Передавая мощность на большие расстояния, что лучше переменного или постоянного тока?

Я нашел этот ответ на связанный вопрос. Часть ответа, которая смущает меня:

Передача постоянного тока на большие расстояния неэффективна. Таким образом, подача переменного тока намного эффективнее для передачи энергии.

По Siemens это совсем противоположное :

Всякий раз, когда необходимо передавать энергию на большие расстояния, передача постоянного тока является наиболее экономичным решением по сравнению с высоковольтным переменным током.

Также из Википедии

Потери при передаче HVDC указаны как менее 3% на 1000 км, что на 30-40% меньше, чем при использовании линий переменного тока при тех же уровнях напряжения.

Является ли опубликованный ответ правильным?

- - РЕДАКТИРОВАТЬ - -

Крис Х сделал очень важное замечание (см. Его комментарий ниже): контекст поста, который я упомянул, был о низком напряжении, тогда как я вслепую думал о высоком напряжении. Действительно, я узнал множество ответов и комментариев. Спасибо.

Более эффективно передавать DC, используя примерно ту же инфраструктуру. Это из-за нескольких эффектов:

1. Кожный эффект, испытываемый при АС. С DC нет скин-эффекта.

2. Более высокое напряжение допускается при постоянном токе для тех же линий передачи. Линии должны выдерживать пиковое напряжение. С переменным током это в 1,4 раза выше, чем RMS. При постоянном токе среднеквадратические и пиковые напряжения одинаковы. Однако передаваемая мощность - это текущее, а не пиковое, текущее среднеквадратичное значение.

3. Без потерь радиации с DC. Длинные линии передачи действуют как антенны и излучают некоторую мощность. Это может произойти только с AC.

4. Нет индукционных потерь. Изменение магнитного поля вокруг провода, несущего переменный ток, вызывает индуцированное напряжение и ток в соседних проводниках. В сущности, линия передачи является первичной обмоткой трансформатора, а проводники рядом с ней - вторичными. При постоянном токе магнитное поле не изменяется и поэтому не передает мощность.

Еще одним преимуществом DC является то, что он не требует синхронизации между сетками. Две сети переменного тока должны быть синхронизированы по фазе для соединения друг с другом. Это становится сложно, когда расстояния достаточно велики, чтобы составлять значительную долю цикла.

С другой стороны, переменный ток легче преобразовывать между напряжениями. Преобразование постоянного тока в переменный, чтобы сбросить его в локальную сеть на приемном конце, не является тривиальным процессом. Для этого требуется большой завод, что означает значительные расходы. Эти затраты оправдывают себя только в том случае, если расстояние передачи достаточно велико, чтобы экономия по эффективности перевешивала стоимость преобразовательной установки постоянного тока в переменный.

Вот пример того, что требуется для преобразования высокого напряжения постоянного тока обратно в переменный ток:

Питание постоянного тока от крупных плотин в Квебеке вводится в верхнем правом углу. Эта установка преобразует это в переменный ток и сбрасывает электроэнергию на большую региональную линию электропередачи переменного тока в Айер, штат Массачусетс, мощностью 42,5702N и 71,5242 Вт .

Расходы на строительство и эксплуатацию этой установки оправдывают себя благодаря значительной экономии энергии при передаче постоянного тока вместо переменного тока. Синхронизация также была фактором в использовании DC.

Я фактически работал над схемами HVDC, еще в середине-конце 90-х годов. Ответ Олина Латропа отчасти прав, но не совсем. Я постараюсь не повторять слишком много его ответа, но я проясню несколько вещей.

Потери для переменного тока в основном сводятся к индуктивности кабеля. Это создает реактивное сопротивление для передачи энергии переменного тока. Распространенное заблуждение (повторяемое Олином) состоит в том, что это происходит из-за передачи власти окружающим. Это не так - виток провода на полпути между этим местом и Магеллановым Облаком будет иметь точно такое же реактивное сопротивление и вызывать точно такие же электрические эффекты, что и на вашем столе. По этой причине это называется самоиндуктивностью , и самоиндуктивность длинного кабеля передачи действительно значительна.

Кабель не теряет значительную мощность от индуктивной связи с другими металлоконструкциями - это другая половина этого распространенного заблуждения. Эффективность индуктивной связи зависит от частоты переменного тока и расстояния между кабелями. Для передачи переменного тока на частоте 50/60 Гц частота настолько мала, что индуктивная связь на любом расстоянии абсолютно неэффективна; и если вы не хотите получить удар током, эти расстояния должны быть на расстоянии нескольких метров. Это просто не происходит в какой-либо измеримой степени.

(Отредактировано, чтобы добавить одну вещь, которую я забыл) Для кабелей, идущих под водой, также имеются очень высокие емкости кабелей из-за их конструкции. Это другой источник реактивных потерь, но он также важен. Это может быть основной причиной потерь в подводных кабелях.

Скин-эффект вызывает более высокое сопротивление для передачи энергии переменного тока, как говорит Олин. На практике, однако, потребность в гибких кабелях делает это менее важной проблемой. Один кабель, достаточно толстый для передачи значительной мощности, как правило, был бы слишком негибким и громоздким, чтобы висеть на пилоне, поэтому передающие кабели собираются из пучка проводов, разделенных прокладками. В любом случае, нам нужно было бы это сделать, независимо от того, использовали мы постоянный или переменный ток. Результатом этого является размещение проводов в зоне скин-эффекта для пучка. Понятно, что в этом задействовано инженерное дело, и все равно будут некоторые потери, но благодаря этому счастливому стечению обстоятельств мы можем быть уверены, что они намного ниже.

Подводные и подводные кабели, конечно, представляют собой один толстый кабель, поэтому, в принципе, они могут быть укушены скин-эффектом. В конструкции кабеля для тяжелых условий эксплуатации, как правило, используется прочный центральный сердечник, который обеспечивает структурную целостность кабеля, а другие соединители намотаны на этот сердечник. Опять же, мы можем использовать это в наших интересах, чтобы уменьшить влияние скин-эффекта в переменном токе, и даже кабели HVDC будут построены таким же образом.

Большая победа в передаче электроэнергии, однако, устраняет реактивные потери.

Как говорит Олин, существует также проблема объединения двух электрических сетей, потому что они никогда не будут иметь одинаковую частоту и фазу. Грамотное использование фильтров в середине 20-го века позволило подключить сетки, но проектирование их было таким же искусством, как и наукой, и они были по своей сути неэффективными. После того как вы получили мощность, передаваемую в постоянном токе, вы можете восстановить переменный ток с той же частотой и фазой, что и в сети назначения, и избежать этой проблемы.

Более того, гораздо эффективнее преобразовать переменный ток в постоянный и обратно в переменный, вместо того, чтобы пытаться использовать фильтры для компенсации фазы и частоты. Сетки в наши дни, как правило, объединяются с помощью последовательных схем . По сути, это две половины линии HVDC, расположенной рядом друг с другом, с огромной шиной между двумя, а не километрами кабеля передачи.

Они говорят о сложности и стоимости ( $ $ $ $ $ )

Люди, говорящие «DC менее эффективен», используют слово «эффективность», чтобы говорить о таких факторах проектирования, как сложность оборудования для преобразования и, что более важно, его стоимость .

Если у нас есть машина Санта-Клауса, которая может выдавать DC / DC-преобразователи так же дешево и надежно, как и аналогичные трансформаторы, тогда DC выигрывает. (только на кожный эффект). Однако в практическом мире, когда ваши ботинки зашнурованы и перчатки линейного надето, вы столкнетесь с несколькими другими заминками.

• В переменном токе скорость света создает проблемы фазирования при перемещении нагрузки - в частности, проблема на электрических железных дорогах, поэтому им нравятся сверхнизкие частоты, такие как 25 Гц или 16-2 / 3 Гц. Эта проблема уходит с DC .
• Вы не можете увеличить ток. Ток ограничен нагревом провода, а нагрев провода уже основан на RMS переменного тока.
• Большинство установленных оснований передающих и распределительных башен выполнены для 3-х фазной «дельты», поэтому они имеют 3 проводника. Трудно эффективно использовать все 3 провода в постоянном токе, поэтому постоянный ток значительно снизит эффективную пропускную способность этих линий, тратя впустую провод. Как много? Постоянный ток переносит то же самое, что и однофазный переменный ток, а 3-проводный трехфазный переносит в 3 (1,732) раза больше. Уч.
• Вы могли бы увеличить напряжение. Линии переменного тока изолированы для пикового напряжения [пиковый = RMS * sqrt (2)], так что вы можете гипотетически повысить постоянное напряжение до этого. Тем не мение...
• Как только мощность постоянного тока попадает на дугу, ее очень трудно погасить, потому что она никогда не останавливается (в отличие от переменного тока, где каждое пересечение нуля дает возможность погасить дугу). Это может быть решено с помощью обнаружения дуги. В линиях переменного тока уже есть реклоузеры, которые будут автоматически переподключаться после поездки; Устройство повторного включения постоянного тока может повторить попытку всего за несколько миллисекунд, повторяя эффект пересечения нуля переменного тока.

При прочих равных условиях передача постоянного тока более эффективна, чем передача переменного тока при том же номинальном напряжении, благодаря устранению реактивных потерь.

Однако все остальное редко бывает равным.

1. При данном напряжении постоянный ток гораздо более склонен к дуге, чем переменный ток.
2. Лишь относительно недавно мы разработали возможность преобразования напряжения постоянного тока с разумной стоимостью и эффективностью. На высоких уровнях мощности он все же дороже и менее эффективен, чем трансформаторы.

Результатом является то, что системы постоянного тока, как правило, работают при более низких напряжениях, чем системы переменного тока, и это то, что имеет постоянный ток, репутацию неэффективного.

Напряжение оказывает огромное влияние на стоимость и / или эффективность передачи. Если вы вдвое уменьшите напряжение, то для поддержания того же уровня резистивных потерь вы должны в четыре раза увеличить размер проводников. В качестве альтернативы у вас в четыре раза больше потерь для проводников одинакового размера.

Исключением является очень высокая мощность передачи по точкам на большие расстояния, по подводным кабелям или между несинхронизированными сетками. В этих случаях затраты и риски, связанные с преобразованием переменного тока, используемого в сети, в постоянный ток высокого напряжения становятся более оправданными.