Transmisi daya jarak jauh apa AC atau DC yang lebih baik?


30

Saya menemukan jawaban ini untuk pertanyaan terkait. Bagian dari jawaban yang membingungkan saya adalah:

Mentransmisikan daya DC pada jarak jauh tidak efisien. Dengan demikian pasokan AC jauh lebih efisien untuk mentransmisikan daya.

Menurut Siemens, justru sebaliknya :

Setiap kali daya harus ditransmisikan dari jarak jauh, transmisi DC adalah solusi paling ekonomis dibandingkan dengan AC tegangan tinggi.

Juga, dari Wikipedia

Kehilangan transmisi HVDC dinyatakan kurang dari 3% per 1.000 km, yang 30 hingga 40% lebih sedikit dibandingkan dengan saluran AC, pada level tegangan yang sama.

Apakah jawaban yang diposting benar?

- - EDIT - -

Chris H membuat pengamatan yang sangat penting (lihat komentarnya di bawah): Konteks tulisan yang saya sebutkan adalah tegangan rendah sedangkan saya secara membabi buta memikirkan tegangan tinggi. Memang saya belajar banyak dengan jawaban dan komentar. Terima kasih.


20
"Iya nih!" <Edison> "Tidak!" <Tesla>
Carl Witthoft

5
Perhatikan bahwa kutipan pertama Anda berasal dari jawaban dalam konteks DC tegangan rendah . Itu berarti arus tinggi, dan kerugian resistif tinggi.
Chris H

7
Alasan mengapa pengetahuan tradisional adalah bahwa transmisi DC kurang efisien adalah karena di masa lalu, sangat sulit untuk mengubah DC antara tegangan tanpa kehilangan daya yang signifikan. Untuk alasan ini, saluran transmisi DC awal cenderung tegangan sangat rendah (dibandingkan dengan metode transmisi lainnya). Lihat pada kereta api misalnya - di Inggris, sistem kereta DC ketiga yang lebih tua adalah 750V DC, sedangkan sistem AC overhead yang lebih baru adalah 25.000V AC. Gagasannya adalah bahwa 750V hampir secara langsung akan menyalakan motor kereta, sedangkan 25.000V akan diundurkan dengan transformator.
Muzer

1
(Alasan fisika di balik transmisi tegangan rendah menjadi tidak efisien adalah karena V = IR, sehingga arus akan turun dengan tegangan yang lebih tinggi untuk beban yang sama, tetapi P = I ^ 2R, sehingga daya yang hilang karena hambatan kawat akan berkurang secara signifikan karena arus telah turun).
Muzer

Jawaban:


36

Lebih efisien untuk mengirim DC menggunakan infrastruktur yang sama. Ini karena beberapa efek:

  1. Efek kulit dialami dengan AC. Tidak ada efek kulit dengan DC.

  2. Tegangan lebih tinggi diperbolehkan dengan DC untuk saluran transmisi yang sama. Garis harus menahan tegangan puncak. Dengan AC, itu 1,4 kali lebih tinggi dari RMS. Dengan DC, tegangan RMS dan puncak sama. Namun, daya yang ditransmisikan adalah kali saat RMS, bukan puncak, tegangan.

  3. Tidak ada kehilangan radiasi dengan DC. Saluran transmisi panjang bertindak sebagai antena dan memancarkan sejumlah daya. Itu hanya bisa terjadi dengan AC.

  4. Tidak ada kerugian induksi. Perubahan medan magnet di sekitar kawat yang membawa arus AC menyebabkan tegangan dan arus yang diinduksi pada konduktor terdekat. Akibatnya, saluran transmisi adalah yang utama dari sebuah trafo, dan konduktor di dekatnya adalah yang sekunder. Dengan arus DC, medan magnet tidak berubah dan karenanya tidak mentransfer daya.

Keuntungan lain dari DC adalah tidak memerlukan sinkronisasi antar kisi. Dua kisi AC perlu disinkronkan dengan fase untuk dihubungkan bersama. Ini menjadi rumit ketika jarak cukup besar untuk menjadi fraksi signifikan dari suatu siklus.

Sisi lain adalah bahwa AC lebih mudah untuk mengkonversi antara tegangan. Mengubah DC kembali ke AC untuk membuangnya ke jaringan lokal di ujung penerima bukan proses yang sepele. Dibutuhkan pabrik besar untuk melakukan ini, yang berarti biaya yang signifikan. Biaya itu hanya layak jika jarak transmisi cukup panjang sehingga penghematan efisiensi lebih besar daripada biaya instalasi konversi DC-AC selama masa pakainya.

Berikut adalah contoh dari apa yang diperlukan untuk mengubah tegangan tinggi DC kembali ke AC:

Daya DC dari bendungan besar di Quebec masuk di kanan atas. Pabrik ini mengonversikannya menjadi AC dan membuang daya ke saluran transmisi AC regional besar di Ayer Massachusetts pada 42.5702N 71.5242W .

Biaya membangun dan mengoperasikan pabrik ini tidak sia-sia karena penghematan daya yang signifikan untuk mentransmisikan DC alih-alih AC. Sinkronisasi juga merupakan faktor dalam menggunakan DC.


1
Terima kasih banyak. Penjelasannya sangat mencerahkan. Hanya untuk menyelesaikan dan mungkin untuk orang lain di luar sana dengan kebingungan yang sama: Komentar tentang DC menjadi kurang efisien daripada AC (dalam jawaban yang saya tautkan) secara keseluruhan tidak benar?
Arraval

2
Anda terhubung ke banyak hal, tidak ada yang saya ikuti. Pertanyaan dan jawaban harus lengkap. Dalam kasus Anda, ada cukup banyak pertanyaan di sini untuk menjawabnya di sini, jadi saya lakukan.
Olin Lathrop

1
@leftroubdabout: 9.38mm pada 50Hz untuk tembaga, menurut Wikipedia
PlasmaHH

1
Kami juga menjalankan jalur satu juta vdc dari Oregon ke San Diego - California mengkonsumsi sejumlah besar daya dari bendungan kami di barat laut pasifik (Meskipun ini saat ini sedikit berubah karena produksi solar di California)
Bill K

3
re: "AC lebih mudah untuk mengkonversi antara voltase" Layak catatan sejarah di Edison v Tesla hari ini bahkan lebih dari driver, bahkan kita bisa mengatakan itu hampir mustahil bagi Edison untuk naik / turun DC-nya. Butuh beberapa dekade sebelum transmisi DC tegangan tinggi bahkan dapat dilakukan.
agentp

38

Saya benar-benar bekerja pada skema HVDC, kembali di pertengahan 90-an. Jawaban Olin Lathrop sebagian benar, tetapi tidak sepenuhnya. Saya akan mencoba untuk tidak mengulangi terlalu banyak dari jawabannya, tetapi saya akan menjelaskan beberapa hal.

Kerugian untuk AC terutama karena induktansi kabel. Ini menciptakan reaktansi untuk transmisi daya AC. Kesalahpahaman yang umum (diulangi oleh Olin) adalah bahwa ini adalah karena mentransfer kekuatan ke hal-hal di sekitarnya. Ini bukan - gulungan kawat di tengah antara sini dan Awan Magellan akan memiliki reaktan yang sama persis dan menyebabkan efek listrik yang persis sama duduk di meja Anda. Untuk alasan ini, itu disebut induktansi diri , dan induktansi diri dari kabel transmisi panjang sangat penting.

Kabel tidak kehilangan daya yang signifikan dari kopling induktif dengan logam lainnya - ini adalah setengah dari kesalahpahaman umum lainnya. Efektivitas kopling induktif adalah fungsi dari frekuensi AC dan jarak antara kabel. Untuk transmisi AC pada 50 / 60Hz, frekuensinya sangat rendah sehingga kopling induktif pada segala jenis jarak sama sekali tidak efektif; dan kecuali Anda ingin tersengat listrik, jarak tersebut harus terpisah beberapa meter. Ini tidak terjadi sampai batas yang dapat diukur.

(Diedit untuk menambahkan satu hal yang saya lupa) Untuk kabel yang beroperasi di bawah air, ada juga kapasitansi kabel yang sangat tinggi karena konstruksinya. Ini adalah sumber kerugian reaktif yang berbeda, tetapi signifikan dengan cara yang sama. Ini mungkin menjadi penyebab dominan hilangnya kabel bawah laut.

Efek kulit memang menyebabkan resistensi yang lebih tinggi untuk transmisi daya AC, seperti kata Olin. Namun dalam praktiknya, kebutuhan akan kabel fleksibel membuat masalah ini tidak terlalu menjadi masalah. Sebuah kabel tunggal yang cukup tebal untuk mentransmisikan daya yang signifikan pada umumnya akan terlalu tidak fleksibel dan sulit untuk digantung dari tiang, jadi kabel-kabel transmisi dirakit dari seikat kabel yang dipisah-pisahkan dengan spacer. Kita harus tetap melakukan ini, apakah kita menggunakan DC atau AC. Namun hasil dari ini adalah untuk menempatkan kabel di dalam zona efek kulit untuk bundel. Jelas ada rekayasa yang terlibat dalam hal ini, dan masih akan ada beberapa kerugian, tetapi dengan kebetulan yang bahagia ini kita dapat memastikan bahwa mereka jauh lebih rendah.

Kabel yang terkubur dan kapal selam adalah kabel tebal tunggal, tentu saja, jadi pada prinsipnya mereka masih bisa digigit oleh efek kulit. Konstruksi kabel tugas-berat biasanya akan menggunakan inti pusat yang kuat yang memberikan integritas struktural untuk kabel, dengan konektor lain yang melilit inti itu. Sekali lagi, kita dapat menggunakannya untuk keuntungan kita untuk mengurangi efek kulit pada AC, dan bahkan kabel HVDC akan dibangun dengan cara yang sama.

Kemenangan besar dalam transmisi daya adalah menghilangkan kerugian reaktif.

Seperti kata Olin, ada juga masalah dengan menggabungkan dua jaringan listrik bersama, karena mereka tidak akan pernah persis frekuensi dan fase yang sama. Penggunaan filter yang cerdas pada pertengahan abad ke-20 memang memungkinkan koneksi grid, tetapi mendesain ini sama saja dengan seni, dan secara inheren tidak efisien. Setelah Anda mendapatkan daya yang ditransmisikan dalam DC, Anda dapat merekonstruksi AC dengan frekuensi dan fase yang sama persis dengan jaringan tujuan, dan menghindari masalah.

Tidak hanya itu, tetapi jauh lebih efisien untuk mengkonversi dari AC ke DC dan kembali ke AC lagi, daripada mencoba menggunakan filter untuk mengkompensasi fase dan frekuensi. Grid hari ini umumnya bergabung dengan skema back-to-back . Ini pada dasarnya adalah kedua bagian dari sambungan HVDC di samping satu sama lain, dengan busbar yang sangat besar di antara keduanya, bukan kilometer dari kabel transmisi.


+1 untuk detail dan klarifikasi yang diberikan. Saya tidak dapat membatalkannya karena beberapa poin reputasi saya. Saya juga tidak dapat mengomentari posting asli (yang memicu pertanyaan saya). Akan lebih bagus jika seseorang dapat mengirim komentar [di sana] ( engineering.stackexchange.com/a/295/15211 ) karena saya pikir itu menyesatkan. Terimakasih banyak.
Arraval

Seseorang mungkin bisa memparafrasekan masalah dengan AC sebagai "pada skala ribuan mil, 60Hz AC berperilaku sama berlawanan dengan waveguides-antena-coax-dan-gold-plating-black-magic RF world"
rackandboneman

@Arraval Menambahkan komentar pada jawaban itu untuk menjelaskan.
Graham

Induktansi tidak diinginkan, tetapi dengan sendirinya tidak menyebabkan kerugian.
Olin Lathrop

Saya setuju bahwa efek induktif dan kapasitif eksternal minimal, tetapi mereka memang ada. Saya ingat cerita tentang seorang petani yang mendapatkan listrik gratis karena pagar kawat berjalan di sepanjang kabel listrik. Radiasi sekali lagi kecil, tetapi cukup signifikan sehingga garis-garis dipuntir secara berkala.
Olin Lathrop

5

Mereka berbicara tentang kerumitan dan biaya ( $ $ $ $ $ )

Orang-orang mengatakan "DC kurang efisien" menggunakan kata "efisiensi" untuk berbicara tentang faktor-faktor desain seperti kompleksitas perangkat keras konversi, dan yang lebih kritis, biayanya .

Jika kita memiliki mesin Sinterklas yang dapat mengeluarkan konverter DC / DC semurah dan seandal transformator yang sebanding, maka DC menang. (pada efek kulit saja). Namun keluar di dunia praktis, begitu sepatu bot Anda diikat dan sarung tangan lineman aktif, Anda mengalami beberapa pasak lainnya.

  • Di AC, kecepatan cahaya menciptakan masalah pentahapan saat muatan bergerak - khususnya masalah pada kereta api listrik, yang mengapa mereka menyukai frekuensi sangat rendah seperti 25 Hz atau 16-2 / 3 Hz. Masalah ini hilang dengan DC .
  • Anda tidak dapat meningkatkan arus. Arus dibatasi oleh pemanasan kawat, dan pemanasan kawat sudah didasarkan pada RMS AC.
  • Sebagian besar pangkalan menara transmisi dan distribusi dibuat untuk "delta" 3 fase, sehingga mereka memiliki 3 konduktor. Sulit untuk menggunakan ketiga kabel secara efektif di DC, jadi DC akan mengurangi kapasitas efektif dari jalur-jalur ini secara signifikan dengan membuang kabel. Berapa banyak? DC membawa sama dengan AC satu fase, dan 3-kawat 3-fase membawa sqrt (3) (1.732) kali lebih banyak. Aduh.
  • Anda bisa meningkatkan tegangan. Saluran AC diisolasi untuk tegangan puncak [peak = RMS * sqrt (2)] sehingga Anda dapat secara hipotetis menaikkan tegangan DC ke sana. Namun...
  • Begitu daya DC mengenai busur, sangat sulit untuk dipadamkan karena tidak pernah berhenti (tidak seperti AC, di mana setiap zero-crossing memberi busur kesempatan untuk memadamkan). Ini mungkin bisa diatasi dengan deteksi kesalahan busur. Saluran AC sudah memiliki reclosers yang akan terhubung kembali secara otomatis setelah perjalanan; DC recloser dapat mencoba kembali setelah hanya beberapa milidetik, mereplikasi efek dari AC zero crossing.

Sistem AC kereta api dulunya misalnya 16,6 Hz karena motor AC awal tidak efisien pada frekuensi yang lebih tinggi (tetapi transformator besar dan berat pada frekuensi rendah , mengarah pada trade-off). Sistem yang lebih baru umumnya menggunakan frekuensi yang sama dengan jaringan distribusi listrik biasa, yang ditangani dengan baik oleh elektronik modern. Penundaan kecepatan cahaya bukan masalah; kabel atas dipecah menjadi bagian-bagian yang terpisah fase setiap beberapa kilometer pula
Henning Makholm

@HenningMakholm tetapi distribusinya tidak.
Harper - Pasang kembali Monica

1

Semua yang lain adalah transmisi DC yang sama lebih efisien daripada transmisi AC pada tegangan nominal yang sama karena penghapusan kerugian reaktif.

Namun semuanya jarang sama.

  1. Pada tegangan yang diberikan DC jauh lebih rentan terhadap busur penopang daripada AC.
  2. Baru-baru ini kami mengembangkan kemampuan untuk mengkonversi antara voltase DC dengan biaya dan efisiensi yang masuk akal. Pada tingkat daya tinggi, ini masih lebih mahal dan kurang efisien daripada transformator.

Hasilnya adalah bahwa sistem DC cenderung beroperasi pada tegangan yang lebih rendah daripada sistem AC dan inilah yang membuat DC memiliki reputasi sebagai tidak efisien.

Tegangan memiliki efek besar pada biaya dan / atau efisiensi transmisi. Jika Anda membagi dua tegangan maka untuk mempertahankan tingkat kerugian resistif yang sama Anda harus empat kali lipat ukuran konduktor. Atau Anda memiliki kerugian empat kali lipat untuk ukuran konduktor yang sama.

Pengecualian untuk hal ini adalah titik daya sangat tinggi untuk mengarahkan transmisi daya jarak jauh, kabel bawah laut atau antar kisi yang tidak disinkronkan. Dalam kasus ini, biaya dan bahaya yang terkait dengan mengubah AC yang digunakan pada grid ke DC tegangan tinggi menjadi lebih dibenarkan.

Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.
Judi bola