. HVDC biasanya lebih disukai untuk jarak ultra-jauh (biasanya lebih dari 600 km), walaupun kedua-dua sistem ini digunakan secara meluas di seluruh dunia hari ini, setiap satu dengan kelebihan dan kelemahan sendiri.

Kos Transmisi

Transmisi kuasa jarak jauh memerlukan voltan yang tinggi, dengan kuasa ditransfer antara stesen-stesen terminal yang menangani penukaran voltan. Kos transmisi total bergantung pada dua komponen: kos stesen terminal dan kos laluan transmisi.

• Stesen Terminal
  Stesen terminal menukar tahap voltan untuk transmisi. Untuk sistem AC, ini dilakukan utamanya menggunakan transformator, yang beralih antara voltan tinggi dan rendah. Untuk sistem DC, stesen terminal menggunakan penukar berdasarkan thyristor atau IGBT untuk menyesuaikan tahap voltan DC.

  Oleh kerana transformator lebih boleh dipercayai dan lebih murah daripada penukar berasaskan keadaan pepejal, stesen terminal AC kurang mahal daripada reka bentuk DC, menjadikan penukaran voltan AC lebih ekonomi.

• Laluan Transmisi
  Kos laluan bergantung pada bilangan konduktor dan reka bentuk menara transmisi. Sistem HVDC hanya memerlukan dua konduktor, manakala sistem HVAC memerlukan tiga atau lebih (termasuk konduktor bundar untuk mengurangkan kesan corona).

  Menara transmisi AC mesti menyokong beban mekanikal yang lebih berat, memerlukan struktur yang lebih kukuh, lebih tinggi, dan lebih lebar berbanding menara HVDC. Kos laluan meningkat dengan jarak, dan setiap 100 km, laluan HVAC jauh lebih mahal daripada laluan HVDC.

• Kos Transmisi Keseluruhan
  Kos total ditentukan oleh kos terminal (tetap, tidak bergantung pada jarak) dan kos laluan (boleh berubah, meningkat dengan jarak). Oleh itu, kos keseluruhan sistem transmisi meningkat apabila jarak meningkat.

Jarak Impas

"Jarak impas" merujuk kepada panjang transmisi di mana kos investasi total HVAC melebihi HVDC. Jarak ini adalah kira-kira 400-500 batu (600-800 km). Untuk jarak di atas ambang ini, HVDC adalah pilihan yang lebih ekonomi; untuk jarak yang lebih pendek, HVAC lebih ekonomi. Hubungan ini diilustrasikan dalam graf di atas.

Keseksualan

HVDC biasanya digunakan untuk transmisi jarak jauh titik-ke-titik, kerana mengetepi kuasa di titik-titik tengah akan memerlukan penukar yang mahal untuk menurunkan voltan DC yang tinggi. Sebaliknya, HVAC menawarkan fleksibilitas yang lebih besar: pelbagai stesen terminal boleh menggunakan transformator yang murah untuk menurunkan voltan yang tinggi, membolehkan pengeluaran kuasa di pelbagai titik sepanjang laluan.

Kerugian Kuasa

Transmisi HVAC mengakibatkan beberapa jenis kerugian, termasuk kerugian corona, kerugian kesan kulit, kerugian radiasi, dan kerugian induksi, yang hampir tidak ada atau diminimumkan dalam sistem HVDC:

• Kerugian Corona: Apabila voltan melebihi ambang kritikal, udara di sekitar konduktor terionisasi, mencipta percikan (discharge corona) yang membuang tenaga. Kerugian ini bergantung pada frekuensi—sejak DC mempunyai frekuensi sifar, kerugian corona HVAC kira-kira tiga kali lebih tinggi daripada HVDC.

• Kerugian Kesan Kulit: Dalam transmisi AC, ketumpatan arus paling tinggi di permukaan konduktor dan paling rendah di inti (kesan kulit), mengurangkan luas keratan rentas yang digunakan untuk aliran arus. Ini meningkatkan rintangan konduktor dan mengamplifikasi kerugian I²R. Arus DC, sebaliknya, didistribusikan secara seragam di seluruh konduktor, menghapuskan kesan ini.

• Kerugian Radiasi dan Induksi: Medan magnetik bolak-balik HVAC menyebabkan laluan transmisi yang panjang bertindak seperti antena (memancarkan tenaga yang tidak dapat dikembalikan) dan menginduksi arus dalam konduktor berdekatan (kerugian induksi). Medan magnetik stabil HVDC mengelakkan kedua-dua masalah ini.

Kesan Kulit

Kesan kulit, yang berkadar langsung dengan frekuensi, memaksa sebahagian besar arus AC mengalir dekat permukaan konduktor, meninggalkan inti tidak digunakan. Ini mengurangkan kecekapan konduktor: untuk membawa arus yang lebih besar, sistem HVAC memerlukan konduktor dengan luas keratan rentas yang lebih besar, meningkatkan kos bahan. HVDC, yang tidak terpengaruh oleh kesan kulit, menggunakan konduktor dengan lebih efisien.

Oleh itu, untuk membawa arus yang sama, HVAC memerlukan konduktor dengan diameter yang lebih besar, manakala HVDC boleh mencapai ini dengan konduktor berdiameter yang lebih kecil.

Rating Arus dan Voltan Kabel

Kabel mempunyai rating voltan dan arus maksimum yang dapat ditoleransi. Untuk AC, voltan dan arus puncak kira-kira 1.4 kali lebih tinggi daripada nilai purata mereka (yang berkaitan dengan kuasa yang sebenar disampaikan atau nilai DC yang setara). Sebaliknya, sistem DC mempunyai nilai puncak dan purata yang identik.

Walau bagaimanapun, konduktor HVAC mesti dirating untuk arus dan voltan puncak, membuang kira-kira 30% kapasiti pengangkutan mereka. Sebaliknya, HVDC menggunakan kapasiti penuh konduktor, bermaksud konduktor yang sama saiznya boleh mentransmisikan lebih banyak kuasa dalam sistem HVDC.

Hak Laluan

"Hak laluan" merujuk kepada koridor tanah yang diperlukan untuk infrastruktur transmisi. Sistem HVDC mempunyai hak laluan yang lebih sempit disebabkan menara yang lebih kecil dan konduktor yang lebih sedikit (dua untuk DC berbanding tiga untuk AC tiga fasa). Tambahan pula, insulator AC pada menara mesti dirating untuk voltan puncak, meningkatkan jejak mereka.

Koridor yang lebih sempit ini mengurangkan kos bahan, pembinaan, dan tanah, menjadikan HVDC lebih unggul dari segi kecekapan hak laluan.

Transmisi Kuasa Submarin

Kabel submarin yang digunakan untuk transmisi kuasa luar pantai mempunyai kapasitans parasit antara konduktor paralel. Kapasitans bertindak balas terhadap perubahan voltan—konstan dalam AC (50-60 siklus per saat) tetapi hanya berlaku semasa beralih dalam DC.

Kabel AC mengisi dan mengosongkan secara berterusan, menyebabkan kerugian kuasa yang signifikan sebelum menghantar kuasa ke hujung penerima. Kabel HVDC, yang hanya diisi sekali, menghilangkan kerugian seperti itu. Untuk maklumat lanjut, rujuk kepada kandungan tentang pembinaan, ciri, pemasangan, dan sambungan kabel submarin.

Kontrollabiliti Aliran Kuasa

Sistem HVAC kurang memiliki kawalan tepat terhadap aliran kuasa, manakala rangkaian HVDC menggunakan penukar berdasarkan semikonduktor IGBT. Penukar kompleks ini, yang boleh diberalih beberapa kali setiap siklus, mengoptimumkan pengedaran kuasa di seluruh sistem, meningkatkan prestasi harmonik, dan membolehkan perlindungan dan penyelesaian kesalahan yang cepat—kelebihan yang tidak dapat dicocokkan oleh HVAC.

Penautan Sistem Asinkron dan Grid Cerdas

Grid cerdas membolehkan pelbagai stesen penjana memberi makan ke dalam rangkaian yang bersatu, memanfaatkan grid-grid kecil untuk penjanaan kuasa yang tinggi. Walau bagaimanapun, menghubungkan pelbagai grid AC asinkron (dengan frekuensi atau fasa yang berbeza) adalah sangat mencabar.

Penautan Grid Asinkron

Grid kuasa di seluruh dunia beroperasi pada frekuensi yang berbeza—beberapa pada 50 Hz, yang lain pada 60 Hz. Walaupun grid dengan frekuensi yang sama mungkin tidak sefasa. Ini diklasifikasikan sebagai "sistem asinkron" dan tidak dapat dihubungkan melalui tautan AC standard.

DC, bagaimanapun, tidak terpengaruh oleh frekuensi atau fasa. Tautan HVDC menyelesaikan ini dengan menukar AC kepada DC yang tidak bergantung pada frekuensi dan fasa, membolehkan integrasi lancar grid asinkron. Di hujung penerima, inverter HVDC menukar DC kembali kepada AC dengan frekuensi yang diperlukan, memudahkan transmisi kuasa yang bersatu.

Pemutus Litar

Pemutus litar adalah penting dalam transmisi voltan tinggi, bertanggungjawab untuk memadam litar semasa kesalahan atau penyelenggaraan. Syarat utama adalah keupayaan memadam busur untuk mengganggu aliran kuasa.

• Pemutus Litar HVAC: Arus AC berubah arah secara berterusan, mencipta momen semula jadi tanpa arus (50-60 kali per saat) yang memadam busur secara automatik. Ciri "self-extinguishing" ini memudahkan reka bentuk pemutus litar HVAC, menjadikannya relatif mudah dan ekonomi.

• Pemutus Litar HVDC: Arus DC adalah unidirectional tanpa persimpangan semula jadi. Untuk memadam busur, rangkaian khusus mesti menghasilkan titik semula jadi secara buatan. Kepekatan ini menjadikan pemutus litar HVDC lebih rumit dan mahal berbanding reka bentuk AC.

Penghasilan Gangguan

Arus ulang-alik AC menghasilkan medan magnetik yang berubah-ubah, yang boleh menginduksi gangguan dalam laluan komunikasi berdekatan. Sebaliknya, medan magnetik stabil DC menghapuskan gangguan tersebut, memastikan gangguan minimal kepada sistem komunikasi bersebelahan.