Transmisión de potencia a largas distancias, ¿qué es mejor CA o CC?

Encontré esta respuesta a una pregunta relacionada. La parte de la respuesta que me confunde es:

La transmisión de corriente continua a larga distancia es ineficiente. Por lo tanto, el suministro de CA es mucho más eficiente para transmitir energía.

Según Siemens, es todo lo contrario :

Siempre que se deba transmitir energía a largas distancias, la transmisión de CC es la solución más económica en comparación con la CA de alto voltaje.

Además, de Wikipedia

Las pérdidas de transmisión de HVDC se cotizan como menos del 3% por 1,000 km, que son 30 a 40% menos que con las líneas de CA, a los mismos niveles de voltaje.

¿Es correcta la respuesta publicada ?

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Chris H hizo una observación muy importante (ver su comentario más abajo): el contexto de la publicación que mencioné era de bajo voltaje, mientras que estaba pensando ciegamente en alto voltaje. De hecho, aprendí mucho con las respuestas y los comentarios. Gracias.

Es más eficiente transmitir DC utilizando aproximadamente la misma infraestructura. Esto se debe a varios efectos:

1. Efecto cutáneo experimentado con AC. No hay efecto en la piel con DC.

2. Mayor voltaje permitido con DC para las mismas líneas de transmisión. Las líneas tienen que soportar el voltaje pico. Con AC, eso es 1.4 veces más alto que el RMS. Con DC, el RMS y los voltajes máximos son los mismos. Sin embargo, la potencia transmitida es el tiempo actual por el voltaje RMS, no pico.

3. Sin pérdida de radiación con DC. Las líneas de transmisión largas actúan como antenas e irradian algo de potencia. Eso solo puede suceder con AC.

4. Sin pérdidas por inducción. El campo magnético cambiante alrededor de un cable que transporta corriente alterna causa voltaje y corriente inducidos en conductores cercanos. En efecto, la línea de transmisión es la principal de un transformador, y los conductores cercanos son secundarios. Con corriente continua, el campo magnético no cambia y, por lo tanto, no transfiere energía.

Otra ventaja de DC es que no requiere sincronización entre cuadrículas. Dos redes de CA deben sincronizarse en fase para conectarse entre sí. Esto se vuelve complicado cuando las distancias son lo suficientemente grandes como para ser fracciones significativas de un ciclo.

La otra cara es que AC es más fácil de convertir entre voltajes. Convertir DC de nuevo a AC para volcarlo en la red local en el extremo receptor no es un proceso trivial. Se necesita una gran planta para hacer esto, lo que significa un gasto significativo. Ese gasto solo vale la pena si la distancia de transmisión es lo suficientemente larga como para que los ahorros de eficiencia superen el costo de la planta de conversión DC-AC durante su vida útil.

Aquí hay un ejemplo de lo que se necesita para convertir CC de alto voltaje a CA:

La corriente continua de grandes presas en Quebec entra en la parte superior derecha. Esta planta convierte eso a CA y descarga la energía en una gran línea de transmisión regional de CA en Ayer Massachusetts a 42.5702N 71.5242W .

El gasto de construir y operar esta planta vale la pena debido al importante ahorro de energía de transmitir CC en lugar de CA. La sincronización también fue un factor en el uso de DC.

De hecho, trabajé en esquemas HVDC, a mediados y finales de los 90. La respuesta de Olin Lathrop es parcialmente correcta, pero no del todo. Intentaré no repetir demasiado su respuesta, pero aclararé algunas cosas.

Las pérdidas por CA se reducen principalmente a la inductancia del cable. Esto crea reactancia para la transmisión de corriente alterna. Un error común (repetido por Olin) es que esto se debe a la transferencia de poder a las cosas que lo rodean. No lo es: una bobina de alambre a medio camino entre aquí y la Nube de Magallanes tendrá exactamente la misma reactancia y causará exactamente los mismos efectos eléctricos en su escritorio. Por esta razón, se llama autoinductancia , y la autoinductancia de un cable de transmisión largo es realmente significativa.

El cable no pierde ninguna potencia significativa del acoplamiento inductivo con otras carpinterías metálicas: esta es la otra mitad de ese error común. La efectividad del acoplamiento inductivo es una función de la frecuencia de CA y la distancia entre los cables. Para la transmisión de CA a 50/60 Hz, la frecuencia es tan baja que el acoplamiento inductivo a cualquier tipo de distancia es completamente ineficaz; y a menos que desee electrocutarse, esas distancias deben estar separadas por varios metros. Esto simplemente no sucede en ninguna medida mensurable.

(Editado para agregar una cosa que olvidé) Para los cables que corren bajo el agua, también hay capacidades de cable muy altas debido a su construcción. Esta es una fuente diferente de pérdidas reactivas, pero es significativa de la misma manera. Estas pueden ser la causa dominante de pérdidas en cables submarinos.

El efecto de la piel causa una mayor resistencia a la transmisión de energía de CA, como dice Olin. Sin embargo, en la práctica, la necesidad de cables flexibles hace que esto sea menos problemático. Un solo cable lo suficientemente grueso como para transmitir una potencia significativa generalmente sería demasiado inflexible y difícil de manejar para colgarlo de un pilón, por lo que los cables de transmisión se ensamblan a partir de un conjunto de cables separados con separadores. Necesitaríamos hacer esto de todos modos, ya sea que estuviéramos usando DC o AC. Sin embargo, el resultado de esto es colocar los cables dentro de la zona de efecto de piel para el paquete. Claramente, hay ingeniería involucrada en esto, y todavía habrá algunas pérdidas, pero con esta feliz coincidencia podemos asegurarnos de que sean mucho más bajas.

Los cables enterrados y submarinos son, por supuesto, un solo cable grueso, por lo que, en principio, aún podrían ser mordidos por el efecto de la piel. Sin embargo, la construcción de cables de servicio pesado generalmente usará un núcleo central fuerte que proporciona integridad estructural para el cable, con otros conectores enrollados en ese núcleo. Una vez más, podemos usar eso para nuestra ventaja para reducir el efecto de la piel en CA, e incluso los cables HVDC se construirán de la misma manera.

Sin embargo, la gran victoria en la transmisión de potencia está eliminando las pérdidas reactivas.

Como dice Olin, también hay un problema al unir dos redes eléctricas, porque nunca serán exactamente la misma frecuencia y fase. El uso inteligente de los filtros a mediados del siglo XX permitió la conexión de las redes, pero diseñarlas era tanto arte como ciencia, y eran inherentemente ineficientes. Sin embargo, una vez que haya transmitido su potencia en CC, puede reconstruir la CA con la misma frecuencia y fase exacta que la red de destino, y evitar el problema.

No solo eso, sino que es mucho más eficiente convertir de CA a CC y de nuevo a CA nuevamente, en lugar de tratar de usar filtros para compensar la fase y la frecuencia. Las cuadrículas en estos días se unen comúnmente con esquemas consecutivos . Estas son esencialmente las dos mitades de un enlace HVDC uno al lado del otro, con una enorme barra colectora entre los dos en lugar de kilómetros de cable de transmisión.

Están hablando de complejidad y costos ( $ $ $ $ $ )

Las personas que dicen "DC es menos eficiente" están usando la palabra "eficiencia" para hablar sobre factores de diseño como la complejidad del hardware de conversión y, más críticamente, su costo .

Si tenemos una máquina de Santa Claus que puede hacer salir los convertidores CC / CC tan baratos y confiables como los transformadores comparables, entonces CC gana. (solo en el efecto de la piel). Sin embargo, en el mundo práctico, una vez que se abrochan las botas y se ponen los guantes de liniero, se encuentra con otros problemas.

• En CA, la velocidad de la luz crea problemas de fases a medida que las cargas se mueven, particularmente un problema en los ferrocarriles eléctricos, por eso les gustan las frecuencias ultrabajas como 25 Hz o 16-2 / 3 Hz. Este problema desaparece con DC .
• No puedes aumentar la corriente. La corriente está limitada por el calentamiento del cable, y el calentamiento del cable ya se basa en RMS de CA.
• La mayoría de la base instalada de las torres de transmisión y distribución están hechas para "delta" trifásica, por lo que tienen 3 conductores. Es difícil usar los 3 cables de manera efectiva en DC, por lo que DC reducirá significativamente la capacidad efectiva de estas líneas al desperdiciar un cable. ¿Cuánto cuesta? DC lleva lo mismo que AC monofásico, y 3 hilos trifásico lleva sqrt (3) (1.732) veces más. Ay.
• Usted podría también aumentar el voltaje. Las líneas de CA están aisladas para el voltaje máximo [pico = RMS * sqrt (2)], por lo que hipotéticamente puede aumentar el voltaje de CC a eso. Sin embargo...
• Una vez que la corriente continua golpea un arco, es muy difícil extinguirlo porque nunca se detiene (a diferencia de la CA, donde cada cruce por cero le da al arco la oportunidad de extinguirse). Esto puede ser direccionable con detección de falla de arco. Las líneas de CA ya tienen reconectadores que se volverán a conectar automáticamente después de un viaje; un reconectador de CC podría volver a intentar después de unos pocos milisegundos, replicando el efecto del cruce de cero de CA.

Si todo lo demás es igual, la transmisión de CC es más eficiente que la transmisión de CA al mismo voltaje nominal debido a la eliminación de pérdidas reactivas.

Sin embargo, todo lo demás rara vez es igual.

1. A un voltaje dado, DC es mucho más propenso a sostener arcos que AC.
2. Es relativamente reciente que hemos desarrollado la capacidad de convertir entre voltajes de CC con un costo y eficiencia razonables. A altos niveles de potencia es aún más costoso y menos eficiente que los transformadores.

El resultado es que los sistemas de CC han tendido a funcionar a voltajes más bajos que los sistemas de CA y esto es lo que ha hecho que la reputación de CC sea ineficiente.

El voltaje tiene un efecto masivo en el costo y / o la eficiencia de la transmisión. Si reduce a la mitad el voltaje, para mantener el mismo nivel de pérdidas resistivas, debe cuadruplicar el tamaño de los conductores. Alternativamente, tiene cuatro veces más pérdidas por el mismo tamaño de conductores.

La excepción a esto es la transmisión de potencia punto a punto de muy alta potencia a largas distancias, a través de cables submarinos o entre redes no sincronizadas. En estos casos, los costos y los riesgos relacionados con la conversión de la CA utilizada en la red a CC de alto voltaje se justifican más.