יתרונות של קווי תמסורת זרם ישר במתח גבוה בהשוואה לקווי זרם חילופין

לאחר שהפכו לקווי תמסורת במתח גבוה מסורתיים, כיום הם פועלים תמיד באמצעות זרם חילופין. אבל האם חשבתם פעם על היתרונות שקו תמסורת DC במתח גבוה יכול לתת בהשוואה לקו AC? כן, אנחנו מדברים על קווי תמסורת זרם ישר במתח גבוה (HVDC Power Transmission).

כמובן, ליצירת קו זרם ישר במתח גבוה, מלכתחילה, ממירים, שיעשה זרם ישר מזרם חילופין וזרם חילופין מזרם ישר. ממירים וממירים כאלה הם יקרים, כמו גם חלקי חילוף עבורם, יש מגבלות עומס יתר, בנוסף, עבור כל קו המכשיר חייב להיות ייחודי ללא הגזמה. לאורך מרחקים קצרים, הפסדי החשמל בממירים הופכים קו תמסורת כזה לבלתי חסכוני בדרך כלל.

אבל באילו יישומים עדיף להשתמש בו זֶרֶם יָשָׁר? מדוע מתח AC גבוה לפעמים אינו יעיל מספיק? לבסוף, האם קווי תמסורת זרם ישר במתח גבוה כבר נמצאים בשימוש? ננסה לקבל תשובות לשאלות אלו.

לא צריך ללכת רחוק בשביל דוגמאות. כבל חשמלי שהונח על קרקעית הים הבלטי בין שתי מדינות שכנות, גרמניה ושוודיה, אורכו 250 מטר, ואם הזרם היה מתחלף, אזי ההתנגדות הקיבולית הייתה גורמת להפסדים משמעותיים. או באספקת חשמל לאזורים מרוחקים כאשר אין אפשרות להתקין ציוד ביניים. גם כאן, זרם ישר במתח גבוה יגרום פחות אובדן.

מה אם אתה צריך להגדיל את הקיבולת של קו קיים מבלי להכניס אחד נוסף? ובמקרה של הפעלת מערכות חלוקת AC שאינן מסונכרנות זו עם זו?

בינתיים, עבור הספק ספציפי המועבר לזרם ישר, במתח גבוה, נדרש חתך קטן יותר של החוט, והמגדלים יכולים להיות נמוכים יותר. לדוגמה, קו ההילוכים הקנדי Bipole Nelson River מחבר בין רשת החלוקה ותחנת הכוח המרוחקת.

ניתן לייצב רשתות מתח AC מבלי להגביר את הסיכון לקצר חשמלי. פריקות קורונה, הגורמות להפסדים בקווי AC עקב פסגות מתח גבוהות במיוחד, הן הרבה פחות עם DC, בהתאם לכך משתחרר פחות אוזון מזיק. שוב, הפחתת העלות של בניית קווי חשמל, למשל יש צורך בשלושה חוטים לשלושה שלבים ורק שניים עבור HVDC. שוב, היתרונות המקסימליים של כבלים תת ימיים הם לא רק פחות חומר, אלא גם פחות הפסדים קיבוליים.

מאז 1997AAB מתקינה קווי HVDC Light עם הספק של עד 1.2 GW במתחים של עד 500 קילו וולט. כך נבנה קישור כוח נומינלי של 500 MW בין הרשתות של בריטניה הגדולה ואירלנד.

חיבור זה משפר את האבטחה והאמינות של אספקת החשמל בין הרשתות. באורך ממערב למזרח, אחד הכבלים ברשת הוא באורך 262 קילומטרים, כאשר 71% מהכבלים על קרקעית הים.

שוב, זכרו שאם זרם ה-AC היה משמש לטעינת קיבול הכבל, היו הפסדי חשמל מיותרים, ומכיוון שהזרם מופעל כל הזמן, ההפסדים זניחים. בנוסף, אין להזניח הפסדים דיאלקטריים של AC.

באופן כללי, עם זרם ישר, ניתן להעביר יותר כוח דרך אותו חוט, מכיוון ששיאי המתח באותו הספק, אך עם זרם חילופין, גבוהים יותר, בנוסף, הבידוד חייב להיות עבה יותר, החתך גדול יותר, המרחק בין המוליכים גדול יותר וכו' בהתחשב בכל הגורמים הללו, המסדרון של קו ההולכה של הזרם הישר מספק שידור צפוף יותר של אנרגיה חשמלית.

קווי מתח גבוה קבועים אינם נוצרים סביבם שדה מגנטי מתחלף בתדר נמוךכפי שאופייני לקווי תמסורת AC. כמה מדענים מדברים על הנזק של השדה המגנטי המשתנה הזה לבריאות האדם, לצמחים, לבעלי חיים. זרם ישר, בתורו, יוצר רק שיפוע שדה חשמלי קבוע (לא משתנה) במרווח שבין המוליך לאדמה, וזה בטוח לבריאותם של אנשים, בעלי חיים וצמחים.

היציבות של מערכות AC מוקלת על ידי זרם ישר.בגלל המתח הגבוה והזרם הישר, ניתן להעביר כוח בין מערכות AC שאינן מסונכרנות זו עם זו. זה מונע התפשטות נזקי מדורגים. במקרה של כשלים לא קריטיים, האנרגיה פשוט מועברת לתוך המערכת או ממנה.

זה מגביר עוד יותר את האימוץ של רשתות DC במתח גבוה, מה שמוביל יסודות חדשים.

תחנת ממיר סימנס לקו תמסורת זרם ישר במתח גבוה (HVDC) בין צרפת לספרד

סכימה של קו HVDC מודרני

זרימת האנרגיה מווסתת על ידי מערכת בקרה או תחנת המרה. הזרימה אינה קשורה לאופן הפעולה של המערכות המחוברות לקו.

לחיבורים על קווי DC יש יכולת שידור קטנה באופן שרירותי בהשוואה לקווי AC, ובעיית החוליות החלשות מתבטלת. ניתן לעצב את הקווים עצמם תוך התחשבות באופטימיזציה של זרימות האנרגיה.

בנוסף נעלמים הקשיים בסינכרון של מספר מערכות בקרה שונות לתפעול מערכות אנרגיה בודדות. בקרי חירום מהירים כלולים חוטי חשמל זרם ישר הגדלת האמינות והיציבות של הרשת הכוללת. בקרת זרימת הכוח יכולה להפחית תנודות בקווים מקבילים.

יתרונות אלו יקלו על אימוץ מהיר יותר של אינטראקציית זרם ישר במתח גבוה על מנת לשבור מערכות חשמל גדולות למספר חלקים המסונכרנים זה עם זה.

לדוגמה, בהודו נבנו כמה מערכות אזוריות המחוברות ביניהן בקווי זרם ישר במתח גבוה.ישנה גם שרשרת ממירים הנשלטת על ידי מרכז מיוחד.

זה אותו דבר בסין. בשנת 2010, ABB בנתה בסין את הזרם הישר הראשון בעולם במתח גבוה במיוחד של 800 קילוואט בסין. קו 1100 קילוואט Zhongdong — Wannan UHV DC באורך של 3400 ק"מ והספק של 12 GW הושלם ב-2018.

נכון לשנת 2020, לפחות 13 אתרי בנייה הושלמו. קווי EHV DC בסין. קווי HVDC מעבירים כמויות גדולות של חשמל למרחקים משמעותיים, כאשר לכל קו מחוברים מספר ספקי חשמל.

ככלל, מפתחי קווי תמסורת זרם ישר במתח גבוה אינם מספקים לציבור הרחב מידע על עלות הפרויקטים שלהם, שכן מדובר בסוד מסחרי. עם זאת, הפרטים הספציפיים של הפרויקטים עושים התאמות משלהם, והמחיר משתנה בהתאם: כוח, אורך כבל, שיטת התקנה, עלות קרקע וכו'.

על ידי השוואה כלכלית של כל ההיבטים, מתקבלת החלטה לגבי כדאיות בניית קו HVDC. כך למשל, הקמת קו הולכה בן ארבעה קווים בין צרפת לאנגליה, בהספק של 8 GW, יחד עם עבודות ביבשה, דרשה כמיליארד פאונד.

רשימת פרויקטים משמעותיים של זרם ישר במתח גבוה (HVDC) מהעבר

בשנות ה-80 הייתה מה שנקרא מלחמת זרמים בין תומכי DC כמו תומס אדיסון ותומכי AC כמו ניקולה טסלה וג'ורג' וסטינגהאוס. DC נמשך 10 שנים, אך ההתפתחות המהירה של שנאי כוח, הנחוצים להגדלת המתח ובכך להגביל את ההפסדים, הובילה להתרבות של רשתות AC. רק עם התפתחות האלקטרוניקה הכוחנית התאפשר השימוש בזרם ישר במתח גבוה.

טכנולוגיית HVDC הופיע בשנות ה-30. הוא פותח על ידי ASEA בשוודיה ובגרמניה. קו ה-HVDC הראשון נבנה בברית המועצות בשנת 1951 בין מוסקבה לקשירה. ואז, ב-1954, נבנה קו נוסף בין האי גוטלנד לבין שוודיה היבשתית.

מוסקבה - קאשירה (ברית המועצות) — אורך 112 ק"מ, מתח — 200 קילו וולט, הספק — 30 מגוואט, שנת בנייה — 1951. הוא נחשב לזרם ישר אלקטרוני במתח גבוה סטטי לחלוטין, שהוכנס לפעולה. הקו לא קיים כרגע.

גוטלנד 1 (שוודיה) — אורך 98 ק"מ, מתח — 200 קילו וולט, הספק — 20 MW, שנת בנייה — 1954. קישור HVDC המסחרי הראשון בעולם. הורחב על ידי ABB ב-1970, הוצא משימוש ב-1986.

וולגוגרד - דונבאס (ברית המועצות) - אורך 400 ק"מ, מתח - 800 קילו וולט, הספק - 750 מגוואט, שנת בנייה - 1965. השלב הראשון של קו החשמל 800 קילו וולט DC וולגוגרד - דונבאס הוזמן בשנת 1961, אשר צוין בעיתונות באותה תקופה כ שלב חשוב מאוד בהתפתחות הטכנית של הנדסת החשמל הסובייטית. כרגע הקו מפורק.

בדיקת מיישרי מתח גבוה לקו זרם ישר במעבדת VEI, 1961.

דיאגרמת קו של זרם ישר במתח גבוה וולגוגרד - דונבאס

תראה: תצלומים של מתקני חשמל וציוד חשמלי בברית המועצות 1959-1962

HVDC בין האיים של ניו זילנד - אורך 611 ק"מ, מתח - 270 קילו וולט, הספק - 600 מגוואט, שנת בנייה - 1965. מאז 1992, משוחזר АBB... מתח 350 קילו וולט.

מאז 1977עד כה כל מערכות ה-HVDC נבנו באמצעות רכיבי מצב מוצק, ברוב המקרים תיריסטורים, מאז סוף שנות ה-90 נעשה שימוש בממירי IGBT.

ממירי IGBT בתחנת הממיר של סימנס עבור קו ההולכה של זרם ישר במתח גבוה (HVDC) בין צרפת לספרד

Cahora Bassa (מוזמביק - דרום אפריקה) — אורך 1420 ק"מ, מתח 533 קילוואט, הספק — 1920 מגוואט, שנת בנייה 1979. HVDC ראשון עם מתח מעל 500 קילוואט. תיקון ABB 2013-2014

אקיבאסטז - טמבוב (ברית המועצות) - אורך 2414 ק"מ, מתח - 750 קילו וולט, הספק - 6000 מגה וואט. הפרויקט החל בשנת 1981. עם כניסתו לפעולה הוא יהיה קו ההולכה הארוך בעולם. אתרי הבנייה ננטשו בסביבות 1990 עקב קריסת ברית המועצות והקו מעולם לא הושלם.

Interconnexion France Angleterre (צרפת - בריטניה) - אורך 72 ק"מ, מתח 270 קילוואט, הספק - 2000 מגוואט, שנת בנייה 1986.

Gezhouba - שנחאי (סין) - 1046 ק"מ, 500 קילוואט, הספק 1200 מגה וואט, 1989.

ריהאנד דלהי (הודו) - אורך 814 ק"מ, מתח - 500 קילו וולט, הספק - 1500 מגוואט, שנת בנייה - 1990.

כבל בלטי (גרמניה - שוודיה) - אורך 252 ק"מ, מתח - 450 קילו וולט, הספק - 600 מגוואט, שנת בנייה - 1994.

טיין גואן (סין) - אורך 960 ק"מ, מתח - 500 קילו וולט, הספק - 1800 מגוואט, שנת בנייה - 2001.

Talcher Kolar (הודו) - אורך 1450 ק"מ, מתח - 500 קילו וולט, הספק - 2500 מגוואט, שנת בנייה - 2003.

שלושת הערוקים - צ'אנגג'ואו (סין) — אורך 890 ק"מ, מתח — 500 קילו וולט, הספק — 3000 מגוואט, שנת בנייה — 2003. בשנים 2004 ו-2006.2 קווים נוספים נבנו מהמפעל ההידרואלקטרי "Three Gorges" HVDC ל-Huizhou ושנגחאי לאורך 940 ו-1060 ק"מ.

תחנת הכוח ההידרואלקטרית הגדולה בעולם, שלושת הנקיקים, מחוברת לצ'אנגג'ואו, גואנגדונג ושנגחאי באמצעות קווי זרם ישר במתח גבוה.

Xiangjiaba-Shanghai (סין) - הקו מפולונג לפנגשיה. האורך 1480 ק"מ, המתח 800 קילוואט, הספק 6400 מגוואט, שנת הבנייה היא 2010.

יונאן - גואנגדונג (סין) - אורך 1418 ק"מ, מתח - 800 קילו וולט, הספק - 5000 מגוואט, שנת בנייה - 2010.