Energieübertragung über große Entfernungen Was ist besser als Wechsel- oder Gleichstrom?

Ich habe diese Antwort auf eine verwandte Frage gefunden. Der Teil der Antwort, der mich verwirrt, ist:

Die Übertragung von Gleichstrom über große Entfernungen ist ineffizient. Somit ist die Wechselstromversorgung für die Übertragung von Energie weitaus effizienter.

Laut Siemens ist das Gegenteil der Fall :

Wenn über große Entfernungen Strom übertragen werden muss, ist die Gleichstromübertragung im Vergleich zu Hochspannungs-Wechselstrom die wirtschaftlichste Lösung.

Auch aus Wikipedia

Die HGÜ-Übertragungsverluste werden mit weniger als 3% pro 1.000 km angegeben, 30 bis 40% weniger als bei Wechselstromleitungen bei gleichen Spannungsniveaus.

Ist die eingegebene Antwort korrekt?

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Chris H machte eine sehr wichtige Bemerkung (siehe seinen Kommentar unten): Der Kontext des Beitrags, den ich erwähnte, war von niedriger Spannung, während ich blindlings an hohe Spannung dachte. In der Tat habe ich durch die Antworten und Kommentare eine Menge gelernt. Vielen Dank.

Es ist effizienter zu Sende DC über die gleiche Infrastruktur. Dies liegt an mehreren Effekten:

1. Hauteffekt mit AC erlebt. Es gibt keinen Hauteffekt mit DC.

2. Eine höhere Spannung ist mit Gleichstrom für dieselben Übertragungsleitungen zulässig. Die Leitungen müssen der Spitzenspannung standhalten. Bei Wechselstrom ist dies das 1,4-fache des Effektivwerts. Bei Gleichstrom sind die Effektiv- und Spitzenspannungen gleich. Die übertragene Leistung ist jedoch der Strom mal der Effektivwert, nicht die Spitzenspannung.

3. Kein Strahlungsverlust bei DC. Lange Übertragungsleitungen wirken als Antennen und strahlen etwas Energie aus. Das kann nur mit AC passieren.

4. Keine Induktionsverluste. Das sich ändernde Magnetfeld um einen Draht, der Wechselstrom führt, verursacht induzierte Spannung und Strom in nahegelegenen Leitern. Tatsächlich ist die Übertragungsleitung die Primärleitung eines Transformators, und die Leiter in der Nähe sind Sekundärleitungen. Mit Gleichstrom ändert sich das Magnetfeld nicht und überträgt daher keine Energie.

Ein weiterer Vorteil von DC besteht darin, dass keine Synchronisation zwischen Gittern erforderlich ist. Zwei Wechselstromnetze müssen phasensynchronisiert werden, um miteinander verbunden zu werden. Dies wird schwierig, wenn die Abstände groß genug sind, um signifikante Bruchteile eines Zyklus zu sein.

Die Kehrseite ist, dass Wechselstrom leichter zwischen Spannungen umgewandelt werden kann. Die Umwandlung von Gleichstrom zurück in Wechselstrom, um ihn auf der Empfängerseite in das lokale Netz zu speisen, ist kein trivialer Vorgang. Dies erfordert eine große Anlage, was erhebliche Kosten bedeutet. Dieser Aufwand lohnt sich nur, wenn die Übertragungsstrecke so lang ist, dass die Einsparungen beim Wirkungsgrad die Kosten der DC-AC-Wandlungsanlage über die gesamte Lebensdauer überwiegen.

Hier ist ein Beispiel für die Umwandlung von Hochspannungsgleichstrom in Wechselstrom:

Gleichstrom von großen Staudämmen in Quebec wird oben rechts eingespeist. Diese Anlage wandelt dies in Wechselstrom um und leitet den Strom bei 42.5702N 71.5242W an eine große regionale Wechselstrom-Übertragungsleitung in Ayer Massachusetts weiter .

Die Kosten für den Bau und Betrieb dieser Anlage lohnen sich aufgrund der erheblichen Energieeinsparungen bei der Übertragung von Gleichstrom anstelle von Wechselstrom. Die Synchronisation war auch ein Faktor bei der Verwendung von DC.

Eigentlich habe ich Mitte bis Ende der 90er Jahre an HGÜ-Projekten gearbeitet. Olin Lathrops Antwort ist teilweise richtig, aber nicht ganz. Ich werde versuchen, nicht zu viel von seiner Antwort zu wiederholen, aber ich werde ein paar Dinge klären.

Die Verluste für Wechselstrom sind hauptsächlich auf die Induktivität des Kabels zurückzuführen. Dies erzeugt eine Reaktanz für die Wechselstromübertragung. Ein weit verbreitetes Missverständnis (von Olin wiederholt) ist, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass Macht auf Dinge um ihn herum übertragen wird. Ist es nicht - eine Drahtspule auf halbem Weg zwischen hier und der Magellanschen Wolke hat genau die gleiche Reaktanz und verursacht genau die gleichen elektrischen Effekte, die auf Ihrem Schreibtisch liegen. Aus diesem Grund spricht man von Selbstinduktivität , und die Selbstinduktivität eines langen Übertragungskabels ist wirklich bedeutend.

Durch die induktive Kopplung mit anderen Metallteilen verliert das Kabel keine nennenswerte Leistung - dies ist die andere Hälfte dieses weit verbreiteten Irrtums. Die Wirksamkeit der induktiven Kopplung hängt von der Wechselstromfrequenz und dem Abstand zwischen den Kabeln ab. Bei einer Wechselstromübertragung mit 50/60 Hz ist die Frequenz so niedrig, dass eine induktive Kopplung bei jeder Art von Entfernung völlig unwirksam ist. und wenn Sie nicht einen Stromschlag erleiden möchten, müssen diese Abstände mehrere Meter voneinander entfernt sein. Dies geschieht einfach nicht in messbarem Umfang.

(Bearbeitet, um eines hinzuzufügen, das ich vergessen habe) Für unter Wasser verlaufende Kabel gibt es aufgrund ihrer Konstruktion auch sehr hohe Kabelkapazitäten. Dies ist eine andere Quelle für reaktive Verluste, ist jedoch in gleicher Weise von Bedeutung. Dies kann die Hauptursache für Verluste in Unterwasserkabeln sein.

Der Hauteffekt bewirkt einen höheren Widerstand für die Wechselstromübertragung, wie Olin sagt. In der Praxis ist dies jedoch aufgrund des Bedarfs an flexiblen Kabeln weniger problematisch. Ein einzelnes Kabel, das dick genug ist, um eine signifikante Leistung zu übertragen, wäre im Allgemeinen zu unflexibel und unhandlich, um an einem Mast zu hängen. Daher werden Übertragungskabel aus einem Bündel von Drähten zusammengefügt, die mit Abstandhaltern voneinander getrennt sind. Wir müssten das sowieso tun, egal ob wir DC oder AC verwenden. Das Ergebnis ist jedoch, dass die Drähte innerhalb der Skin-Effektzone für das Bündel liegen. Es ist klar, dass Engineering daran beteiligt ist, und es wird immer noch Verluste geben, aber durch diesen glücklichen Zufall können wir sicherstellen, dass sie viel niedriger sind.

Erd- und Unterseekabel sind natürlich nur ein einziges dickes Kabel, so dass sie im Prinzip immer noch vom Hauteffekt gebissen werden können. Bei der Hochleistungskabelkonstruktion wird jedoch im Allgemeinen ein starker zentraler Kern verwendet, der dem Kabel strukturelle Integrität verleiht, wobei andere Steckverbinder auf diesen Kern gewickelt werden. Auch dies können wir zu unserem Vorteil nutzen, um den Skin-Effekt bei Wechselstrom zu reduzieren, und selbst HGÜ-Kabel werden auf die gleiche Weise hergestellt.

Der große Gewinn bei der Kraftübertragung besteht jedoch darin, reaktive Verluste zu eliminieren.

Wie Olin sagt, gibt es auch ein Problem beim Zusammenführen von zwei Stromnetzen, da diese niemals exakt die gleiche Frequenz und Phase haben werden. Der kluge Einsatz von Filtern in der Mitte des 20. Jahrhunderts ermöglichte zwar die Verbindung von Gittern, aber das Entwerfen dieser war ebenso kunstvoll wie wissenschaftlich und von Natur aus ineffizient. Sobald Sie Ihre Leistung jedoch in Gleichstrom übertragen haben, können Sie Wechselstrom mit genau derselben Frequenz und Phase wie das Zielnetz rekonstruieren und das Problem vermeiden.

Darüber hinaus ist es wesentlich effizienter, Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln und wieder in Wechselstrom umzuwandeln, anstatt Filter zur Kompensation von Phase und Frequenz zu verwenden. Grids werden heutzutage üblicherweise mit Back-to-Back-Schemata verbunden . Dies sind im Wesentlichen beide Hälften einer HGÜ-Verbindung nebeneinander, mit einer enormen Sammelschiene zwischen den beiden anstelle von Kilometern Übertragungskabel.

Sie sprechen über Komplexität und Kosten ( $ $ $ $ $ )

Die Leute, die sagen "DC ist weniger effizient", verwenden das Wort "Effizienz", um über Designfaktoren wie die Komplexität der Konvertierungshardware und kritischer über deren Kosten zu sprechen .

Wenn wir eine Santa Claus-Maschine haben, die DC / DC-Wandler so billig und zuverlässig wie vergleichbare Transformatoren austauscht, dann gewinnt DC. (nur bei Hauteffekt). In der praktischen Welt stoßen Sie jedoch auf ein paar andere Probleme, sobald Ihre Stiefel festgeschnürt sind und die Handschuhe des Linemans angezogen sind.

• Bei Wechselstrom verursacht die Lichtgeschwindigkeit Phasenprobleme, wenn sich Lasten bewegen - insbesondere bei elektrischen Eisenbahnen. Deshalb mögen sie sehr niedrige Frequenzen wie 25 Hz oder 16-2 / 3 Hz. Dieses Problem tritt bei DC nicht mehr auf .
• Sie können den Strom nicht erhöhen. Der Strom wird durch die Drahtheizung begrenzt, und die Drahtheizung basiert bereits auf dem Effektivwert der Wechselspannung.
• Der Großteil der installierten Basis der Übertragungs- und Verteilertürme ist für das 3-Phasen- "Delta" ausgelegt, daher haben sie 3 Leiter. Es ist schwierig, alle 3 Drähte effektiv in Gleichstrom zu verwenden, daher wird die effektive Kapazität dieser Leitungen durch Verschwendung eines Drahtes durch Gleichstrom erheblich verringert . Wie viel? Gleichstrom überträgt dasselbe wie einphasiger Wechselstrom, und dreiphasiger Dreileiter überträgt das 1,732-fache von sqrt (3). Autsch.
• Sie könnten die Spannung erhöhen. Wechselstromleitungen sind für die Spitzenspannung [peak = RMS * sqrt (2)] isoliert, sodass Sie die Gleichspannung hypothetisch erhöhen können. Jedoch...
• Sobald Gleichstrom einen Lichtbogen trifft, ist es sehr schwierig, ihn zu löschen, da er nie zum Erlöschen aufhört (im Gegensatz zu Wechselstrom, bei dem jeder Nulldurchgang dem Lichtbogen die Möglichkeit gibt, ihn zu löschen). Dies kann durch Lichtbogenfehlererkennung behoben werden. Wechselstromleitungen verfügen bereits über Wiederverschlüsse, die sich nach einer Auslösung automatisch wieder verbinden. Ein DC-Wiedereinschalter könnte es nach nur wenigen Millisekunden erneut versuchen und so den Effekt des AC-Nulldurchgangs reproduzieren.

Ansonsten ist eine gleiche Gleichstromübertragung aufgrund der Eliminierung von Blindverlusten effizienter als eine Wechselstromübertragung bei gleicher Nennspannung.

Alles andere ist jedoch selten gleich.

1. Bei einer bestimmten Spannung ist Gleichstrom weitaus anfälliger für die Aufrechterhaltung von Lichtbögen als Wechselstrom.
2. Erst vor relativ kurzer Zeit haben wir die Fähigkeit entwickelt, Gleichspannungen mit vertretbaren Kosten und Wirkungsgraden umzuwandeln. Bei hohen Leistungen ist es immer noch teurer und weniger effizient als Transformatoren.

Dies hat zur Folge, dass Gleichstromsysteme tendenziell mit niedrigeren Spannungen arbeiten als Wechselstromsysteme, und genau das hat Gleichstrom zum Ruf, ineffizient zu sein.

Die Spannung wirkt sich massiv auf die Kosten und / oder die Effizienz der Übertragung aus. Wenn Sie die Spannung halbieren, müssen Sie die Größe der Leiter vervierfachen, um die Widerstandsverluste auf dem gleichen Niveau zu halten. Alternativ haben Sie die vierfachen Verluste bei gleicher Leitergröße.

Eine Ausnahme bildet die Punkt-zu-Punkt-Übertragung mit sehr hoher Leistung über große Entfernungen, über Unterseekabel oder zwischen nicht synchronisierten Netzen. In diesen Fällen werden die Kosten und Gefahren, die mit der Umwandlung des im Netz verwendeten Wechselstroms in Hochspannungsgleichstrom verbunden sind, gerechtfertigter.