Quais são as Diferenças entre HVAC e HVDC na Transmissão de Energia?
Diferença entre HVAC e HVDC
A eletricidade gerada nas usinas de energia é transmitida por longas distâncias para subestações elétricas, que então a distribuem aos consumidores. A tensão utilizada para a transmissão de energia em longa distância é extremamente alta, e exploraremos as razões para essa tensão alta mais tarde. Além disso, a potência transmitida pode ser na forma de corrente alternada (CA) ou corrente contínua (CC). Portanto, a potência pode ser transmitida usando HVAC (High Voltage Alternating Current) ou HVDC (High Voltage Direct Current).
Por que é Necessária uma Tensão Alta para a Transmissão?
A tensão desempenha um papel crucial na redução das perdas de linha, também conhecidas como perdas de transmissão. Cada condutor elétrico usado para a transmissão de energia tem uma certa quantidade de resistência ohmica (R). Quando a corrente (I) flui através desses condutores, eles geram energia térmica, que é essencialmente energia desperdiçada ou potência (P).
De acordo com a Lei de Ohm
Como é evidente, a energia desperdiçada em um condutor durante a transmissão depende da corrente e não da tensão. No entanto, podemos ajustar a magnitude da corrente através da conversão de tensão usando equipamentos especializados.
Durante a conversão de tensão, a potência permanece conservada e inalterada. A tensão e a corrente simplesmente variam inversamente pelo mesmo fator, seguindo o princípio:
Por exemplo, 11KW de potência a uma tensão de 220v tem 50 Amperes. Nesse caso, as perdas de linha de transmissão serão
Vamos aumentar a tensão por um fator de 10. Assim, a mesma potência de 11KW teria uma tensão de 2200v & 5 Amperes. Agora as perdas de linha seriam;
Como você pode ver, o aumento da tensão reduz significativamente as perdas de potência nas linhas de transmissão. Portanto, para diminuir a corrente nos cabos de transmissão, mantendo a mesma quantidade de transmissão de potência, aumentamos a tensão.
A Guerra das Correntes (CA vs. CC)
No final dos anos 1880, durante a chamada "Guerra das Correntes", a corrente contínua (CC) foi a primeira a ser implantada para a transmissão de energia. No entanto, foi considerada altamente ineficiente devido à falta de equipamentos práticos de conversão de tensão - ao contrário da corrente alternada (CA), que podia ser facilmente elevada ou reduzida usando transformadores. As primeiras estações de energia de baixa tensão de CC só podiam fornecer eletricidade dentro de um raio de algumas milhas; além disso, a tensão caía drasticamente, exigindo múltiplas estações geradoras em áreas pequenas - uma abordagem custosa.
Embora a transmissão de CC de alta tensão inerentemente tenha menores perdas do que a CA, os sistemas de CC iniciais dependiam de válvulas de arco de mercúrio (retificadores) para converter a CA de alta tensão em CC para transmissão de longa distância. Esses dispositivos terminais eram volumosos, caros e requeriam manutenção frequente. Em contraste, a transmissão de CA dependia de transformadores - mais eficientes, acessíveis e confiáveis - tornando a CA a escolha dominante para a transmissão de energia em longa distância na época.
Ao selecionar entre a CA de alta tensão (HVAC) e a CC de alta tensão (HVDC) para transmissão, vários fatores críticos devem ser considerados. Este artigo explora esses fatores em detalhes.
HVAC & HVDC
HVAC (High Voltage Alternating Current) e HVDC (High Voltage Direct Current) referem-se a faixas de tensão usadas para transmissão de energia em longa distância. O HVDC é tipicamente preferido para distâncias ultra-longas (geralmente acima de 600 km), embora ambos os sistemas sejam amplamente utilizados em todo o mundo hoje, cada um com suas próprias vantagens e desvantagens.
Custos de Transmissão
A transmissão de energia em longa distância requer tensões altas, com a potência transferida entre estações terminais que lidam com a conversão de tensão. Os custos totais de transmissão, portanto, dependem de dois componentes: custos de estações terminais e custos de linhas de transmissão.
Distância de Equilíbrio
A "distância de equilíbrio" refere-se ao comprimento de transmissão além do qual o custo total de investimento em HVAC excede o de HVDC. Esta distância é aproximadamente 400-500 milhas (600-800 km). Para distâncias além deste limite, o HVDC é a opção mais econômica; para distâncias menores, o HVAC é mais econômico. Essa relação é ilustrada visualmente no gráfico acima.
Flexibilidade
O HVDC é tipicamente usado para transmissão de longa distância ponto a ponto, pois a retirada de energia em pontos intermediários exigiria conversores caros para reduzir as tensões DC altas. Em contraste, o HVAC oferece maior flexibilidade: várias estações terminais podem utilizar transformadores de baixo custo para reduzir as tensões altas, permitindo a extração de energia em diversos pontos ao longo da linha.
Perdas de Potência
A transmissão HVAC incorre em vários tipos de perdas, incluindo perdas de corona, perdas de efeito de pele, perdas de radiação e perdas de indução, que estão ausentes ou minimizadas em sistemas HVDC:
O Efeito de Pele
O efeito de pele, diretamente proporcional à frequência, força a maior parte da corrente CA a fluir perto da superfície do condutor, deixando o núcleo subutilizado. Isso reduz a eficiência do condutor: para transportar correntes maiores, os sistemas HVAC requerem condutores com área seccional aumentada, elevando os custos de material. A HVDC, não afetada pelo efeito de pele, usa os condutores de forma mais eficiente.
Assim, para transportar a mesma corrente, o HVAC requer condutores com diâmetro maior, enquanto o HVDC pode alcançar isso com condutores de menor diâmetro.
Classificação de Corrente e Tensão de Cabos
Os cabos têm tensão e corrente máximas toleráveis. Para CA, a tensão e a corrente de pico são aproximadamente 1,4 vezes maiores do que seus valores médios (que correspondem à potência real entregue ou valores equivalentes de DC). Em contraste, os sistemas DC têm valores de pico e médios idênticos.
No entanto, os condutores HVAC devem ser classificados para corrente e tensão de pico, desperdiçando aproximadamente 30% de sua capacidade de transporte. Em contraste, a HVDC utiliza a capacidade total dos condutores, o que significa que um condutor do mesmo tamanho pode transmitir mais potência em sistemas HVDC.
Direito de Passagem
"Direito de passagem" refere-se à faixa de terra necessária para infraestrutura de transmissão. Os sistemas HVDC têm um direito de passagem mais estreito devido a torres menores e menos condutores (dois para DC versus três para CA trifásica). Além disso, os isoladores CA nas torres devem ser classificados para tensões de pico, aumentando ainda mais sua pegada.
Essa faixa mais estreita reduz os custos de material, construção e terras, tornando o HVDC superior em termos de eficiência de direito de passagem.
Transmissão Submarina de Energia
Os cabos submarinos usados para transmissão offshore têm capacitância parasitária entre condutores paralelos. A capacitância reage a mudanças de tensão - constante em CA (50-60 ciclos por segundo) mas ocorrendo apenas durante a comutação em DC.
Os cabos CA carregam e descarregam continuamente, causando perdas significativas de potência antes de entregar a energia ao receptor. Os cabos HVDC, carregados apenas uma vez, eliminam tais perdas. Para mais detalhes, consulte o conteúdo sobre a construção, características, lançamento e juntas de cabos submarinos.
Controle do Fluxo de Potência
Os sistemas HVAC carecem de controle preciso sobre o fluxo de potência, enquanto os links HVDC usam conversores semicondutores baseados em IGBT. Esses conversores complexos, comutáveis várias vezes por ciclo, otimizam a distribuição de potência no sistema, melhoram o desempenho harmônico e permitem proteção rápida e limpeza de falhas - vantagens inigualáveis pela HVAC.
Interligação de Sistemas Assíncronos e Redes Inteligentes
Uma rede inteligente permite que várias estações geradoras alimentem uma rede unificada, aproveitando redes de pequena escala para geração de alta potência. No entanto, conectar várias redes AC assíncronas (com frequências ou fases diferentes) é altamente desafiador.
Interligação de Redes Assíncronas
As redes de energia em todo o mundo operam em diferentes frequências - algumas em 50 Hz, outras em 60 Hz. Mesmo as redes com a mesma frequência podem estar fora de fase. Estas são classificadas como "sistemas assíncronos" e não podem ser conectadas via links CA padrão.
A DC, no entanto, não é afetada pela frequência ou fase. Os interlinks HVDC resolvem isso convertendo a CA em DC agnóstica de frequência e fase, permitindo a integração sem costura de redes assíncronas. No lado receptor, os inversores HVDC convertem o DC de volta para CA com a frequência necessária, facilitando a transmissão unificada de energia.
Disjuntores
Os disjuntores são cruciais na transmissão de alta tensão, responsáveis por desenergizar circuitos durante falhas ou manutenção. Um requisito chave é a capacidade de extinção de arco para interromper o fluxo de energia.
Geração de Interferência
A corrente alternada (CA) produz um campo magnético constantemente variável, que pode induzir interferência em linhas de comunicação próximas. Em contraste, o campo magnético constante da DC elimina tal interferência, garantindo mínima perturbação aos sistemas de comunicação adjacentes.
