Warum sind die Stromübertragungs-/Verteilungssysteme AC und nicht DC?

Es gibt verschiedene Gründe. Erstens: Der Leistungsverlust in einem Draht ist I ^ 2 * R. Daher ist es besser, Leistung bei sehr hoher Spannung und niedrigem Strom zu übertragen. Wechselstrom lässt sich viel einfacher auf Hochspannung anheben (es wird keine Elektronik benötigt). Industrielle Lasten mit Siliziumelektronik zu verstärken, ist nicht praktikabel.

Ein weiterer Grund ist das einfache Schalten unter Last. Wenn Sie eine an Gleichstrom angeschlossene Last ausschalten, wird die Lichtbogenbildung am Schalter aufgrund der Drahtinduktivität und der Lastinduktivität problematisch. Dies zwingt DC-Schalter dazu, robuster zu sein.

Das von Transformatoren erzeugte 60-Hz-Rauschen ist viel geringer als das Schaltrauschen, das von der gesamten Elektronik erzeugt würde, die erforderlich ist, um Gleichstrom zu buckeln und zu verstärken und ihn dann wie von Ihnen vorgeschlagen am Lastpunkt in Wechselstrom umzuwandeln.

HGÜ wird verwendet: Liste der HGÜ-Projekte . Die beiden vorherrschenden Technologien für HGÜ (Thyristoren und IGBTs) wurden erst 1950 bzw. 1968 erfunden. In der Zwischenzeit bauten die Länder Wechselstrom-Übertragungsgeräte. Warum etwas ersetzen, das funktioniert, wenn Sie bereits viel Geld für den Aufbau eines Grids ausgegeben haben? Warten Sie einfach, bis das vorhandene System nicht mehr funktionsfähig ist, und aktualisieren Sie es dann.

Die Daten scheinen dies zu rechtfertigen: China baut eine große Anzahl von HGÜ-Übertragungsleitungen, weil sie Geld haben und nicht wirklich über ein bestehendes Netzwerk verfügen, mit dem sie interagieren/konkurrieren können. In ähnlicher Weise gibt es Projekte in Europa und Amerika, aber diese scheinen eher auf Bereiche beschränkt zu sein, in denen HGÜ wirklich glänzt (Unterwassersysteme), da es bestehende Netze gibt, sodass die Kosten für die Aufrüstung noch nicht gerechtfertigt sind.

Außerdem ist HGÜ nicht immer sinnvoll, insbesondere wenn Sie eine Mehrpunktübertragung benötigen/wollen. Dies macht das Routing eines HGÜ-Systems schwieriger als ein AC-System.

Mkeith hat die Frage wie gestellt beantwortet, dh was sind die Hauptnachteile der HGÜ-Verteilung. Eine "Gegenantwort" darauf von helloworld922 (derzeit die zweithäufigste Antwort hier) weist in die Richtung einer Reihe von Fällen, in denen HGÜ verwendet wird / wurde. All diese Ingenieure können nicht verrückt gewesen sein, deshalb denke ich, dass es wichtig ist, hier tatsächlich zu erklären, wann HGÜ sinnvoll ist. (Das wäre übrigens eine bessere Frage gewesen als die, die das OP gestellt hat.)

Zunächst einmal gibt es einige Fälle, in denen AC fast unmöglich wäre. Dazu gehört die Verbindung von Wechselstromnetzen, die asynchron zueinander arbeiten, wie z. B. die Verbindung von 50- und 60-Hz-Systemen; Dies passiert zum Beispiel in Japan: Ostjapan verwendet 50 Hz und Westjapan verwendet 60 Hz. Es gibt tatsächlich ein paar weitere Nischenanwendungen, bei denen HGÜ die einzig vernünftige Wahl ist, aber sie sind Neulingen nicht leicht in wenigen Worten zu erklären. Wenn Sie eine detailliertere Liste (mit Beispielen aus der Praxis) wünschen, finden Sie in Delea und Casazza's Understanding Electrical Power System eine längere Liste.

Abgesehen von solchen Nischenfällen halte ich es für wichtig zu betonen, dass es eine Gesamtkostenoptimierung gibtDies kann (und sollte) bei der Entscheidung, ob AC oder DC das Übertragungsverfahren für eine Stromleitung sein soll, durchgeführt werden. Die beiden Hauptfaktoren sind die Kosten der Leitung selbst (Kabel, ggf. Masten, z. B. nicht unter Wasser) und die Kosten der Endgeräte. Im Allgemeinen kosten die DC-Übertragungskabel weniger als die mit äquivalenter Leistung für Dreiphasen-Wechselstrom. Dies geschieht aus einem leicht zu erklärenden Grund: Sie benötigen weniger Drähte für Gleichstrom als für Drehstrom, aber die Isolierung für die Wechselstromkabel (und dies ist möglicherweise nur der Luftspalt, aber das bedeutet Turmkosten) muss standhalten den AC-Spitzenwert, während Sie nur von der Übertragung von "RMS-Leistung" (genauer gesagt, Durchschnittsleistung entsprechend der RMS-Spannung) bei AC profitieren. Andererseits kostet die abschließende Leistungselektronik bei HGÜ mehr als die AC-Transformatoren,

Diese Gesamtkostenoptimierung bietet Ihnen heute die Hauptanwendung von HGÜ: Übertragung großer Energiemengen über große Entfernungen (und damit ohne Anzapfung/Unterbrechung). Die typischen Werte, bei denen HGÜ wirtschaftlicher ist als Wechselstrom, sind die Übertragung von mehr als 500 MW über mehr als 500 km (nach Delea und Casazza). Viele (wenn nicht die meisten) Beispiele aus der Wikipedia-Liste (in der Antwort von helloworld922 verlinkt) sind von dieser Art. Es sollte nicht überraschen, dass solche Beispiele aus China, Kanada oder Australien stammen. In Europa sind die meisten mittleren/großen HGÜ-Übertragungsleitungen Seekabel.

Unten sehen Sie, wie ein synthetisches Optimierungsbeispiel (d. h. auf Lehrbuchebene und nicht in der realen Welt) für einen vordefinierten Leistungspegel aussieht, bei dem also nur die Kosten gegenüber der Übertragungsentfernung aufgetragen sind. es ist ein Auszug aus Kim et al. HVDC Transmission , dessen erstes Kapitel frei verfügbar ist .

Für eine konkrete Kostenbetrachtung hier einige Werte (nach Larruskain et al. .) für die nahezu niedrigste Leistung, für die HGÜ-Anschlusskomponenten hergestellt werden:

• Thyristor-Umrichter, 50 MW, 100 kV. Der ungefähre Wert pro Einheit beträgt: 500 EUR/kW
• IGBT-Wandlerpaar, 50 MW, +/-84 kV. Der ungefähre Wert pro Einheit beträgt: 150 EUR/kW
• Transformator, 50 MVA, 69 kV/138 kV. Der ungefähre Wert pro Einheit beträgt: 7,5 EUR/kVA

Angesichts des 20x-60x-Preisverhältnisses zwischen einem Gleichrichter und einem Transformator bei 50 MW ist es offensichtlich, warum HGÜ nicht auf niedrigere Leistungen herunterskaliert wird.

Durch die Verwendung von AC-Transformatoren (auf diese Weise) können Wechselrichter, Gleichrichter, Drehtransformatoren usw. aus dem Stromnetz eliminiert werden, was die Effizienz drastisch erhöht und wiederum Emissionen und Kosten senkt.

In Chicago und New York wurde das Gleichstromnetz in den 1990er Jahren abgeschaltet. In Melbourne, Australien, wurde das Gleichstromnetz um das Jahr 2005 abgeschaltet. Am Ende waren das Hauptsächlich oder Einzige, was noch an das Gleichstromnetz angeschlossen war, sehr alte Aufzüge in alten Gebäuden. In Melbourne war es nach einem Ausfall der Übertragungsleitung billiger, jedem verbleibenden Gleichstromkunden einen Gleichrichter zu geben und die alten Geräte an das Wechselstromnetz anzuschließen, anstatt das Gleichstromübertragungsnetz zu reparieren und auszutauschen.

Obwohl die Wechselstromübertragung viele Vorteile hat, wird die Gleichstromübertragung weiterhin für die Verbindung von HV-Netzen verwendet: um die Netzstabilität über lange Verbindungen aufrechtzuerhalten und insbesondere bei Erd-/Unterseekabeln, um dielektrische Verluste und den Skin-Effekt zu reduzieren.

Ja, dir fehlt etwas. Mit modernen Transistoren und anderen elektronischen Komponenten können wir Gleichstrom bis zu einem gewissen Punkt anheben, aber nicht einfach, wirtschaftlich oder mit vernünftiger Effizienz bei MW-Leistungspegeln auf die Spannungen, die auf großen Übertragungsleitungen erforderlich sind.

Transformatoren sind der einzige praktische Weg, um Hunderte von kV bei MW-Leistungspegeln zu erreichen, und Transformatoren benötigen Wechselstrom.

Einfach weil Tesla vs. Edison 1880s. Infolgedessen bestehen 99,9 % unserer Erzeugungs- und Übertragungsinfrastruktur aus Wechselstrom. Eine Umstellung auf DC ist übers Wochenende nicht möglich. Was ist mit allen Haushaltsgeräten und Fabriken mit Induktionsmotoren? DC funktioniert dort nicht. Sie brauchen eine Art Alternative, die entwickelt wird. Umspannwerke müssen komplett erneuert werden. Um all dies zu bewältigen, muss die HGÜ-Leistungselektronik getestet und zertifiziert werden. Und vielleicht am wichtigsten, das alles kostet Geld. Viel, viel Geld. Erwarten Sie nicht, dass der Wechsel von Wechselstrom zu Gleichstrom bald oder schnell erfolgt, wenn überhaupt.

Es steht genau dort in Ihrer Tabelle, Punkt 6: "Mehrere Terminals / Abgriffe: Schwierig".

HGÜ wird bereits gelegentlich für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen verwendet, aber je netzartiger und mehrpfadiger das elektrische Verteilungssystem ist, desto weniger komfortabel ist es. In kompakten europäischen Ländern ist die durchschnittliche ungestörte Länge eines Netzsegments kurz und liegt unter dem wirtschaftlichen Break-Even-Punkt von ~100 km.

Persönlich denke ich, dass wir eher den Einsatz von Niederspannungs-Gleichstrom-Mikronetzen sehen werden, die von erneuerbaren Energien und Batteriebänken gespeist werden, bevor wir eine umfassende Umstellung des Wechselstromnetzes auf Gleichstrom sehen.

Folgendes fehlt Ihnen: Sie denken wie ein Ingenieur, nicht wie ein Geschäftsmann. Folge dem Geld. Wenn es wirtschaftlich sinnvoll ist, auf Gleichstrom umzustellen, einschließlich aller Kosten für den Ersatz bestehender Infrastruktur usw., wird dies geschehen. In Fällen, in denen DC sinnvoll ist, ist es passiert und passiert.

Ich gebe Ihnen noch einen weiteren guten Grund gegen DC-Netze:

• fehleranfällige und teure Halbleiter und Kondensatoren
• überwältigende EMV-Probleme bei all diesen Chopper- und PFC-Schaltkreisen
• erhöhte Korrosion bei Leckagen

Sicherheit. Es ist sehr schwierig, Leistungsschalter für Hochspannungs-/Hochstrom-Gleichstromnetze zu bauen. Sicherungen müssen fünfmal so groß sein, um den Lichtbogen sicher zu löschen. Schalter benötigen aufgrund der Kapazität des Gitters und des völlig anderen Lichtbogenverhaltens viel größere und aufwändigere Strahlkammern.

Im Wechselstromverteilungssystem müssen alle Generatoren nicht nur nach Frequenz, sondern auch nach Winkel synchronisiert werden. Jedes Mal, wenn eine Last zunimmt, versucht es, die Lichtmaschinen zu verlangsamen. Das ist nicht erlaubt, und die Leistung muss steigen. Wenn eine Last zu hoch ist, muss sie getrennt werden, was andere Lichtmaschinen zusätzlich belastet. Theoretisch ist HGÜ stabiler und fehlerverzeihender. Wir verwenden ac, weil es bis vor kurzem die bessere Methode war. Wie von anderen erwähnt, ist der Wechsel zu HGÜ kostspielig.

Alle vorherigen Antworten decken die Fragen des OP ab, aber ich dachte, ich würde nur etwas hinzufügen, was zuvor in Bezug auf lokalisierte, kurzfristige DC-Netzwerke gesagt wurde. Die nächste „Revolution“ in der Stromverteilung werden Demand-Response-Systeme ( https://en.wikipedia.org/wiki/Demand_response ) sein, die lokalisierten Strom über Gemeinschaftsnetze liefern, die mit Batterien, Solarenergie und anderen erneuerbaren Energien betrieben werden.

Tesla (das Unternehmen, nicht der Mann) zeigt uns, wohin dies mit seinem Haushaltsbatteriepaket führt – stellen Sie sich die Einsparungen bei den Haushaltsrechnungen vor, die damit einhergehen, dass Sie in Zeiten mit Spitzenenergiekosten auf Batterien umschalten und Batterien über PV usw. außerhalb der Spitzenzeiten aufladen können .

Bringen Sie ein paar Häuser zusammen, um diese Kapazität in einer Gemeinde zu teilen, und dann haben Sie möglicherweise auch genug Ressourcen, um Ihren Überschuss an andere Mitglieder/Gemeinschaften zu verkaufen (Sie können ihn bereits an das Netz in Großbritannien zurückverkaufen). Vielleicht könnte diese Art von Teilnetz HGÜ sein, wenn jeder in der Gemeinschaft daran teilnimmt.

Es gibt mehrere Gründe, warum Hochspannungsgleichstrom noch nicht praktikabel ist, aber in einigen Nischenanwendungen langsam zurückkriecht.

• AC-Transformatoren sind eine sehr robuste und bewährte Technologie mit langjähriger Forschung, Verbesserung und Optimierung und sind sehr billiger als das DC/AC-Hochfrequenztransformator-AC/DC-Gegenstück, und natürlich sind sie viel zuverlässiger
• Leistungsschalter, die zum Unterbrechen von Stromkreisen unter Last oder Kurzschluss verwendet werden, sind ein ernsthaftes Problem in DC-Systemen, da in einem Wechselstromsystem Ströme von Natur aus Null passieren müssen, es viel einfacher ist, AC-Ströme zu unterbrechen, AC-Leistungsschalter sind dem weit voraus DC-Pendants in Preis, Ausschaltstromfähigkeit, Lebensdauer und ...
• Selbst wenn wir an den Punkt kommen, an dem beide Technologien auf Augenhöhe sind, was noch viele, viele Jahre bis zu diesem Punkt dauert, müssen Sie verstehen, dass AC-Verteiler sehr zurückhaltend und vorsichtig sind, wenn es um den Einsatz neuer Technologien geht

Die netzunabhängige Nutzung zu Hause für Beleuchtung und Computer ist mit Gleichstrom sicherlich effizienter. LED-Beleuchtung verbraucht nur einen Bruchteil der Energie von Glühlampen und Leuchtstofflampen. LED muss Gleichstrom verwenden, und aus diesem Grund muss jede LED-Leuchte einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler haben, der ineffizient und störanfällig ist. Tatsächlich sind die meisten Ausfälle von LED-Leuchten auf die Umwandlungsschaltung und sehr selten auf die LED-Lichtquelle selbst zurückzuführen.

Alle Computer und Elektronik verwenden Gleichstrom. Sie arbeiten mit einer Batterie oder müssen, wenn sie an das Wechselstromnetz angeschlossen sind, den Netzwechselstrom in den von der Elektronik benötigten Gleichstrom umwandeln, und zwar durch eine Schaltung, die aus Gleichrichterbrücken, Abwärtstransformatoren, Kondensatoren, Thyristoren usw. besteht.

Heizdrähte für elektrische Heizungen spielen keine Rolle, ob Sie Gleichstrom oder Wechselstrom verwenden, da es sich um eine rein ohmsche Last handelt. Die Lüfter für die Heizungen müssten jedoch DC-Lüfter sein.

Wechselstrom wird für alle Geräte oder Geräte benötigt, die Wechselstrommotoren und/oder Kompressoren verwenden, z. B. Kühlschränke, Klimaanlagen, Ventilatoren, Pumpen, Plug-in-Geräte usw. Obwohl immer mehr Elektrowerkzeuge wiederaufladbare DC-Akkupacks anstelle von Plug-in-Akkus verwenden , und die Ladegeräte sind Gleichstrom.

Da die Stromerzeugung vor Ort Gleichstrom für Solarstrom ist und Gleichstrom für mechanische Generatoren für Windenergie und Biomasse sein kann, ist es nicht effizient, Wechselrichter verwenden zu müssen, um den erzeugten Strom in Wechselstrom umzuwandeln, nur um ihn für die Nutzung wieder in Gleichstrom umwandeln zu lassen Oben zitiert.

Dies ist das aktuelle System, aber da die Versorgungsunternehmen die Tarife weiter erhöhen und die Übertragungsinfrastruktur unzuverlässiger wird, werden immer mehr Haushalte versuchen, netzfernen, lokal erzeugten Gleichstrom zu nutzen. Sie werden weiterhin Netzwechselstrom oder Wechselrichter aus dem Batteriestapel des Hauses für die Geräte und Geräte verwenden, die Wechselstrom verwenden müssen.

Während Wechselstrom für die Stromübertragung über Land unter 500 km immer noch die wirtschaftlichere Wahl ist, geht der Trend zur lokalen, netzunabhängigen Stromerzeugung und -speicherung vor Ort. Versorgungsunternehmen sind sich dieses Trends bereits bewusst und gehen Partnerschaften mit Kommunen und Anbietern vor Ort für Netzrückkauf, Integration und anderes ein.

AC profitiert von einer kritischen Masse an langjähriger Erfahrung, Branchenvertrauen, einer breiten Produktpalette zu vernünftigen Preisen und schnell verfügbarem Service und Support.

AC-Transformatoren sind kugelsicher. Nehmen wir an, jemand möchte eine 50A/240V-Steckdose für Wohnmobile auf der anderen Seite unseres Grundstücks, 2000 Fuß entfernt. Ich kann gewöhnliche Transformatoren verwenden, um unseren 240-V-Service auf 2400 V zu bringen, eine Mastleitung und einen weiteren Transformator zu betreiben. Günstig, zuverlässig und von der Stange. Sie müssen sich nie Sorgen machen, dass der Transformator ausfällt. Und wenn es gewartet werden müsste, ist die Anzahl der Elektriker in meinem Landkreis, die wissen, was sie sehen, und die es unterstützen können, definitiv nicht null.

Davon kann HGÜ nichts behaupten.

Es gibt ein altes Sprichwort aus der Mainframe-Welt der 1960er Jahre, als Firmen wie Burroughs und Sperry versuchten, IBMs Beinahe-Monopol zu brechen: „Niemand wurde jemals gefeuert, weil er IBM gekauft hat.“

Welcher Facility-Manager wird seinen Kopf in HGÜ stecken? Heute nicht ich, glaube ich. Vielleicht morgen. Kein Boom morgen.