Il vantaggio di utilizzare l'alta tensione è che possiamo fornire la stessa quantità di potenza con una corrente inferiore attraverso le linee di trasmissione. Una corrente inferiore riduce le perdite dovute alla resistenza delle linee. Questo è vero sia che utilizziamo CA o CC ad alta tensione (e, in effetti, la trasmissione CC ad alta tensione sta diventando più comune)

Il vantaggio dell'utilizzo della corrente alternata è che, data la tecnologia della fine del XIX e dell'inizio del XX secolo che era presente quando la nostra rete di trasmissione è stata sviluppata, è molto più facile convertire la CA ad alta tensione in CA a media o bassa tensione per la consegna a il cliente finale. Possiamo farlo utilizzando i trasformatori. Quando la rete di alimentazione è stata progettata e implementata, non era disponibile alcuna tecnologia affidabile e conveniente per la conversione tra tensioni CC.

E se la tensione è più alta come può essere più bassa la corrente?

Notare che ho detto sopra "per fornire la stessa quantità di potenza".

Una lampadina da 100 W in un paese da 240 V utilizza la stessa quantità di energia e produce la stessa quantità di luce di una lampadina da 100 W in un paese da 120 V. Ma nel paese da 240 V, la lampadina è progettata con una resistenza maggiore in modo che assorba meno corrente rispetto alla lampadina da 100 W per l'utilizzo nel paese da 120 V.

Allo stesso modo, se abbiamo 20 clienti residenziali che consumano 20 kW di potenza in totale e li alimentiamo con una linea da 20 kV (utilizzando un trasformatore per portarla a 240 o 120 V prima di consegnarla alle loro case), la linea trasporterà meno corrente che se alimentassimo quei clienti con una linea da 10 kV.

L'unica differenza che posso vedere è il rilievo sui cavi a causa dell'interruttore di polarità, è per questo che è meglio trasportare l'elettricità su lunghe distanze?

Questo è un po 'fuori dall'argomento principale della tua domanda, ma in realtà la CA non è migliore della CC per quanto riguarda le perdite sui cavi.

In primo luogo, poiché il segnale CA trascorre parte del suo tempo vicino a 0 V, la tensione di picco della forma d'onda CA deve essere effettivamente più alta per fornire la stessa potenza di una determinata tensione CC. Ad esempio, quando diciamo di avere una fonte di alimentazione "120 V CA", intendiamo che la tensione CA ha una tensione quadratica media (rms) di 120 V, poiché è in grado di fornire la stessa potenza a un carico resistivo di un Sorgente da 120 V CC. Ma la tensione di picco di questa sorgente CA è di circa 170 V. Ciò significa che il filo deve essere isolato per evitare la formazione di archi a 170 V anziché solo a 120 V.

Secondo, a causa dell'effetto pelle. Ciò significa che le correnti CA tendono a fluire principalmente sulla superficie esterna di un filo, mentre le correnti CC possono fluire attraverso l'intera sezione trasversale del filo. L'effetto è piccolo alle frequenze abbastanza basse che utilizziamo per la trasmissione di potenza, ma significa comunque che i cavi di trasmissione hanno una resistenza effettivamente maggiore quando trasportano AC rispetto a quando trasportano DC.

Quindi, ancora una volta, il motivo principale per scegliere la trasmissione di potenza CA è essere in grado di utilizzare trasformatori per convertire tra tensioni piuttosto che perché CA è intrinsecamente migliore.

L'alta tensione in generale consente di inviare più energia a una determinata dimensione del cavo, poiché è possibile utilizzare una corrente inferiore. Minore è la corrente, minori sono le perdite (resistive) del filo. Ovvero:

• La potenza erogata è la tensione corrente * o W = E * I
• La potenza persa per il calore è il tempo di resistenza il quadrato della corrente, o W (perdita) = I ^ 2 / R

È quel termine I ^ 2 che ti capisce. Ridurre al minimo la corrente è una grande vittoria in termini di riduzione delle perdite. (Non sto ancora considerando la reattanza qui. Questa è un'altra discussione.)

Per quanto riguarda perché viene utilizzata la corrente alternata, è più facile generare e funzionare rispetto alla corrente continua in quasi tutte le fasi, soprattutto se si considera che la maggior parte della tecnologia di base per la generazione e la distribuzione di energia è stata XIX secolo:

• Il generatore di sorgenti, essenzialmente un magnete rotante, produce AC per cominciare.
• Questa corrente alternata viene aumentata tramite trasformatori ad alta tensione alternata e inviata lungo il cavo. I trasformatori sono semplici e affidabili: niente parti in movimento, niente elettronica.
• La linea di trasmissione ad alta tensione fa la differenza tra AC e DC (DC è meglio). Maggiori informazioni su questo di seguito.
• La rete HV si preoccupa anche dell'allineamento di fase quando la potenza viene spostata dalla rete alla rete (la CC è migliore). Di nuovo, più avanti.
• Vicino al lato consumatore, ancora una volta i trasformatori riducono la tensione CA a una tensione più amichevole per l'uso locale. Ancora una volta: semplice, senza parti mobili, senza componenti elettronici.
• Al consumatore, la CA trifase è ideale per la maggior parte dei motori di grandi dimensioni. Monofase è facile da abbassare a una tensione sicura, come 240 / 120V per elettrodomestici e illuminazione.

Ora parliamo di DC. L'alta tensione CC (HVDC) è una tecnologia originariamente sviluppata in Svezia (da ASEA, ora ABB) per risolvere un problema con i cavi sottomarini: perdita dielettrica e schermatura. Maggiori informazioni qui: https://mycableengineering.com/knowledge-base/dielectric-loss-in-cables

Gli svedesi sapevano da tempo che il campo elettrico in continua evoluzione in un cavo CA subacqueo provocava grandi perdite di accoppiamento con il materiale dell'armatura circostante. Questo accoppiamento diventa calore, cioè perdita. Quindi, per portare il potere attraverso il fiordo da un'isola all'altra, si è rivelato utile convertirlo in CC prima di inviare il cavo, quindi riconvertirlo in CA per l'uso. Ulteriori informazioni qui da ABB.

E un po 'sullo svedese che odia i nazisti che lo ha creato: Uno Lamm.

C'è un altro vantaggio nell'usare l'HVDC, che si tratti di linee aeree o interrate: nessun effetto pelle. La corrente alternata in un cavo produce correnti parassite localizzate al centro del cavo che si oppongono alla corrente, con la conseguenza che la corrente principale si concentra nel perimetro esterno del cavo. Questa concentrazione di corrente aumenta la resistenza del cavo, quindi più energia viene persa sotto forma di calore. Maggiori informazioni qui: https://www.electrical4u.com/skin-effect-in-transmission-lines/

La corrente CC non forma vortici per opporsi alla corrente, quindi non ha quasi alcun effetto pelle. Ciò significa che viene utilizzato tutto il cavo, consentendo di inviare più corrente lungo lo stesso cavo di dimensioni con perdite inferiori.

Infine, c'è il problema dell'intertie. Quando si sposta l'alimentazione CA tra le reti, le fasi e le tensioni devono essere strettamente abbinate. Questo è molto difficile per i sistemi su larga scala. Maggiori informazioni su questo qui: https://www.testandmeasurementtips.com/how-ac-power-sources-get-synchronized-faq/

DC mitiga questo problema per gli interties: nessuna fase da abbinare ed è più facile regolare la tensione di aumento e aggiungerla alla rete quando una nuova sorgente è in linea. Viene utilizzato in molti grandi corridoi elettrici come intertie, incluso questo: il Pacific DC Intertie che prende energia dalla diga di Bonneville sul fiume Columbia e lo spedisce nel sud della California .

Da allora l'uso del cavo sottomarino HVDC è stato utilizzato non solo per i cavi elettrici sottomarini, ma anche per collegare l'energia eolica offshore alle stazioni a terra.(Questo utilizza una variante chiamata HDVC Light, più dagli svedesi qui: https://new.abb.com/systems/hvdc/hvdc-light)

Man mano che la tecnologia degli inverter matura e i costi scendono, la tendenza per le lunghe code è quella di migrare verso HVDC, mantenendo la CA per i circuiti locali a causa del suo continuo vantaggio per i motori e altre grandi macchine.

Anche allora, la stessa tecnologia elettronica che rende pratico l'HVDC può e viene applicata al lato dei consumi, quindi continueremo a vedere più DC anche nel lato locale.Questo sta già accadendo con i data center, che stanno iniziando a utilizzare 48 V CC per l'alimentazione dei rack dei server.Anche i motori a induzione, le macchine che davvero amano AC, possono passare agli inverter / VFD per una maggiore efficienza e flessibilità, a un certo costo.

i trasformatori, trasformatori giganti, sono più economici di enormi pile di raddrizzatori e chopper per convertire la corrente continua ad alta tensione in corrente continua a bassa tensione.

E i trasformatori sono più robusti.

È davvero difficile affrontarlo in pura teoria.

Proviamo un esempio pratico.

Supponiamo che abbia costruito una casa fuori rete con un sistema di alimentazione domestica perfettamente funzionante. Le batterie, la maggior parte dei carichi di illuminazione e ausiliari sono CC, l'inverter fa funzionare alcune cose secondo necessità. La tensione della batteria è di 12 volt.

A 500 metri di distanza, ho un mulino a vento da 480 VA (praticamente 480 watt), il cui avvolgibile lo fa funzionare praticamente a una velocità. Non è difficile caricarlo in modo da ottenere 60 Hz da esso, monofase. Sono bloccato con la posizione perché è lì che si trova la nuca. Come si carica il generatore? Quale voltaggio?

La tensione del mio sistema è di 12 volt. Quindi avvolgiamo il generatore per 12V, dando 40 ampere. Ora, devo portare il mio 12V @ 40A dal mulino a vento a casa a 500 metri. Quale cavo userò ????

Il cavo minimo consentito dal codice per 40 A è 8 AWG (8,37 mm ² ). Quella roba è 2.061 milliohm per metro, quindi il mio viaggio di andata e ritorno di 1000 m è 2.06 ohm. E = la caduta di tensione IR è 82,4 - beh, non funziona!

Aumentiamo una dimensione del cavo a 6 AWG (13,3 mm ² ). 1,3mohm / m o 1,3 ohm a 1000m o 52 volt: No, neanche questo funzionerà .

Andiamo al più grande: 0000 o 4/0 AWG (107 mm ² ). Questo è 0,161 mohm / m, o 0,161 ohm per la nostra corsa di 1000 m. 6,4 volt o caduta di tensione 53% , * wow, ne stiamo perdendo la metà e stiamo pagando $ 10 / metro per il filo (in realtà per 300kcmil alluminio a $ 1.59 / ft; non useremmo rame a queste dimensioni).

Andiamo per il filo più grande realizzato. 2500 kcmil AAC "Lupin" delle dimensioni del tuo polso, a $ 18 / metro a tratta. 0,023 ohm / km. Quindi 0,91 volt o 7,6% di caduta di tensione (finalmente! Un numero ragionevole!) Ma questo è ancora considerato non un buon numero nella pratica.

beh, questo non va bene .

Ma guarda. Questo cavo XHHW che stiamo usando in realtà dice "600V" su di esso. Che ne dici se aumentiamo il voltaggio e lo abbassiamo a casa? I trasformatori da 600 V sono strani in obtanio, quindi proviamo a 480 V poiché è comune. 480 VA, a 480V, avviene a 1 amp. Ora torniamo indietro e premiamo il calcolatore della caduta di tensione.

Il filo di rame 14 AWG (2,08 mm ² ) a $ 0,23 / metro è il filo THWN / XHHW più piccolo disponibile. Proviamolo. La resistenza è 8.282 milliohm per metro o 8.282 ohm per noi. Orribile! Oh cavolo, siamo nei guai. Non sta funzionando, ma andiamo avanti solo per motivi accademici per vedere quanto è grave . Vediamo, 8.282 ohm x 1A = 8.282 volt o caduta di tensione 1.7% . Aspetta ... è perfettamente accettabile, perché ha funzionato ???

Ma sembra strano, come se qualcosa fosse andato storto. Proviamolo ancora una volta con il più piccolo filo di alluminio disponibile, 6 AWG.

Alluminio 6 AWG (17,16 mm ² ) a $ 0,55 / metro. La resistenza è 2,16 milliohm / metro o 2,16 ohm (uh oh!) per la nostra corsa. Dare 2,16 volt o 0,45% di caduta di tensione. Funziona davvero, davvero .

Tutto quello che abbiamo fatto è stato cambiare il voltaggio da 12 a 480.

Legge di Ohm, rispetta la legge di Watt.

Ecco il punto. La legge di Ohm è

  E = I R

 Tensione (caduta) = Corrente x Resistenza
 

Quindi la caduta di tensione è proporzionale alla corrente. Sopra, stiamo facendo scorrere 1 amp invece di 40 amp, quindi la caduta di tensione è ovviamente 1/40 in più. Ma c'è di più .

La legge di Watt dice

  P = E I

  Potenza = Tensione x Corrente
 

Ricorda, nella nostra applicazione, la potenza era costante: 480 W / VA. Quando abbiamo aumentato la tensione, questo ha causato una riduzione proporzionale della corrente per la stessa potenza. Abbiamo abbassato la corrente di un fattore 40.

Quindi, tornando alla legge di Ohm, la caduta di tensione (in volt assoluti) è diminuita di un fattore 40. Tuttavia stava accadendo un'altra cosa. La tensione è aumentata di un fattore 40. T significa che anche il morso che stava subendo la caduta di tensione si è ridotto di un fattore 40. Caduta di tensione relativa rispetto alla tensione del sistema, diminuita di 40 quadrato .

Ka-zinga! Puoi vedere la potenza di questo aumento di tensione (per un dato requisito di potenza statica).

Riprova in un'applicazione tipica molto pratica.

A 1500 piedi di distanza, vuoi alimentare una serie di lampioni del vialetto. Traggono 240 watt. Puoi alimentarli con 120 V o 240 V (le luci gestiranno felicemente entrambi). È accettabile una caduta di tensione del 3,5%.

Sali al calcolatore della caduta di tensione del tuo quartiere amichevole e scopri cosa ha senso. Potrai anche valutare le opzioni qui selezionando / 2 UF-B con terra di sicurezza.

• Esegui 120 V. L'assorbimento di corrente è di 2 amp.
• Funziona a 240 V. L'assorbimento di corrente è di 1 amp.

Quale preferiresti pagare?

Per quanto riguarda la resistenza, la CC è migliore della CA (vedi "effetto pelle").

La CC richiede anche meno isolamento per la stessa tensione effettiva (i picchi CA sono superiori del 41% rispetto alla tensione effettiva)

È anche meglio in un certo senso che il trasferimento di energia sia continuo. Nell'AC monofase l'energia arriva in impulsi 100 o 120 volte al secondo. (La rete CA trifase, se bilanciata, ha anche un trasferimento di energia continuo.)

DC è anche migliore perché non necessita di sincronizzazione. Aggiungere un generatore a una rete CA è un grosso problema anche oggi, era molto peggio 30-40 anni fa quando i computer non erano ovunque.

In una rete DC, non hai "potenza reattiva" e tutti i problemi ad essa associati.

La maggior parte dei dispositivi elettronici richiede DC per funzionare. Ottenere una buona CC dalla rete CA è un grande sforzo ingegneristico.

In una piccola rete di alimentazione isolata (ad esempio un'automobile), puoi utilizzare CC. Puoi utilizzare sorgenti di alimentazione e consumatori di energia che utilizzano direttamente un'unica tensione CC.

T. Edison ha cercato di utilizzare lo stesso approccio in tutta la città. Ci è quasi riuscito. Un secolo dopo, non abbiamo ancora tutta la tecnologia di cui aveva bisogno per avere successo.

Cosa succede su larga scala:

Hai bisogno di una rete a lunga distanza 100-500kV per mantenere le perdite ohmiche E i diametri dei fili gestibili (il rame è anche costoso, importante quando si ordinano centinaia di chilometri di filo).

Né i generatori né i dispositivi di consumo sono pratici con tensioni di 100 kV. Quindi hai bisogno di un metodo per cambiare la tensione. Ecco che arriva il Transformer. Una tecnologia centenaria, matura, efficiente, semplice principio di funzionamento, facilità di produzione.

Un avvertimento: il Transformer funziona solo con AC. Con la corrente continua, è necessario un inverter di qualche tipo per produrre corrente alternata, quindi un trasformatore, quindi un raddrizzatore di qualche tipo per recuperare la corrente continua.

La tecnologia degli inverter ad alta potenza e alta efficienza è esplosa nel XXI secolo e non è ancora alla pari con il semplice Transformer.Inoltre lotta su larga scala.Ecco perché puoi contare sulle reti CC di infrastrutture ad alta tensione in tutto il mondo sulle tue dita.

E se la tensione è più alta come può essere più bassa la corrente?

Hai mai usato una leva, cambio, martinetto idraulico o pulegge? Questi sono dispositivi che forniscono un vantaggio meccanico. Per fare la stessa quantità di lavoro, come sollevare un sacco di patate di un metro, puoi scegliere tra:

• fornire molta forza, per non molta distanza, o
• fornendo non molta forza, per molta distanza

I trasformatori nel sistema di distribuzione sono la stessa idea, tranne che invece di forza e distanza, sono tensione e corrente.

Nello specifico, per i sistemi meccanici la potenza \ $ P \ $ è il prodotto della forza \ $ F \ $ span> e velocità \ $ v \ $ :

$$ P = F v $$

e l'equivalente elettrico è il prodotto della corrente \ $ I \ $ e della tensione \ $ E \ $ span>:

$$ P = I E $$

Se un fattore diminuisce e l'altro aumenta dello stesso fattore, la potenza (la velocità di trasmissione dell'energia) rimane la stessa.

Cos'è che rende l'alta tensione + corrente alternata un processo migliore per il trasporto di energia?

Prendiamolo in due parti, alta tensione e AC. Primo, perché l'alta tensione?

Immagina di avere un motore che aziona una macchina attraverso un albero. Ma attaccato a questo albero c'è un fan. La ventola crea resistenza: più velocemente gira la ventola, maggiore è la resistenza. Superare questa resistenza significa sprecare energia.

Aggiungendo un cambio in modo che l'albero giri a una velocità inferiore ma con una coppia maggiore trasmette la stessa potenza, tuttavia l'albero gira più lentamente in modo che la ventola generi meno potenza sprecata. Se questo guadagno è maggiore delle perdite del cambio, il sistema diventa più efficiente.

Nello specifico, la potenza \ $ P \ $ sprecata nelle linee di trasmissione è:

$$ P = I ^ 2 R $$

La resistenza \ $ R \ $ può essere ridotta utilizzando conduttori più grassi, ma i cavi metallici e le torri che li supportano sono costosi.Ma ridurre l'attuale \ $ I \ $ è economico: richiede solo un trasformatore a ciascuna estremità per aumentare la tensione e quindi abbassarlo, e forse alcuni isolanti aggiornatiper resistere alla tensione più alta.Gli isolanti sono più economici.

Perché AC?Perché durante la guerra delle correnti, l'unico modo economico per aumentare o diminuire la tensione era con un trasformatore, e i trasformatori funzionano solo con CA.Da allora ci sono state invenzioni che hanno reso possibile la trasmissione CC ad alta tensione, quindi ora alcune linee di trasmissione ad alta potenza utilizzano CC

La perdita di corona è spesso anche un fattore nella trasmissione CA, ma non viene spesso menzionata. General Electric è stata anche un pioniere nella conversione e trasmissione HVDC. Hanno costruito il terminale Sylmar a Sylmar C.A. , che era dotato di raddrizzatori a tiristori a stato solido. ABB ha costruito il terminale originale a Celilo Oregon con Mercury Arc Rectifiers. Quella stazione è stata aggiornata con valvole a stato solido. Una caratteristica interessante di un intertie è che la fase della forma d'onda di tensione può essere modificata molto rapidamente, in modo che la linea CC possa essere utilizzata per smorzare le instabilità nelle linee CA collegate. Questa capacità è diventata sempre più potente nel corso dei decenni con la diminuzione del tempo di reazione dell'elettronica di controllo della valvola. Inoltre, molte linee CA sono limitate non dalla resistenza, ma dalla reattanza induttiva. Non è il caso della DC. Stavano parlando di mettere una grande linea DC sotto uno dei grandi laghi. Poiché la trasmissione pratica di AC sott'acqua è limitata a circa 100 miglia, a causa della reattanza CAPACITIVA, non avrebbe potuto essere eseguita con AC. Quando ho lavorato sul campo, il punto di pareggio per DC contro AC era di circa 400 miglia. Forse qualcuno sa cosa è oggi? Ad ogni modo, GE era entusiasta dell'HVDC fino a quando la crisi del petrolio (1974?) Non fece sì che le persone iniziassero a risparmiare elettricità in modo che le nuove linee non fossero così necessarie. Tuttavia, l'HVDC è di gran moda in Cina e in altri luoghi. Cerca "battaglia delle correnti" per trovare una storia interessante di AC contro DC negli Stati Uniti.

Ignora che l'elettricità è CA, che l'alta tensione è più efficiente è vera per CA o CC. AC è stato scelto per diversi motivi.

Per usare un'analogia dell'acqua in un flusso sotto pressione lungo un tubo per azionare una turbina:

La corrente è analoga alla portata dell'acqua, ad esempio galloni al minuto

La tensione è analoga alla pressione dell'acqua nel tubo

Lo scopo del flusso e della pressione dell'acqua è fornire potenza a una turbina alla fine

la potenza erogata alla turbina è portata x pressione che è analoga all'elettricità dove volt x corrente = potenza e se una delle due è bassa hai meno potenza -

Per aumentare la potenza è possibile aumentare la portata o aumentare la pressione. L'aumento della portata comporta una perdita di pressione all'estremità del tubo, a meno che non si aumenti la dimensione del tubo. Quindi si aumenta la pressione (ignorando il problema di scoppiare il tubo) e si progetta la turbina di conseguenza per mantenere la stessa portata.

L'elettricità è la stessa: spingere la corrente attraverso un filo provoca una caduta di tensione lungo il filo a causa della resistenza, quindi parte della potenza viene persa durante il riscaldamento del filo, che viene minimizzata utilizzando alta tensione e bassa corrente.

L'elevata portata (corrente) ti uccide doppiamente perché non solo la perdita di pressione (tensione) è maggiore a causa della portata (corrente), ma minore pressione di esercizio (tensione) significa anche che è una percentuale maggiore.

Lo scriverò nella forma più semplice possibile in modo che chiunque non sia molto interessato all'EE può capire. Userò solo le formule di base per renderlo il più semplice e intuitivo possibile.

La formula di base per la potenza è: P = U * I . Ora se cambi U come R * I otterrai: P = R * I * I o P = R * I ^ 2 . Vedi che la potenza è correlata alla quantità di corrente che viene inviata attraverso il conduttore. Se riduciamo la corrente, riduciamo la potenza e quindi la perdita di potenza.

Ora, se vogliamo perdere meno potenza possibile, dobbiamo ridurre la corrente. Se vogliamo fornire la stessa quantità di potenza e diminuire la corrente e la perdita di potenza, possiamo aumentare la tensione. P (const) = U⬆️ * I⬇️ .

Ora abbiamo capito la parte ad alta tensione, perché usare AC su DC?

Generalmente AC è più utilizzato perché era più economico da configurare e molto più semplice. Costruire un trasformatore AC-AC e AC-DC per diminuire e impostare la tensione è abbastanza semplice. Per AC-AC è necessario un cablaggio isolato (è possibile utilizzare un nucleo metallico ma non è un must per scopi sperimentali) e per AC-DC è sufficiente un trasformatore AC-AC con un condensatore e un RADDRIZZATORE FULL-BRIDGE all'estremità. Un bambino di 10 anni potrebbe farcela.

Ma c'è un aspetto negativo, l'AC ha il cosiddetto effetto pelle. Fondamentalmente significa che più elettroni vanno sulla superficie del conduttore che al centro, non distribuendosi bene.

È qui che entra in gioco l'HVDC! HVDC significa, credetemi o no, CC ad alta tensione. Usa kilo-volt per trasmettere potenza. All'inizio non era usato perché serviva l'elettronica per crearlo e controllarlo su entrambe le estremità (l'elemento elettrico più sofisticato all'epoca era una lampadina riscaldante).

Anche con la perdita di potenza degli elettroni che si frantumano in molecole, è inferiore all'effetto pelle di AC su grandi distanze.

L'HVDC sta iniziando a essere utilizzato lentamente, ma la manutenzione AC è solo più economica rispetto alla conversione in HVDC.