نظام النقل بالتيار المستمر عالي الجهد HVDC

في بداية استخدام الكهرباء تم توليدها وتوزيعها بالتيار المستمر وكان الجهد منخفض، وبسبب الخسائر في الخطوط كان من غير العملي نقل وتوزيع الطاقة لمسافات طويلة واقتصر فقط على مسافات قليلة ضمن المدن، ومع تطور المحولات الكهربائية تولى التيار المتردد مهمة توليد ونقل الكهرباء وبتكلفة منخفضة ولمسافات طويلة، ومع ذلك بالنسبة لبعض التطبيقات يعد النقل بالتيار المستمر ضروري للغاية وفي بعض الحالات يكون أقل تكلفة من نظام التيار المتردد.

في هذا المقال سنتعرف على: مفهوم النقل بالتيار المستمر عالي الجهد HVDC، ومميزاته، وعيوبه، ومتى يكون من الأفضل النقل بالتيار المستمر.

ما هو نظام النقل بالتيار المستمر عالي الجهد HVDC؟

تستخدم أنظمة التيار المستمر عالي الجهد (High voltage direct current HVDC) التيار المستمر لنقل الطاقة الكهربائية عبر مسافات طويلة، بالنسبة لنقل الطاقة لمسافات طويلة تكون خطوط HVDC أقل تكلفة وتكون الخسائر أقل مقارنةً بنقل التيار المتردد، وأيضًا يعمل على الربط بين الشبكات التي لها ترددات وخصائص مختلفة.

كيف يعمل نظام نقل التيار المستمر HVDC؟

في بداية خط النقل عند محطات التوليد يتم توليد الكهرباء بنظام التيار المتردد وبعد ذلك يتم تحويله إلى تيار مستمر باستخدام أجهزة التقويم (rectifier)، ومن ثم يتم نقل الطاقة عبر خطوط النقل وفي محطات تحويل HVDC، وفي نهاية خط النقل يتم تحويل التيار المستمر مرة أخرى إلى متردد باستخدام أجهزة الانفرتر (inverters).

مزايا النقل بالتيار المستمر HVDC:

يتطلب عدد أقل من الموصلات والعوازل وبالتالي تقليل تكلفة النظام ككل.
أبراج التيار المستمر أقل تكلفة وأرخص.
تكون مفاقيد ظاهرة كورونا (corona) أقل مقارنة بخطوط نقل HVAC ذات القدرة المماثلة.
الطاقة المفقودة في النقل منخفضة لأن عدد خطوط النقل تكون أقل من نظام الـ HVAC.
يمكن ربط شبكتين ذات تردد مختلف وبدون الحاجة لوجود تزامن (Synchronous) بينهما، وهذه تعتبر من أهم الميزات للتيار المستمر.
نظام DC ليس له تردد حيث يساوي صفر لذا فإن قيمة المفاعلة الحثية والسعوية أيضًا تساوي صفر، وهذا يعني عدم وجود قدرة غير فعالة (reactive power) وليس هناك حاجة لتعويض القدرة الغير فعالة كما يحدث في نظام الـ AC مما يؤدي لتقليل الخسائر ورفع الكفاءة.
غياب ظاهرة الـ skin effect الموجودة في حالة التيار المتردد، حيث يمر التيار المتردد حول السطح الخارجي للموصل أي تقل مساحة المقطع الفعلية التي يمر فيها التيار بينما هذه الظاهرة غير موجودة في حالة التيار المستمر، ويمر التيار في كامل المقطع للموصل وهذا يعنى أن مقاومة الموصل فى حالة الـ AC أكبر من مقاومته فى حالة الـ DC وهذا يؤدي بالضرورة إلى أن تكون المفاقيد النحاسية فى حالة الـ DC أقل.
أيضًا بسبب غياب هذة الظاهرة تكون مساحة مقطع الموصل فى حالة الـ DC أقل وهذا يقلل من التكلفة الكلية.
يكون تنظيم الجهد أفضل؛ بسبب عدم هبوط الجهد في خطوط النقل بشكل كبير كما يحدث عند النقل بالتيار المتردد.

عيوب النقل بالتيار المستمر:

محطة تحويل التيار المتردد إلى مستمر ( rectifier ) في بداية خط النقل ومحطة تحويل التيار المستمر إلى متردد (Inverter) في نهاية الخط تكلفتها عالية.
تولد محطات التقويم والعواكس (Inverter and rectifier) توافقيات (harmonics) غير مرغوب فيها وتتطلب استخدام مرشحات لتقليلها وهي باهظة الثمن وتزيد من التكلفة.
قواطع شبكات HVDC تعتبر أكثر تعقيداً بسبب صعوبة إطفاء القوس الكهربي؛ لأن التيار المستمر ثابت ولا يمر بالصفر لذلك يتم تصميمها بشكل خاص وتكلفتها أعلى.
تعقيد التصميم والتشغيل والتحكم مقارنة بنظام الـ AC.

متى يكون من الضروري النقل بالتيار المستمر؟

يعتبر النقل بالتيار المستمر HVDC اختيارًا وحيدًا ليس له بديل عند الربط الكهربي بين شبكتين فى الحالات الثلاث الآتية:

عندما يكون تردد الشبكتين مختلفاً، مثلاً ( Hz 50 و 60Hz ).
عند وجود مانع مائي _مثلاً بحر_ بين الشبكتين بحيث يمنع تركيب معوضات إستاتيكية بينهما.
عندما تكون الشبكتين من الضخامة بحيث يصعب على نظم التحكم فيهما عمل تزامن (synchronization) بينهما فى حال الفصل والارتباط.

في المسافات الطويلة جدًا (أكبر من 800كم) حيث يكون من الاقتصادي النقل بالتيار المستمر.

مقارنة تكلفة النقل بين التيار المترد والمستمر:

التكلفة الابتدائية لخط النقل بالتيار المستمر للمسافات الصغيرة أكبر من مثيلتها للتيار المتردد؛ لأن تكلفة محطات Rectifiers /inverter ستتوزع على طول صغير فترتفع القيمة.

عند قيمة معينة لطول الخط تسمى distance even Break والتي عندها يتقاطع منحنى التكلفة للنظامين نجد أن تكلفة النقل بالتيار المستمر تصبح أقل.