Linie de înaltă tensiune în curent continuu
De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Transportul energiei prin linii de înaltă tensiune în curent continuu (HVDC – engleză, HGÜ - germană), spre deosebire de modul de transport foarte răspândit utilizând linii de înaltă tensiune în curent alternativ, este un procedeu de transport al energiei electrice în curent continuu sub o tensiune de 100-1000kV.
Cuprins |
[modifică] Principiu de funcţionare
[modifică] Instalaţii de comutare
La ambele capete ale unei unei linii de înaltă tensiune în curent continuu se găseşte câte o staţie de comutare. Staţiile, pe lângă instalaţiile de reglare mai adăpostesc, în general, redresoarele, transformatoare, bobine de amortizare şi filtre de armonici. Redresoarele utilizate pot funcţiona şi în mod de invertor. Din această cauză utilarea celor două staţii este identică. Prin intermediul transformatoarelor se aduce tensiunea reţelei de curent alternativ la nivelul cerut de instalaţie după care se redresează rezultând curent continuu. Adesea se utilizează transformatoare monofazate separate fizic montate pe fiecare fază cu ieşirea conectată la puntea de redresare. Ele mai au rolul de a izola staţia de tensiunea alternativă şi asigură o împământare locală. În mod obişnuit puntea de redresare conţine 6 tiristoare, 2 pe fiecare dintre faze, dar în instalaţiile moderne se utilizează elemente legate în scheme de comutare în 12 pulsuri. În instalaţii mai vechi s-au utilizat redresoare cu vapori de mercur având un gabarit mare şi nu prezentând o suficient de mare stabilitate, cu toate acestea la nivelul anului 2005 mai existau astfel de staţii în funcţiune. Pentru a prelua tensiuni de ordinul a peste 100kV mai multe duzine de tiristoare se leagă în serie. Acestea trebuie să aibă un timp de comutare de ordinul microsecundelor. Mai nou se utilizează tranzistoare bipolare cu grilă. izolată (IGBT) care pot fi comandate mai simplu şi prezintă un cost mai redus.
Datorită tensiunii înalte tiristorii nu sunt comandaţi prin cabluri de cupru ci cu ajutorul fibrelor optice realizându-se separarea circuitelor de comandă şi cele de putere. La redresoarele cu vapori de mercur transmiterea impulsurilor de iniţiere se face cu ajutorul impulsurilor de înaltă frecvenţă.
Bobina de la ieşirea în curent continuu (care poate fi cu sau fără miez de fier) serveşte la reducerea ondulaţiilor curentului redresat. Inductanţa ei este de ordinul 0,1H - 1H
Transformatoarele, pe lângă rolul de transformare mai contribuie, prin intermediul inductivităţii lor şi a utilizării combinate a legăturii stea şi triunghi, şi la amortizarea frecvenţelor din reţea suprapuse peste componenta de bază a curentului de intrare.
Filtrele de armonici pe partea de curent alternativ amortizează la rândul lor alte armonici. La instalaţiile cu comutare în 12 pulsuri, ele trebuie să suprime doar armonicile de ordinul 11, 13, 23 şi 24. Pentru aceasta este suficientă utilizarea de circuite acordate pe armonicile 12 şi 24.
[modifică] Linii
[modifică] Monopolare
În configuraţiile monopolare obişnuite, una din bornele redresorului este conectată la pământ. Cealalaltă bornă are un potenţial pozitiv sau negativ faţă de pământ şi este conectată la linia de transmisie. Ieşirea conectată la pământ poate fi legată sau nu printr-un conductor de borna corepunzătoare din cealaltă staţie.
Dacă nu este utilizat un al doilea conductor curentul circulă prin pământ între bornele celor două staţii. Întoarecerea curentului prin pământ atrage după sine apariţia următoarelor fenomene:
- Coroziunea electrochimică a conductelor metalice subpământene cum ar fi conductele de transport gaze
- Producere prin efect de electroliză a substanţelor nocive (clor) sau schimbarea compoziţiei chimice în apa mării în cazul conductelor submarine.
- Un curent necompensat poate produce un câmp magnetic care poate influenţa instrumentele de navigaţie a vaselor ce trec deasupra conductelor.
Aceste efecte pot fi eliminate prin instalarea de conducte de retur printre cele două ieşiri de pământ ale staţiilor. Deorece unul din borne este conectat la pământ, conductorul corespunzător acesteia nu trebuie izolat pentru întrega tensiune , ceea ce reduce costurile. Utilizare celui de al doilea conductor este cântărit având în vedere raţiuni de ordin economic, etnic şi de protecţia mediului[1].
Sistemele monopolare moderne pe linii aeriene transportă de obicei 1500MW.[2], dacă se optează pentru cablu subteran sau subacvatic, puterea transmisă este de 600MW.
Cele mai multe sisteme monopolare sunt proiectate pentru dezvoltarea viitoare în sisteme bipolare. În cazul liniilor aeriene, stâlpii de susţinere se proiectează pentru a susţine doi conductori, şi în multe cazuri aceşti conductori chiar există fiind fie neutilizate fie legate în paralel cu primul (cum este cazul la B Baltic-Cable).
[modifică] Bipolare
În transmisa bipolară se utilizează o pereche de conductori, fiecare aflându-se la o tensiune ridicată faţă de pământ şi având polaritate opusă. Din această cauză fiecare din aceşti conductori trebui să aibă izolaţie dimensionată la întrega tensiune. Costurile acestor linii sunt mai mari decât în cazul anterior. Cu toate acestea prezintă avantaje ce le fac atractive:
- La funcţionare normală, curentul prin pământ este neglijabil ca şi în cazul liniilor monopolare cu al doilea conductor reducându-se la minimum pierderile de energie prin pământ şi impactul asupra mediului.
- Dacă apare un defect pe linie, cu ajutorul electrozilor de pământ montaţi la staţii, energia poate fi transmisă trecându-se la regim de lucru monopolar.
- Deoarece pentru o putere dată, în cazul liniilor bipolare, printr-un conductor se transmite doar jumătate din energia corespunzătoare unei linii bipolare, costurile liniilor sunt mai scăzute.
- În teren foarte accidentat, al doilea conductor poate fi montat pe un grup de stâlpi separaţi astfel încât există posibilitatea furnizării de energie şi în cazul distrugerii uneia dintre linii.
Un sistem bipolar poate fi prevăzut şi cu un conductor de împământare. Pentru evitarea coroziunii şi a influenţei undelor electromagnetice, pământarea se face la câţiva km depărtare de staţiile de comutare, aşa că este nevoie de o linie separată. Aceasta poate fi în funcţie de situaţie subterană sau aeriană, sau o combinaţie a acestora. De obicei se dimensionează pentru o tensiune de lucru de 10-20kV(medie tensiune).
Sistemele bipolare pot transporta 3000MW la o tensiune de +/-533 kV. Liniile submarine iniţial construite în sistem monopolar pot fi îmbunătăţite adăugându-se un al doilea cablu şi trecându-se în mod de lucru bipolar.
[modifică] Staţii de cuplare în curent continuu (Back to back)
O staţie back-to-back este realizată pe acelaşi amplasament, de cele mai multe ori în aceeaşi clădire lungimea liniei de curent continuu fiind de doar câţiva metri. Linii de înaltă tensiune în curent continuu de tip back-to-back sunt utilizate în cazul:
- cuplării reţelelor electrice de frecvenţă diferită (ex. Japonia)
- cuplării a doua reţele electrice care au aceeaşi frecvenţă, dar fără o relaţie stabilită între faze
- existenţei unei diferenţe între frecvenţa şi numărul de faze ale celor două reţele (de ex. ca posibilitate pentru alimentarea liniilor de tramvaie, troleybuse, cale ferată)
- reţele cu moduri de operare diferite (cum a existat până în 1995/1996 96 în Etzenricht, Dürnrohr şi Viena)
Curentul continuu din circuitul intermediar poate fi ales liber la staţiile de tip back-to-back datorită lungimii scurte a conductorului. Tensiune continuă este pe cât se poate de joasă, în scopul utilizării unui spaţiu cât mai mic de către elementele de comutare şi a elimina necesitatea conectării în paralel a acestora. Din acest motiv la acest tip de staţii se utilizează elemente de comutare cu cel mai mare curent de sarcină disponibil.
[modifică] Reţele de curent continuu
Varianta de transport de energie electrică prin linii de înaltă tensiune în curent continuu cea mai des utilizată este legătura dintre două terminale, unde două staţii de comutare sunt legate prin linii dedicate (HVDC). Aceasta este configuraţia utilizată de obicei în conectarea reţelelor nesincronizate, în transportul la distanţe mari şi în cablurile submarine.
Linii de înaltă tensiune în curent continuu cu mai mult de două terminale conectând mai mult de două staţii sunt rare. Legarea staţiilor poate fi în serie, paralel sau mixt. Legătura paralelă tinde să să fie utilizată la staţii de capacităţi mari, iar cea serie la staţiile mici. Un exemplu de staţii multiple este Quebec - New England Transmission de 2000 MW deschis în 1992 care actualmente este cea mai extinsă reţea de staţii utilizând linii de înaltă tensiune în curent continuu din lume.[3].
[modifică] Tripolare - current-modulating control
O schemă recent brevetată (2004) [4] este util în cazul transformării liniilor de înaltă tensiune trifazate existente în linii de înaltă tensiune în curent continuu. Doi din cei trei conductori funcţionează în regim bipolar. Al treileaconductor este utilizat în regim monopolar în paralel, echipat cu elemente de comutare reversibile (sau elemente de comutare legate în paralel având polaritate inversă). Prin acest al treilea conductor circulă curent de la o staţie la alta, schimbând periodic (într-un ritm de câteve minute) sensul. Ceilalţi doi conductori vor avea în acelsşi ritm o încărcare de 1.37 respectiv 0.37 ori limita lor termică, cu al treilea conductor încărcat la +/-1.0 ori sarcina de la limita termică. Energia termică disipată este proporţională cu media pătratică a curentului prin conductor şi va fi egală cu energia disipată pentru cazul în care conductorul ar avea o încarcare constantă egală cu limita termică. Acest lucru permite încărcarea conductorilor cu curenţi mai mari, şi utilizarea la capacitatea nominală a celui de al treilea. Prin conductori pot circula curenţi mari chiar şi la o încărcare sub capacitate.
Comparând puterea medie maximă posibil a fi transportată în curent continuu la aceeaşi tensiune faţă de pământ de către un sistem tripolar rezultat din transformarea unei linii de înaltă tensiune în curent alternativ cu capacitatea ei în curent alternativ înainte de transformare, rezultă o creştere de 80% utilizând aceiaşi stâlpi şi conductori. Unele linii de înaltă tensiune în curent alternativ nu pot fi încărcate la limita termică datorită problemelor de stabilitate, siguranţă în funcţionare şi putere reactivă care nu există la liniile de înaltă tensiune în curent continuu.
Sistemul funcţionează fără curent de întoarcere prin pământ. Deoarece la un defect al unuia din poli sau conductori rezultă o mică pierdere de capacitate de transport şi nu apar curenţi de întoarcere prin pământ, sistemul are un mare grad de siguranţă în funcţionare. Nu se pierde timp cu deconectări/reconectări dacă se rupe un conductor. Elementele de comutare au o rezervă de supraîncărcare în caz de urgenţă la lucru în mod bipolar. Acest lucru probabil va permite creşteri importante în puterea transportată, cu efect însemnat în sistemele încărcate, în care la defectarea unui conductor posibilităţile de alocare de linii paralele sunt limitate. Deoarece cheltuielile de investiţii sunt mai mari decât la conversia în sistem bipolar funcţionând la aceeaşi tensiune, surplusul de capacitate rezultat, reduce proporţional costul pe megawatt. În funcţie de configuraţia liniilor de transport, s-ar putea să apară necesitatea înlocuirii unor izolatori pentru a putea atinge mărirea de capacitate, pentru a asigura distanţa corectă între linii.
La nivelul anului 2005 nu exista nici-o linie transformată în sistem tripolar. În India o linie a fost modificată pentru a lucra în sistem bipolar.
[modifică] Efectul Corona
Efectul de descărcare Corona este rezultatul apariţiei de ioni în fluide neutre, cum este aerul atmosferic, sub influenţa câmpurilor electrice puternice. Electronii sunt smulşi din elementele componente ale aerului neionizat, şi ionii pozitivi sau electronii sunt atraşi de conductori în timp ce particulele încărcate de aceeaşi polaritate sunt respinse. Acest efect poate produce pierderi de putere însemnate, să creeze interferenţe sonore sau de radiofrecvenţă, să genereze compuşi toxici cum ar fi oxidul de azot şi ozonul, şi să conducă la crearea de arc electric.
Efectul Corona poate apare atât în liniile de înaltă tensiune în curent continuu cât şi în cele de curent alternativ; în primul caz sub formă de flux continuu.în al doilea de particule oscilante. Datorită sarcinii spaţiale create în jurul conductorilor, o linie de înaltă tensiune în curent continuu poate avea o pierdere pe unitate de lungime de doar două ori mai mică decât cea a unei linii în curent alternativ transportând aceeaşi putere. La liniile în sistem monopolar schimbarea polarităţii conductorului poate conduce la un control limitat al efectului Corona. În particular polaritatea ionilor emişi poate fi controlată, ceea ce poate fi important din punct de vedere al impactului asupra mediului datorat condensării particulelor (particule cu polarităţi diferite au diferite lungimi de drum). Efectul corona în jurul liniilor de polaritate negativă faţă de pămînt poate genera considerabil mai mult ozon decât cel din jurul liniilor de polaritate pozitivă şi să genereze un flux de particule ionizate dinspre conductor, cu o potenţială influenţă dăunătoare asupra sănătăţii. Utilizarea tensiunii pozitive contribuie le reducerea impactului ozonului produs de liniile de înaltă tensiune în curent continuu.
[modifică] Utilizări
Din punct de vedere al cheltuielilor cu investiţii, în cazul curentului continuu staţiile sunt mai costisitoare decât cele din curent alternativ, pe când liniile mult mai ieftine. Deoarece cheltuielile cu liniile sunt proporţionale cu distanţa, rezultă că peste o aumită lungime liniile de înaltă tensiune în curent continuu devin mai rentabile decât cele în curent alternativ. Această limită se situează la cca 30km în cazul cablurilor maritime şi cca 500km la cele aeriene. Posibilitatea controlării parametrilor curentului din circuitele de comutaţie, a conectării reţelelor nesincronizate, precum şi a utilizării eficiente în transmiterea energiei prin cabluri submarine, duce adesea la utilizarea liniilor de înaltă tensiune în curent continuu la graniţa dintre ţări pentru transfer de energie. Parcuri de generatoare eoline din largul mărilor necesită deasemenea cabluri submarine turbinele lor fiind nesincronizate. Costurile scăzute ale iniilor de înaltă tensiune în curent continuu prezintă avantaje la legături între comunităţi situate la mare distanţă (ex. Siberia, Canada, nordul Scandinaviei). Dezvoltarea tehnologiei IGBT(insulated gate bipolar transistors) şi GTO(gate turn-off thyristor) a făcut ca liniile de înaltă tensiune în curent continuu să devină competitive şi în cazul sistemelor de putere mai redusă. Acestea pot fi instalate în liniile de înaltă tensiune de curent alternativ existente cu rolul de a stabiliza fluxul de putere fără a fi nevoie de olinie suplimentară de curent alternativ în caz de scurtcircuit. Un producător a denumit acest concept "HVDC Light", altul un concept similar "HVDC PLUS" (Power Link Universal System). Ei au extins posibilitatea utilizării sistemului la blocuri cu puterea de numai câţiva zeci de MW şi lungimea liniei de numai câţiva zeci de kilometri de linii aeriene. Diferenţa constă în modul de abordare a conceptului tehnologiei Voltage-Sourced Converter (VSC), unde "HVDC Light" utilizează modulaţia lăţimii impulsului, iar "HVDC PLUS" este bazat pe "multilevel switching"
[modifică] Avantaje
La reţelele de curent alternative trifazice, sunt necesare cel puţin trei conductori, pe când la cele de curent continuu doar doi conductori, sau chiar numai unul dacă se utilizează pământul în locul unei linii. În acest fel se economisesc nu numai materialele conductorului ci şi izolatori şi material de stâlp de susţinere.
Curenţii de pierderi reactive corespunzători capacităţilor şi inductivităţilor proprii ale liniilor impun intercalarea din loc în loc de bobine de compensare, ceea ce la liniile submarine este imposibil. În consecinţă la transportul prin cabluri submarine, peste o lungime de numai câţiva km devine o necesiate utilizarea liniilor de înaltă tensiune în curent continuu. Necesitatea compensării energiei reactive apare şi în cazul liniilor aeriene de înaltă tensiune mai lungi ceea ce nu este cazul la liniile de înaltă tensiune în curent continuu.
Spre deosebire de curentul continuu, densitatea de curent nu este uniformă pe secţiunea conductorului în cazul curentului alternativ, fiind mai mare la exterior. Rezultă că în curent continuu, la aceeaşi secţiune, conductorul este mai bine utilizat. La fel în cazul cablurilor nu apar pierderi în dielectric, ceea ce are ca urmare posibilitatea utilizării unei izolaţii mai puţin pretenţioase.
Pierderea de putere în cazul unei linii de de înaltă tensiune în curent continuu, la tensiuni suficient de mari cum ar fi de exemplu modelul ipotetic al transportului energiei din nordul Africii în Europa, în caz optimal şi fără a lua în considerare pierderile în staţiile de comutare, se cifrează la cca 3% pe 1000km .[5] Pe de altă parte, în cazul alimentării unei platforme de foraj maritime cu o putere mult mai mică prin intermediul uni cablu submarin, pierderile procentuale (relative) pe kilometru sunt comparabil mai mari datorită puterii şi tensiunii mai mici.
În timp ce la liniile în curent alternativ este obligatorie o sincronizare a reţelelor conectate, aceasta nu mai este necesară la liniile de înaltă tensiune în curent continuu. Liniile de înaltă tensiune în curent continuu sunt uneori utilizate şi ca legături intermediare între porţiunile unei reţele sincrone foarte extinse, deoarece din cauza suprafeţei mari acoperite, pot apare defazaje. Un exemplu de astfel de legătură o constituie linia de înaltă tensiune în curent continuu din cadrul reţelei sincrone europene între localităţile Galatina(Italia) şi Arachthos(Grecia) aflată la o depărtare de 300km.
În plus la linia de înaltă tensiune în curent continuu izolaţia nu trebuie dimensionată la o valoare de vârf de
, deoarece în curent continuu tensiunea de vârf este aceeaşi cu tensiunea efectivă.
[modifică] Dezavantaje
Staţiile de comutare sunt foarte scumpe şi permit doar o mică supraîncărcare. Este foarte greu să se extindă ulterior cu o ramificaţie o linie de înaltă tensiune în curent continuu existentă. Transmisia energiei prin linii de înaltă tensiune în curent continuu pare predestinat legăturii între două puncte.
Deoarece o linie de înaltă tensiune în curent continuu impune existenţa unei reţele trifazate pe partea de curent alternativ în care să poată livra energie, nu se poate alimenta în acest mod o reţea izolată. Pentru a putea totuşi utiliza acest tip de tranport de energie electrică la o instalaţie de foraj maritim este necesară utilizarea unei soluţii bazate pe tehnologia ‘Voltage Source Inverter’.
Pe durata exploatării, la tensiuni continue înalte de peste cca 300kV apar probleme în izolatoare şi la trecerile conductoarelor în instalaţiile în aer liber datorate depunerilor de impurităţi şi infiltrării apei de ploaie.
La tensiuni alternative câmpul electric spaţial este influenţat de capacităţile de exploatare şi parazite. Deformarea câmpului datorită straturilor de impurităţi bune conducătoare de electricitate de pe izolatori, poate fi neglijată datorită curentului de deplasare comparativ mai mari ce apare. Altă este situţia în cazul curentului continnuu de înaltă tensiune care modifică, datorită rezistenţei ohmice mari a izolatorului, câmpul electric. O depunere de murdărie umedă poate contribui la deformarea câmpului electric în jurul izolatorului, având ca rezultat descărcarea de-a lungul corpului izolatorului.
[modifică] Date istorice
Prima linie de înaltă tensiune în curent continuu a fost proiectul Elba între Dessau şi Berlin în 1945 (linie bipolară, tensiune simetrică de 200kV faţă de pământ, putere maximă 60MW). Această linie nu a fost pusă niciodată în funcţiune, fiind demontată în 1950 şi utilizată la construirea unei linii monopolare de 100km cu o putere de 30MW, tensiune de 200kV între Moscova şi Kaşira. În present linia este dezafectată.
În 1954 s-a pus în funcţiune linia de înaltă tensiune în curent continuu între insula Gotland şi partea continentală a Suediei. Cea mai veche în funcţiune linie de înaltă tensiune în curent continuu este Konti-Skan între Danemarca şi Suedia. În 1972 s- dat în funcţiune prima linie de înaltă tensiune în curent continuu având staţiiile de comutare pe bază de tiristoare în Eel River/Canada, iar în 1975 cea dintre centrala electrică din Kingsnorth şi Londra cu redresoare cu vapori de mercur.
[modifică] Perspective
Având în vedere creşterea preţutilor la energie şi dezvoltarea industrială mondială, este de aşteptat ca în viitor să se utilizeze mai des modalităţile de transport energie electrică prin linii de înaltă tensiune în curent continuu ca alternativă la reţelele trifazate, pentru a reduce costurile şi a mări eficienţa transportului. Este o problemă a viitorului dacă se vor dezvolta linii cu mai mult de două staţii de comutare sau reţele de curent continuu. Bazele teoretice ale acestui tip de reţele au fost elaborate. În cazul în care proiectul DESERTEC prinde viaţă, există posibilitatea apariţiei unei reţele europene de linii de înaltă tensiune în curent continuu care să preia energia electrică obţinută din surse regenerabile (energie solară, energie eoliană) abundente în nordul africii, să o transporte cu o pierdere totală de maxim (10%-15%) şi să o distribuie în ţările uniunii europene.
[modifică] Exemple de linii de înaltă tensiune în curent continuu
[modifică] Instalaţii cu vapori de mercur
Nelson River Bipol construit între Gillam/Canada şi Rosser/Manitoba-SUA pe o distanţă de 895 km la 450kV/1620MW a utilizat cele mai mari comutatoare pe bază de mercur, în prezent înlocuite cu tiristoare în 1993 şi 2004.
[modifică] Instalaţii pe bază de tiristoare
- HVDC Visby-Nas : Realizat în 1999 între Nas şi Visby, ambele în Suedia pe o lungime de 70km, tensiune de 80kV, putere de 50MW.
- Inga-Shaba: Realizat în 1979 între Kolwezi şi Inga, ambele în Zaire pe o lungime de 1.700km linie aeriană de 500kV pentru o putere de 560MW Deoarece linia aeriană traversează un teren deosebit de accidentat, a fost nevoie ca fiecare linie a celor două polarităţi să fie construită pe un alt traseu.
- HVDC Itaipu 1 şi 2 (două linii): Construite în perioada 1984–1987 între Foz do Iguaçu/Paraguay şi Sao Rogue în apropiere de São Paulo/Brasilien) pe o lungime de 785km respectiv 805km linie aeriană de +/−600kV, pentru o putere totală de 6296MW Generatoarele centralei din partea paraguaiană funcţionează la 50 Hertz, pe când în in Brazilia frecvenţa reţelei este de 60 Hertz.
[modifică] Instalaţii funcţionând pe bază de IGBT
- HVDC Tjæreborg Tjæreborg/Danemarca construită în 2000, tensiune de +9kV, putere de 7,2MW
- Estlink Espoo/Finlanda – Harku/Estonia a fost construită în 2006, tensiune de 150kV, putere de 350MW
[modifică] Staţii back-to-back
- HVDC back-to-back station Broken Hill Broken Hill/New South Wales, Australia construită în 1986, tensiune de +-8.33kV, putere de 40MW.
- HVDC back-to-back station Chateauguay Châteauguay - Saint-Constant/Quebec-Canada construită în 1984, tensiune de 140kV, putere de 1000MW
[modifică] Note
- ^ Basslink (engleză)
- ^ Siemens AG - HVDC website (engleză)
- ^ ABB HVDC Transmission Québec - New England website (engleză)
- ^ Pagină brevete – freepatentsonline website (engleză)
- ^ The DESERTEC Concept and the Studies website (engleză)

