Warum sind die Stromübertragungs- / Verteilungssysteme Wechselstrom und nicht Gleichstrom?

Gibt es einen guten Grund, warum wir unser elektrisches Übertragungsnetz nicht vollständig auf Gleichstrom umstellen? Der Hauptgrund für die Verwendung von Wechselstrom im Stromnetz (keine Beleidigung, Tesla, ich liebe dich, Mann) bestand darin, die Umwandlung in höhere Spannungen zu ermöglichen, um Leitungsverluste zu verringern ( ), und wenn die Leitergröße gleich bleibt, wenn in der Gleichung erhöht wird dann müssen notwendigerweise verringern, was wiederum Verluste im Quadrat abnehm$P=IE=I^2R$$E$$E=IR$$I$$I$). Aber jetzt haben wir die Möglichkeit, Wechselstrom (bei allen Wärme-, Wasser- und Windgeneratoren) und Gleichstrom (bei Solargeneratoren) in jede gewünschte Gleichstromstärke umzuwandeln und zu übertragen, normalerweise an private oder gewerbliche Verbraucher, die ohnehin eher Gleichstrom verbrauchen. Bei Bedarf kann es bei Industrielasten (normalerweise Motoren) wieder auf Wechselstrom umgestellt werden.

Auf diese Weise können viele Transformatoren, Kondensatoren, Platzprobleme usw. aus dem Stromnetz eliminiert werden, was den Wirkungsgrad dramatisch erhöht und damit die Emissionen und Kosten senkt.

Vermisse ich hier etwas?

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

Ein weiterer Grund ist die einfache Umschaltung unter Last. Wenn Sie eine an DC angeschlossene Last ausschalten, wird der Lichtbogen 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 wird, die erforderlich ist, um Gleichstrom zu ruckeln und zu verstärken und ihn dann am Lastpunkt in Wechselstrom umzuwandeln, wie Sie dies vorschlagen.

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

Die Daten scheinen dies zu rechtfertigen: China baut eine große Anzahl von HGÜ-Übertragungsleitungen, weil sie über Geld verfügen und kein Netzwerk haben, in dem sie interagieren oder mit dem sie konkurrieren könnten. Ebenso gibt es Projekte in Europa und Amerika, aber diese scheinen eher auf Bereiche beschränkt zu sein, in denen die HGÜ wirklich leuchtet (Unterwassersysteme), da es vorhandene Netze gibt, sodass die Kosten für die Aufrüstung noch nicht gerechtfertigt sind.

Auch macht HGÜ nicht immer Sinn, insbesondere wenn Sie eine Mehrpunktübertragung benötigen / wünschen. Dies macht das Routing eines HGÜ-Systems schwieriger als eines Wechselstromsystems.

Mkeith hat die gestellte Frage beantwortet: Was sind die Hauptnachteile der HGÜ-Verteilung ? Eine "Gegenantwort" von helloworld922 (derzeit die am nächsten gewählte Antwort) weist in die Richtung einer Reihe von Fällen, in denen HGÜ verwendet wird / wurde. Alle diese Ingenieure hätten nicht verrückt sein können. Ich denke, es ist wichtig, hier zu erklären, wann HGÜ sinnvoll ist. (Das wäre übrigens eine bessere Frage gewesen als die des OP.)

Zu Beginn gibt es einige Fälle, in denen eine Wechselstromversorgung nahezu unmöglich ist. Dies umfasst das Anschließen von Wechselstromnetzen, die asynchron zueinander arbeiten, z. B. das Anschließen von 50- und 60-Hz-Systemen; es kommt beispielsweise in Japan vor: 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 für Neulinge nicht einfach in wenigen Worten zu erklären. Wenn Sie eine ausführlichere Liste (mit realen Beispielen), Delea und Casazza das wollen Verständnis Electrical Power System hat eine längere Liste.

Abgesehen von solchen Nischenfällen halte ich es für wichtig zu betonen, dass es eine totale Kostenoptimierung gibtDies kann (und sollte) durchgeführt werden, wenn entschieden wird, ob Wechselstrom oder Gleichstrom die Übertragungsmethode für eine Stromleitung sein soll. Die beiden Hauptfaktoren sind die Kosten für die Leitung selbst (Kabel, ggf. Türme, z. B. nicht unter Wasser) und die Kosten für die Terminals. Im Allgemeinen kosten die Gleichstromübertragungskabel weniger als jene mit äquivalenter Leistung für Dreiphasen-Wechselstrom. Dies geschieht aus einem Grund, der leicht zu erklären ist: Sie benötigen weniger Drähte für Gleichstrom als für Drehstrom, aber die Isolierung für die Wechselstromdrähte (und dies kann nur der Luftspalt sein, was sich in Turmkosten niederschlägt) muss standhalten der maximale Wechselstromwert, während Sie nur von der Übertragung der "Effektivleistung" (genauer gesagt der Durchschnittsleistung, die der Effektivspannung entspricht) bei Wechselstrom profitieren. Andererseits kostet die Abschlussleistungselektronik mehr für HGÜ als die Wechselstromtransformatoren.

Diese Gesamtkostenoptimierung bietet Ihnen heute die Hauptanwendung der HGÜ: die Übertragung großer Energiemengen über große Entfernungen (und damit ohne Abhören / Unterbrechen). Die typischen Werte, bei denen HGÜ wirtschaftlicher als Wechselstrom ist, übertragen 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. Kein Wunder, dass solche Beispiele aus China, Kanada oder Australien stammen. In Europa sind die meisten mittleren und großen HGÜ-Übertragungsleitungen Unterseekabel.

Nachfolgend sehen Sie, wie ein Beispiel für eine Optimierung auf synthetischer Basis (dh auf Lehrbuchebene statt in der Praxis) für eine vorgegebene Leistungsstufe aussieht, bei der nur die Kosten in Abhängigkeit von der Übertragungsentfernung aufgezeichnet werden. es ist ein Auszug aus Kim et al. HGÜ-Übertragung , deren erstes Kapitel frei verfügbar ist .

Für eine konkrete Kostenperspektive sind hier einige Werte (nach Larruskain et al. ) Für das, was in der Nähe der niedrigsten Leistung liegt, für die HGÜ-Anschlusskomponenten hergestellt werden:

• Thyristor-Wandler, 50 MW, 100 kV. Ungefährer Wert pro Einheit: 500 EUR / kW
• IGBT-Wandlerpaar, 50 MW, +/- 84 kV. Ungefährer Wert pro Einheit: 150 EUR / kW
• Transformator, 50 MVA, 69 kV / 138 kV. Ungefährer Wert pro Einheit: 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 skaliert.

Durch die Verwendung von Wechselstromtransformatoren (auf diese Weise) können Wechselrichter, Gleichrichter, Drehtransformatoren usw. aus dem Stromnetz entfernt werden, was den Wirkungsgrad drastisch erhöht und damit Emissionen und Kosten senkt.

In Chicago und New York wurde das Gleichstromnetz in den neunziger Jahren abgeschaltet. In Melbourne, Australien, wurde das Gleichstromnetz um 2005 abgeschaltet. Am Ende waren sehr alte Aufzüge in alten Gebäuden das Haupt- oder Einzige, was noch an das Gleichstromnetz angeschlossen war. 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, als 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 in Erd- / Unterseekabeln den dielektrischen Verlust und den Hauteffekt zu verringern.

Ja, Ihnen fehlt etwas. Mit modernen Transistoren und anderen elektronischen Bauteilen können wir den Gleichstrom auf einen Punkt steigern, der jedoch nicht einfach, wirtschaftlich oder mit vertretbarem Wirkungsgrad bei MW-Leistungspegeln auf die an wichtigen Übertragungsleitungen erforderlichen Spannungen gebracht werden kann.

Transformatoren sind der einzige praktische Weg, um 100 kV bei MW-Leistungen zu erreichen, und Transformatoren benötigen Wechselstrom.

Einfach weil Tesla gegen Edison 1880s. Infolgedessen sind 99,9% unserer Erzeugungs- und Übertragungsinfrastruktur Wechselstrom. Ein Wechsel zu DC ist über das Wochenende nicht möglich. Was ist mit allen Geräten und Fabriken von Menschen mit Induktionsmotoren? DC wird dort nicht funktionieren. Sie werden eine Alternative brauchen, die entwickelt wurde. Unterstationen müssen komplett überarbeitet werden. Eine HGÜ-Leistungselektronik, die all dies bewältigt, muss getestet und zertifiziert werden. Und was vielleicht am wichtigsten ist, das alles kostet Geld. Viel, viel Geld. Achten Sie nicht darauf, dass der Wechsel von Wechselstrom zu Gleichstrom bald oder schnell erfolgt, wenn überhaupt.

Es ist genau dort in Ihrem Diagramm, Punkt 6: "Mehrfachanschluss / Tippen: Schwierig".

HGÜ wird bereits gelegentlich für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen verwendet. Je netzartiger und mehrwegiger das elektrische Verteilungssystem ist, desto unbequemer ist es. In kompakten europäischen Ländern ist die durchschnittliche ungestörte Länge eines Netzabschnitts kurz und liegt unter der wirtschaftlichen Gewinnschwelle von ~ 100 km.

Ich persönlich bin der Meinung, dass der Einsatz von Niederspannungs-Gleichstrom-Mikronetzen, die von erneuerbaren Energien und Batteriebanken gespeist werden, wahrscheinlicher ist, bevor das Wechselstromnetz in Gleichstrom umgewandelt wird.

Folgendes fehlt Ihnen: Sie denken wie ein Ingenieur, nicht wie ein Geschäftsmann. Folgen Sie dem Geld. Wenn es wirtschaftlich sinnvoll ist, auf DC umzusteigen, einschließlich aller Kosten für den Austausch bestehender Infrastrukturen usw., wird dies geschehen. In Fällen, in denen DC sinnvoll ist, ist dies geschehen und geschieht gerade.

Ich gebe Ihnen noch einen weiteren guten Grund gegen Gleichstromnetze:

• fehleranfällige und teure Halbleiter und Kondensatoren
• Überwältigende EMV-Probleme bei all diesen Chopper- und PFC-Schaltungen
• Erhöhte Korrosion bei Undichtigkeiten

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 aufwendigere Strahlkammern.

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

Alle vorherigen Antworten befassen sich mit den Fragen des OP, aber ich dachte, ich würde nur etwas hinzufügen, was zuvor in Bezug auf lokalisierte, kurzfristige Gleichstromnetze gesagt wurde. Die nächste Revolution in der Energieverteilung 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 das mit dem inländischen Batteriepack führen soll - stellen Sie sich die Einsparungen bei den Haushaltsrechnungen vor, die sich aus der Umstellung auf Batterie in Zeiten mit hohen Energiekosten und dem Laden von Batterien durch PV et al außerhalb der Spitzenzeiten ergeben .

Wenn Sie ein paar Häuser zusammenstellen, um diese Kapazität in einer Community zu teilen, verfügen Sie möglicherweise auch über genügend Ressourcen, um Ihren Überschuss an andere Mitglieder / Communities zu verkaufen (Sie können ihn in Großbritannien bereits an das Stromnetz zurückgeben). Vielleicht könnte diese Art von Teilnetz HGÜ sein, wenn jeder in der Gemeinde ein Teilnehmer ist.

Es gibt mehrere Gründe, warum Hochspannungs-Gleichstrom noch nicht praktikabel ist, er jedoch in einigen Nischenanwendungen langsam zurückkriecht.

• Wechselstromtransformatoren sind eine sehr robuste und bewährte Technologie mit langjähriger Forschung, Verbesserung und Optimierung. Sie sind sehr preiswerter als das Gegenstück DC / AC - Hochfrequenztransformator - AC / DC, und natürlich sind sie viel zuverlässiger
• Leistungsschalter, die zum Unterbrechen von Stromkreisen unter Last oder Kurzschluss verwendet werden, sind ein ernstes Problem in Gleichstromsystemen, da in einem Wechselstromsystem Ströme von Natur aus durch Null gehen müssen und es viel einfacher ist, Wechselstromströme zu unterbrechen Gleichstromgegenstücke in Bezug auf Preis, Schaltstromfähigkeit, Lebensdauer und ...
• Selbst wenn wir zu dem Punkt kommen, dass beide Technologien einander ebenbürtig sind, was noch viele Jahre dauert, müssen Sie verstehen, dass die Netzbetreiber beim Einsatz neuer Technologien sehr zurückhaltend und vorsichtig sind

Die netzunabhängige Nutzung zu Hause für Beleuchtung und Computer ist mit DC sicher effizienter. LED-Beleuchtung nutzt einen Bruchteil der Leistung von Glühlampen und Leuchtstofflampen. LED muss Gleichstrom verwenden, und aus diesem Grund muss jede LED-Leuchte einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler aufweisen, der ineffizient und störungsanfällig ist. Tatsächlich sind die meisten Ausfälle von LED-Leuchten auf die Umwandlungsschaltung und sehr selten auf die LED-Lichtquelle selbst zurückzuführen.

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

Heizwendeln für elektrische Heizungen interessieren nicht, ob Sie Gleichstrom oder Wechselstrom verwenden, da es sich um eine rein ohmsche Last handelt. Der Lüfter für die Heizungen müsste allerdings Gleichstromlüfter sein.

Wechselstrom wird für alle Geräte oder Ausrüstungen benötigt, die Wechselstrommotoren und / oder Kompressoren verwenden, z. B. Kühlschränke, Klimaanlagen, Lüfter, Pumpen, Steckvorrichtungen usw. Obwohl immer mehr Elektrowerkzeuge wiederaufladbare Gleichstrombatterien anstelle von Steckvorrichtungen verwenden und die Ladegeräte sind Gleichstrom.

Da die Stromerzeugung vor Ort Gleichstrom für Solarenergie ist und Gleichstrom für mechanische Wechselstromgeneratoren für Windenergie und Biomasse sein kann, ist es nicht effizient, Wechselrichter zur Umwandlung des erzeugten Stroms in Wechselstrom zu verwenden, nur um ihn für die Verwendung wieder in Gleichstrom umzuwandeln Oben zitiert.

Dies ist das derzeitige System. Da jedoch die Versorgungsunternehmen die Tarife immer weiter erhöhen und die Übertragungsinfrastruktur unzuverlässiger wird, werden immer mehr Haushalte versuchen, netzunabhängigen, lokal erzeugten Gleichstrom zu nutzen. Für Geräte und Geräte, die mit Wechselstrom betrieben werden müssen, werden weiterhin Netzstrom oder Wechselrichter vom Heimbatteriestapel verwendet.

Während Wechselstrom immer noch die wirtschaftlichere Wahl für die Stromübertragung über Land mit einer Entfernung von weniger als 500 km ist, geht der Trend zu einer netzunabhängigen lokalen Stromerzeugung und -speicherung vor Ort. Versorgungsunternehmen sind sich dieses Trends bereits bewusst und arbeiten bei Netzrückkauf, -integration und anderem mit Kommunen und Anbietern vor Ort zusammen.

AC profitiert von einer kritischen Masse an langjähriger Erfahrung, Vertrauen in die Branche, einer Vielzahl von Produkten zu vernünftigen Preisen und einem jederzeit verfügbaren Service und Support.

Wechselstromtransformatoren sind kugelsicher. Nehmen wir an, jemand möchte eine 50A / 240V-Steckdose auf der anderen Seite unseres Grundstücks, 2000 Fuß entfernt. Ich kann gewöhnliche Transformatoren verwenden, um unseren 240-V-Dienst auf 2400 V zu bringen, eine Polleitung und einen anderen Transformator zu betreiben. Günstig, zuverlässig und von der Stange. Sie müssen sich niemals Sorgen machen, dass der Transformator ausfällt. Und wenn es einen Service brauchte, ist die Anzahl der Elektriker in meinem Landkreis, die wissen, was sie suchen und unterstützen können, definitiv ungleich Null.

HVDC kann nichts davon behaupten.

Es gibt ein altes Sprichwort aus den 1960er Jahren, als Outfits wie Burroughs und Sperry versuchten, das Monopol von IBM zu brechen: "Niemand wurde jemals für den Kauf von IBM entlassen."

Welcher Facility Manager wird der HGÜ den Hals rausstrecken? Nicht ich heute, denke ich. Vielleicht morgen. Kein Boom morgen.