Transmitindo energia a longas distâncias, qual é a melhor CA ou CC?

Encontrei esta resposta para uma pergunta relacionada. A parte da resposta que está me confundindo é:

Transmitir energia CC a uma longa distância é ineficiente. Assim, o fornecimento de CA é muito mais eficiente para transmitir energia.

Segundo a Siemens, é exatamente o contrário :

Sempre que a energia precisa ser transmitida a longas distâncias, a transmissão CC é a solução mais econômica em comparação com a CA de alta tensão.

Além disso, da Wikipedia

As perdas de transmissão HVDC são citadas como inferiores a 3% por 1.000 km, que são 30 a 40% inferiores às linhas CA, nos mesmos níveis de tensão.

A resposta postada está correta?

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Chris H fez uma observação muito importante (veja seu comentário abaixo): O contexto do post que mencionei era de baixa tensão, enquanto eu pensava cegamente em alta tensão. Na verdade, eu aprendi muito com as respostas e comentários. Obrigado.

É mais eficiente transmitir DC usando praticamente a mesma infraestrutura. Isso ocorre por vários efeitos:

1. Efeito de pele experimentado com AC. Não há efeito de pele com DC.

2. Tensão mais alta permitida com CC para as mesmas linhas de transmissão. As linhas precisam suportar o pico de tensão. Com a CA, isso é 1,4 vezes maior que o RMS. Com CC, o RMS e as tensões de pico são as mesmas. No entanto, a potência transmitida é o tempo atual da tensão RMS, e não o pico.

3. Sem perda de radiação com DC. Linhas de transmissão longas atuam como antenas e irradiam alguma energia. Isso só pode acontecer com o AC.

4. Sem perdas por indução. A mudança do campo magnético ao redor de um fio que transporta corrente CA causa tensão e corrente induzidas em condutores próximos. De fato, a linha de transmissão é a principal de um transformador, e os condutores próximos a ela são secundários. Com corrente DC, o campo magnético não muda e, portanto, não transfere energia.

Outra vantagem do DC é que ele não requer sincronização entre grades. Duas redes CA precisam ser sincronizadas com fase para serem conectadas juntas. Isso fica complicado quando as distâncias são grandes o suficiente para serem frações significativas de um ciclo.

O outro lado é que a CA é mais fácil de converter entre tensões. Converter DC de volta para AC para despejá-lo na grade local na extremidade receptora não é um processo trivial. É preciso uma planta grande para fazer isso, o que significa uma despesa significativa. Essa despesa só vale a pena se a distância de transmissão for longa o suficiente para que as economias de eficiência superem o custo da planta de conversão DC-AC ao longo de sua vida útil.

Aqui está um exemplo do que é necessário para converter CC de alta tensão em CA:

A energia CC de grandes barragens no Quebec entra no canto superior direito. Esta usina converte isso em corrente alternada e descarrega a energia em uma grande linha de transmissão regional de corrente alternada em Ayer Massachusetts em 42.5702N 71.5242W .

As despesas de construção e operação desta planta valem a pena devido à significativa economia de energia na transmissão de corrente contínua em vez de corrente alternada. A sincronização também foi um fator no uso de DC.

Na verdade, trabalhei em esquemas de HVDC, em meados dos anos 90. A resposta de Olin Lathrop está parcialmente certa, mas não exatamente. Vou tentar não repetir muito a resposta dele, mas vou esclarecer algumas coisas.

As perdas para a CA se resumem principalmente à indutância do cabo. Isso cria reatância para a transmissão de energia CA. Um equívoco comum (repetido por Olin) é que isso se deve à transferência de poder para as coisas ao seu redor. Não é - uma bobina de fio a meio caminho entre aqui e a Nuvem de Magalhães terá exatamente a mesma reatância e causará exatamente os mesmos efeitos elétricos sentados em sua mesa. Por esse motivo, é chamado de auto-indutância , e a auto-indutância de um longo cabo de transmissão é realmente significativa.

O cabo não perde nenhuma energia significativa devido ao acoplamento indutivo com outras peças de metal - essa é a outra metade desse equívoco comum. A eficácia do acoplamento indutivo é uma função da frequência CA e da distância entre os cabos. Para transmissão CA a 50 / 60Hz, a frequência é tão baixa que o acoplamento indutivo a qualquer tipo de distância é totalmente ineficaz; e, a menos que você queira ser eletrocutado, essas distâncias devem estar a vários metros de distância. Isso simplesmente não acontece em nenhuma medida mensurável.

(Editado para adicionar uma coisa que eu esqueci) Para cabos que funcionam debaixo d'água, também existem capacitâncias de cabo muito altas devido à sua construção. Essa é uma fonte diferente de perdas reativas, mas é significativa da mesma maneira. Essa pode ser a causa dominante de perdas em cabos subaquáticos.

O efeito da pele causa maior resistência à transmissão de energia CA, como diz Olin. Na prática, porém, a necessidade de cabos flexíveis torna isso menos um problema. Um único cabo grosso o suficiente para transmitir energia significativa geralmente seria muito inflexível e pesado para pendurar em um poste, de modo que os cabos de transmissão são montados a partir de um feixe de fios separados por espaçadores. Precisamos fazer isso de qualquer maneira, esteja usando DC ou AC. O resultado disso é colocar os fios dentro da zona de efeito de pele do pacote. Claramente, há engenharia envolvida nisso, e ainda haverá algumas perdas, mas, por essa feliz coincidência, podemos garantir que sejam muito menores.

Os cabos enterrados e submarinos são um único cabo grosso, é claro, portanto, em princípio, eles ainda podem ser mordidos pelo efeito de pele. A construção de cabos pesados ​​geralmente usa um núcleo central forte que fornece integridade estrutural ao cabo, com outros conectores enrolados nesse núcleo. Novamente, podemos usar isso como vantagem para reduzir o efeito de pele em CA, e até os cabos HVDC serão construídos da mesma maneira.

A grande vitória na transmissão de energia é a eliminação de perdas reativas.

Como diz Olin, também há um problema em unir duas redes de energia, porque elas nunca terão exatamente a mesma frequência e fase. O uso inteligente de filtros em meados do século XX permitiu a conexão de grades, mas projetá-las era tanto arte quanto ciência, e elas eram inerentemente ineficientes. Depois de transmitir sua energia em CC, você pode reconstruir a CA com a mesma freqüência e fase exata da grade de destino e evitar o problema.

Não apenas isso, mas é muito mais eficiente converter de CA para CC e voltar a CA novamente, em vez de tentar usar filtros para compensar fase e frequência. Hoje em dia, as grades geralmente são associadas a esquemas consecutivos . Essas são essencialmente as duas metades de um link HVDC um ao lado do outro, com um enorme barramento entre os dois, em vez de quilômetros de cabo de transmissão.

Eles estão falando sobre complexidade e custo ( $ $ $ $ $ )

As pessoas que dizem "DC é menos eficiente" estão usando a palavra "eficiência" para falar sobre fatores de design, como complexidade do hardware de conversão e, mais criticamente, seu custo .

Se tivermos uma máquina de Papai Noel que possa produzir conversores DC / DC tão baratos e confiáveis ​​quanto os transformadores comparáveis, a DC vence. (apenas no efeito cutâneo). No entanto, no mundo prático, uma vez que as botas estão amarradas e as luvas do atacante, você encontra alguns outros problemas.

• No AC, a velocidade da luz cria problemas de fase à medida que as cargas se movimentam - particularmente um problema em ferrovias elétricas, e é por isso que eles gostam de frequências ultra baixas, como 25 Hz ou 16-2 / 3 Hz. Esse problema desaparece com o DC .
• Você não pode aumentar a corrente. A corrente é limitada pelo aquecimento do fio, e o aquecimento do fio já é baseado no RMS da CA.
• A maior parte da base instalada de torres de transmissão e distribuição é feita para "delta" trifásico, portanto, possui 3 condutores. É difícil usar todos os três fios efetivamente em DC, portanto, a DC reduzirá significativamente a capacidade efetiva dessas linhas desperdiçando um fio. Quantos? O DC carrega o mesmo que o CA monofásico e o trifásico trifásico transporta sqrt (3) (1,732) vezes mais. Ai.
• Você poderia aumentar a tensão. As linhas CA são isoladas para a tensão de pico [pico = RMS * sqrt (2)] para que você possa hipoteticamente aumentar a tensão CC para isso. Contudo...
• Uma vez que a energia CC atinja um arco, é muito difícil extinguir porque ele nunca para (ao contrário da CA, onde cada cruzamento de zero dá ao arco a chance de extinguir). Isso pode ser endereçado com a detecção de falha de arco. As linhas CA já possuem religadores que serão reconectados automaticamente após uma viagem; um religador CC pode tentar novamente após alguns milissegundos, replicando o efeito do cruzamento de zero CA.

Todo o resto sendo igual à transmissão CC é mais eficiente que a transmissão CA na mesma tensão nominal devido à eliminação de perdas reativas.

No entanto, todo o resto raramente é igual.

2. Recentemente, desenvolvemos a capacidade de converter tensões CC com custo e eficiência razoáveis. Em altos níveis de potência, ainda é mais caro e menos eficiente que os transformadores.

O resultado é que os sistemas de corrente contínua tendem a operar em tensões mais baixas do que os sistemas de corrente alternada, e é isso que tem a reputação de ser ineficiente.

A tensão tem um efeito maciço no custo e / ou na eficiência da transmissão. Se você reduzir pela metade a tensão, para manter o mesmo nível de perdas resistivas, você deverá quadruplicar o tamanho dos condutores. Como alternativa, você tem quatro vezes as perdas para o mesmo tamanho de condutores.

A exceção é o ponto de potência muito alto para apontar a transmissão de energia por longas distâncias, cabos submarinos ou entre redes não sincronizadas. Nesses casos, os custos e riscos envolvidos na conversão da CA usada na rede em CC de alta tensão tornam-se mais justificados.