Transmettre la puissance sur de longues distances, quoi de mieux AC ou DC?

J'ai trouvé cette réponse à une question connexe. La partie de la réponse qui me déroute est:

La transmission de courant continu sur une longue distance est inefficace. Ainsi, l'alimentation CA est beaucoup plus efficace pour transmettre la puissance.

Selon Siemens, c'est tout le contraire :

Chaque fois que de l'énergie doit être transmise sur de longues distances, la transmission CC est la solution la plus économique par rapport au courant alternatif haute tension.

Aussi, de Wikipedia

Les pertes de transmission HVDC sont citées comme inférieures à 3% par 1000 km, soit 30 à 40% de moins qu'avec les lignes AC, aux mêmes niveaux de tension.

La réponse affichée est-elle correcte?

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Chris H a fait une observation très importante (voir son commentaire ci-dessous): Le contexte du message que j'ai mentionné était de basse tension alors que je pensais aveuglément à haute tension. En effet, j'ai appris beaucoup de choses par les réponses et les commentaires. Merci.

Il est plus efficace de transmettre DC en utilisant environ la même infrastructure. Cela est dû à plusieurs effets:

1. Effet cutané ressenti avec AC. Il n'y a aucun effet cutané avec DC.

2. Tension plus élevée autorisée avec DC pour les mêmes lignes de transmission. Les lignes doivent résister à la tension de crête. Avec AC, c'est 1,4 fois plus élevé que le RMS. Avec DC, le RMS et les tensions de crête sont les mêmes. Cependant, la puissance transmise est le temps actuel de la tension RMS, et non de crête.

3. Aucune perte de rayonnement avec DC. Les longues lignes de transmission agissent comme des antennes et émettent une certaine puissance. Cela ne peut arriver qu'avec AC.

4. Pas de pertes par induction. Le champ magnétique changeant autour d'un fil transportant du courant alternatif provoque une tension et un courant induits dans les conducteurs voisins. En effet, la ligne de transmission est le primaire d'un transformateur et les conducteurs à proximité sont des secondaires. Avec le courant continu, le champ magnétique ne change pas et ne transfère donc pas d'énergie.

Un autre avantage de DC est qu'il ne nécessite pas de synchronisation entre les grilles. Deux réseaux CA doivent être synchronisés en phase pour être connectés ensemble. Cela devient délicat lorsque les distances sont suffisamment grandes pour être des fractions importantes d'un cycle.

Le revers de la médaille est que le courant alternatif est plus facile à convertir entre les tensions. Reconvertir DC en AC pour le vider sur le réseau local à l'extrémité de réception n'est pas un processus trivial. Cela nécessite une grande usine, ce qui signifie des dépenses importantes. Cette dépense n'en vaut la peine que si la distance de transmission est suffisamment longue pour que les économies d'efficacité l'emportent sur le coût de l'installation de conversion DC-AC sur sa durée de vie.

Voici un exemple de ce qu'il faut pour reconvertir le courant continu haute tension en courant alternatif:

L'alimentation CC des grands barrages du Québec entre en haut à droite. Cette usine convertit cela en courant alternatif et transfère l'électricité sur une grande ligne de transmission régionale en courant alternatif à Ayer Massachusetts à 42,5702N 71,5242W .

Les frais de construction et d'exploitation de cette usine en valent la peine en raison des économies d'énergie importantes liées à la transmission de courant continu au lieu de courant alternatif. La synchronisation a également été un facteur dans l'utilisation de DC.

J'ai en fait travaillé sur des projets HVDC, du milieu à la fin des années 90. La réponse d'Olin Lathrop est partiellement juste, mais pas tout à fait. J'essaierai de ne pas trop répéter sa réponse, mais je clarifierai certaines choses.

Les pertes pour AC se résument principalement à l'inductance du câble. Cela crée une réactance pour la transmission de courant alternatif. Une idée fausse commune (répétée par Olin) est que cela est dû au transfert de pouvoir aux choses qui l'entourent. Ce n'est pas le cas - une bobine de fil à mi-chemin entre ici et le nuage de Magellan aura exactement la même réactance et provoquera précisément les mêmes effets électriques assis sur votre bureau. Pour cette raison, cela s'appelle auto-inductance , et l'auto-inductance d'un long câble de transmission est vraiment importante.

Le câble ne perd aucune puissance significative du couplage inductif avec d'autres pièces métalliques - c'est l'autre moitié de cette idée fausse commune. L'efficacité du couplage inductif est fonction de la fréquence alternative et de la distance entre les câbles. Pour une transmission CA à 50/60 Hz, la fréquence est si basse que le couplage inductif à tout type de distance est totalement inefficace; et à moins que vous ne vouliez vous électrocuter, ces distances doivent être séparées de plusieurs mètres. Cela ne se produit tout simplement pas dans une mesure mesurable.

(Modifié pour ajouter une chose que j'ai oubliée) Pour les câbles sous-marins, il existe également des capacités de câble très élevées en raison de leur construction. Il s'agit d'une source différente de pertes réactives, mais elle est significative de la même manière. Ceux-ci peuvent être la principale cause de pertes dans les câbles sous-marins.

L'effet cutané entraîne une résistance plus élevée à la transmission de courant alternatif, comme le dit Olin. En pratique cependant, le besoin de câbles flexibles rend cela moins problématique. Un seul câble suffisamment épais pour transmettre une puissance importante serait généralement trop rigide et trop lourd pour être suspendu à un pylône, de sorte que les câbles de transmission sont assemblés à partir d'un faisceau de fils séparés par des entretoises. Nous aurions besoin de le faire de toute façon, que nous utilisions DC ou AC. Le résultat de ceci est cependant de mettre les fils dans la zone d'effet de peau pour le faisceau. Il est clair que l'ingénierie est impliquée dans cela, et il y aura toujours des pertes, mais par cette heureuse coïncidence, nous pouvons nous assurer qu'elles sont beaucoup plus faibles.

Les câbles enterrés et sous-marins sont un seul câble épais, bien sûr, donc en principe ils pourraient toujours être mordus par l'effet de peau. La construction de câble robuste utilise cependant généralement un noyau central solide qui assure l'intégrité structurelle du câble, avec d'autres connecteurs enroulés sur ce noyau. Encore une fois, nous pouvons l'utiliser à notre avantage pour réduire l'effet de peau en CA, et même les câbles HVDC seront construits de la même manière.

La grande victoire dans la transmission de puissance est cependant l'élimination des pertes réactives.

Comme le dit Olin, il y a aussi un problème avec la jonction de deux réseaux électriques, car ils n'auront jamais exactement la même fréquence et la même phase. Une utilisation intelligente des filtres au milieu du 20e siècle a permis de connecter des grilles, mais leur conception était autant un art qu'une science, et ils étaient intrinsèquement inefficaces. Une fois que votre puissance est transmise en courant continu, vous pouvez reconstruire le courant alternatif avec la même fréquence et la même phase que le réseau de destination et éviter le problème.

Non seulement cela, mais il est beaucoup plus efficace de convertir de AC en DC et de nouveau en AC, au lieu d'essayer d'utiliser des filtres pour compenser la phase et la fréquence. De nos jours, les grilles sont généralement associées à des schémas consécutifs . Ce sont essentiellement les deux moitiés d'une liaison HVDC côte à côte, avec un énorme jeu de barres entre les deux au lieu de kilomètres de câble de transmission.

Ils parlent de complexité et de coût ( $ $ $ $ $ )

Les gens qui disent que "DC est moins efficace" utilisent le mot "efficacité" pour parler de facteurs de conception tels que la complexité du matériel de conversion et, plus important encore, son coût .

Si nous avons une machine du Père Noël qui peut sortir des convertisseurs DC / DC aussi bon marché et fiables que des transformateurs comparables, alors DC gagne. (sur l'effet cutané seul). Cependant, dans le monde pratique, une fois vos bottes lacées et les gants de monteur de lignes enfoncés, vous rencontrez quelques autres problèmes.

• En courant alternatif, la vitesse de la lumière crée des problèmes de phasage lorsque les charges se déplacent - en particulier un problème sur les chemins de fer électriques, c'est pourquoi ils aiment les fréquences ultra-basses comme 25 Hz ou 16-2 / 3 Hz. Ce problème disparaît avec DC .
• Vous ne pouvez pas augmenter le courant. Le courant est limité par le chauffage par fil, et le chauffage par fil est déjà basé sur le RMS de l'AC.
• La plupart des tours de transmission et de distribution installées sont conçues pour un "delta" triphasé, elles ont donc 3 conducteurs. Il est difficile d'utiliser efficacement les 3 fils en DC, donc DC réduira considérablement la capacité effective de ces lignes en gaspillant un fil. Combien? Le CC porte le même que le CA monophasé, et le triphasé à 3 fils porte autant de fois sqrt (3) (1,732). Aie.
• Vous pourriez bien augmenter la tension. Les lignes CA sont isolées pour la tension de crête [crête = RMS * sqrt (2)] afin que vous puissiez hypothétiquement augmenter la tension CC à cela. Toutefois...
• Une fois que le courant continu frappe un arc, il est très difficile de l'éteindre car il ne s'arrête jamais (contrairement au courant alternatif, où chaque passage à zéro donne à l'arc une chance de s'éteindre). Cela peut être résolu avec la détection de défaut d'arc. Les lignes CA ont déjà des réenclencheurs qui se reconnecteront automatiquement après un voyage; un réenclencheur DC pourrait réessayer après aussi peu que quelques millisecondes, reproduisant l'effet du passage à zéro AC.

Toutes choses étant égales par ailleurs, la transmission CC est plus efficace que la transmission CA à la même tension nominale en raison de l'élimination des pertes réactives.

Cependant, tout le reste est rarement égal.

1. À une tension donnée, le courant continu est beaucoup plus susceptible de soutenir des arcs que le courant alternatif.
2. Ce n'est que relativement récemment que nous avons développé la capacité de convertir entre des tensions CC avec un coût et une efficacité raisonnables. À des niveaux de puissance élevés, il est toujours plus cher et moins efficace que les transformateurs.

Le résultat est que les systèmes à courant continu ont eu tendance à fonctionner à des tensions plus faibles que les systèmes à courant alternatif, et c'est ce qui a fait que les CC ont la réputation d'être inefficaces.

La tension a un effet considérable sur le coût et / ou l'efficacité de la transmission. Si vous divisez par deux la tension, pour maintenir le même niveau de pertes résistives, vous devez quadrupler la taille des conducteurs. Alternativement, vous avez quatre fois les pertes pour la même taille de conducteurs.

L'exception à cette règle est la transmission de puissance point à point très élevée sur de longues distances, sur des câbles sous-marins ou entre des réseaux non synchronisés. Dans ces cas, les coûts et les risques liés à la conversion du courant alternatif utilisé sur le réseau en courant continu à haute tension deviennent plus justifiés.