Monopole

แผนภาพแสดงระบบ monopole กับ ground return

• monopole เป็นรูปแบบธรรมดา ขั้วหนึ่งของ rectifier ต่อลงดิน อีกขั้วหนึ่งต่อกับสายส่งซึ่งมีศักย์สูงกว่าหรือต่ำกว่าดิน ขั้วสายดินอาจจะเชื่อมต่อที่สถานีแปลงโดยใช้ตัวนำที่สอง
• Monopole กับ ground return

ถ้าไม่มีตัวนำโลหะติดตั้ง การไหลของกระแสในดินและ/หรือทะเลระหว่างสองขั้วไฟฟ้าดิน electrode ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ รุปแบบนี้คือระบบ return ทางดินด้วยสายเส้นเดียว

ขั้วไฟฟ้า electrode มักจะถูกติดตั้งอยู่หลายสิบกิโลเมตรจากสถานีและถูกเชื่อมต่อไปยังสถานีผ่านทางสายไฟฟ้า electrode แรงดันกลาง การออกแบบของอิเล็กโทรดขึ้นอยู่กับว่าพวกมันจะตั้งอยู่บนที่ดิน หรือบนฝั่ง หรือในทะเล สำหรับการทำรูปแบบ monopolar และ ground return กระแสที่ไหลในดินมีทิศทางเดียวซึ่งหมายความว่าการออกแบบของอิเล็กโทรด (แคโทด) ค่อนข้างง่ายแต่การออกแบบของขั้วอิเล็กโทรด แอโนดค่อนข้างซับซ้อนทีเดียว

สำหรับการส่งกำลังทางไกล ground return ราคาถูกกว่าการใช้ตัวนำเป็นทางกลับ แต่มันจะนำไปสู่​​ปัญหาเช่น:

• การกัดกร่อนแบบไฟฟ้าเคมีของวัตถุที่เป็นโลหะที่ถูกฝังนานๆ
• ขั้วไฟฟ้าใต้น้ำที่เป็น return path ในน้ำทะเล อาจสร้างคลอรีนหรือผลทางเคมีของน้ำ
• เส้นทางกระแสไม่สมดุลอาจส่งผลให้เกิดสนามแม่เหล็ก ซึ่งสามารถส่งผลกระทบต่อระบบนำทางด้วยเข็มทิศสำหรับเรือที่แล่นผ่านสายเคเบิลใต้น้ำ

Monopole และ return path เป็นโลหะ

ผลกระทบเหล่านี้ก็จะถูกกำจัดด้วยการติดตั้ง return path เป็นโลหะตัวนำระหว่างปลายทั้งสองข้างของสายส่ง monopolar เนื่องจากขั้วหนึ่งของ converter จะเชื่อมต่อกับดิน ตัวนำที่เป็น return path ไม่จำเป็นต้องหุ้มฉนวน ซึ่งจะทำให้ค่าใช้จ่ายน้อยกว่าตัวนำไฟฟ้าแรงสูง การตัดสินใจที่จะใช้ return path เป็นโลหะหรือไม่จะขึ้นอยู่กับปัจจัยทางเศรษฐกิจ ทางด้านเทคนิคและสิ่งแวดล้อม.

ระบบ monopolar ที่ทันสมัยสำหรับสายแขวนอากาศจะถูกนำมาใช้ที่​​ 1.5 GW. ถ้าใช้สายเคเบิลใต้ดินหรือใต้น้ำจะถูกใช้ที่ราว 600 MW

ระบบ monopolar ส่วนใหญ่ได้รับการออกแบบสำหรับการขยายตัวเป็น bipolar ในอนาคต เสาสูงสำหรับสายส่งอาจได้รับการออกแบบให้แบกรับสายเคเบิลสองเส้น แม้ว่าจะใช้เพียงเส้นเดียวในตอนแรก ตัวนำที่สองอาจไม่ถูกใช้เลย หรือใช้เป็น electrode หรือต่อขนานกับอีกเส้นหนึ่ง(เช่นในกรณีของ Baltic เคเบิล)

Symmetrical monopole

อีกทางเลือกหนึ่งคือการใช้สายส่งไฟฟ้าแรงสูงสองเส้น, ทำงานที่ ± ครึ่งหนึ่งของแรงดันไฟตรง ด้วย converter เพียงตัวเดียวที่ปลายแต่ละด้าน ด้วยวิธีที่เรียกว่า monopole สมมาตร ตัว converter จะถูกต่อลงดินผ่านทาง impedance สูงเท่านั้น และจะไม่มีกระแสดิน การจัดขั้วสมมาตรเป็นเรื่องธรรมดาที่มี converter แบบ LCC (การเชื่อมต่อ NorNed เป็นตัวอย่างที่หาได้ยาก) แต่เป็นเรื่องธรรมดามากกับ converter แบบ VSC

ภาพแสดง bipolar with ground return

Bipolar

ในการส่งแบบ bipolar ตัวนำสองเส้นถูกนำมาใช้ เส้นนึงที่ศักย์สูง อีกเส้นนึงที่ศักย์ตรงข้าม เนื่องจากตัวนำเหล่านี้จะต้องถูกหุ้มฉนวน ค่าใช้จ่ายสำหรับสายส่งจึงสูงกว่าแบบ monopole ที่มีตัวนำเป็น return path ถึงอย่างไรก็ตาม ข้อได้เปรียบของ bipolar มีมากซึ่งทำให้มันเป็นทางเลือกที่น่าสนใจ

• ภายใต้โหลดปกติ กระแสดินไหลเล็กน้อย เช่นในกรณีของการส่ง monopolar ด้วย return path โลหะ ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียจาก return path และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม
• เมื่อเกิดปัญหาบนสายส่ง และมี earth return electrode ติดตั้งทั้งสองด้าน พลังงานประมาณครึ่งหนึ่งยังคงสามารถไหลโดยใช้ดินเป็น return path โดยให้ bipolar ทำงานในโหมด monopolar
• เนื่องจากแต่ละตัวนำของสาย bipolar แบกกระแสเพียงครึ่งเดียวของระบบ monopolar ค่าใช้จ่ายของตัวนำที่สองจะถูกลดลงเมื่อเปรียบเทียบกับ monopolar ในอัตราที่เท่ากัน
• ในภูมิประเทศที่ไม่พึงประสงค์ ตัวนำที่สองอาจถูกติดตั้งบนเสาส่งอิสระ เพื่อที่ว่าหากเกิดปัญหากับสายๆหนึ่ง อีกสายหนึ่งยังใช้ส่งพลังงานได้
• ระบบ bipolar อาจติดตั้ง return path แบบโลหะได้

ภาพแสดง block diagram ของระบบส่งกำลัง HVDC แบบสองขั้ว ระหว่างสองสถานี คือสถานี A และสถานี B. AC หมายถึงเครือข่ายกระแสสลับ CON = วาล์วของตัวแปลงที่อาจเป็นตัวเรียงกระแสหรือเป็นอินเวอร์เตอร์อย่างใดอย่างหนึ่ง TR = หม้อแปลงกำลังสูง, DCTL = สายส่งกระแสตรง, DCL = ตัวกรองเหนี่ยวนำกระแสตรง, BS = สวิตช์บายพาส, และ PM = ตัวแก้ power factor และตัวกรองฮาโมนิคที่ปลายทั้งสองด้าน. สายส่งกระแสตรงอาจมีระยะสั้นๆแบบ back-to-back หรือสายเหนือศีรษะยาวหลายร้อยกิโลเมตร หรือเป็นสายใต้ดินหรือใต้น้ำ. สายส่งเส้นหนึ่งของสาย DC อาจต่อลงดินโดยใช้ดินเป็น ground return

ระบบ Bipolar อาจถูกใช้งานมากถึง 4 GW ที่แรงดันไฟฟ้า± 660 กิโลโวลต์กับ converter 1 ตัวต่อ pole เช่นเดียวกับโครงการ Ningdong-Shandong ในประเทศจีน ด้วยระดับพลังงานที่ 2,000 MW ต่อ converter สิบสองพั้ลส์. converter สำหรับโครงการดังกล่าวน่าจะ (ณ 2010) มีประสิทธิภาพสูงที่สุดที่เคยสร้างมา. กำลังที่สูงขึ้นสามารถทำได้โดยการเชื่อมต่อ converter 12 พั้ลส์สองชุดหรือมากกว่าเข้าด้วยกันแบบอนุกรม เช่นที่ใช้ในโครงการ Xiangjiaba เซี่ยงไฮ้ในประเทศจีนซึ่งใช้สองชุดในแต่ละ pole ที่ 400 กิโลโวลต์ดีซี 1,600 MW

สายเคเบิลใต้น้ำรับหน้าที่ครั้งแรกเป็น monopole อาจได้รับการอัพเกรดโดยการเพิ่มสายส่งและทำงานเป็น bipole ทีหลัง

รูปแบบ bipolar สามารถถูกนำมาปฏิบัติได้เพื่อที่ว่า ขั้วไฟฟ้าของฝั่งใดหรือทั้งสองฝั่งสามารถถูกเปลี่ยนได้ เพื่อให้การทำงานกลายเป็น 2 monopole แบบขนาน ถ้าสายส่งเส้นหนึ่งเสีย ระบบการส่งยังคงทำงานได้แต่ความสามารถลดลง การสูญเสียอาจเพิ่มขึ้นถ้า ground electride และสายส่งไม่ได้ถูกออกแบบให้มีกระแสเกินในการทำงานโหมดนี้ ในการลดการสูญเสียในกรณีนี้ สถานีช่สงกลางอาจถูกติดตั้งเพื่อให้ line segment ถูกปิดหรือทำให้ขนาน แบบนี้เคยทำที่ Inga–Shaba HVDC.

Back to back

สถานีแบบ Back to back (หรือ B2B สำหรับสั้น) เป็นโรงไฟฟ้าที่มี converter ทั้งสองแบบตั้งอยู่ในพื้นที่เดียวกันหรืออาคารเดียวกัน ความยาวของสายส่ง DC จะถูกทำให้สั้นที่สุด สถานี B2B ถูกนำมาใช้สำหรับ

• การเชื่อมกันของสายส่งไฟฟ้​​าที่มีของความถี่ที่แตกต่างกัน (เช่นในญี่ปุ่นและอเมริกาใต้และเชื่อมต่อโครงข่ายระหว่าง GCC ยูเออี [50 Hz] และซาอุดีอาระเบีย [60 Hz] เสร็จสมบูรณ์ในปี 2009)
• การเชื่อมกันของสองเครือข่ายความถี่ใกล้กัน แต่ความสัมพันธ์ของเฟลไม่คงที่ (จนกระทั่ง 1995-1996 ใน Etzenricht, Dürnro​​hr เวียนนาและโครงการ Vyborg HVDC)
• ความถี่และเฟสที่แตกต่างกัน (เช่นการเปลี่ยนโรงงานแปลงกระแสแรงฉุด)
• แรงดันไฟตรงในวงจรกลางสามารถถูกเลือกได้อย่างอิสระที่สถานี B2B เพราะความสั้นของสายส่ง แรงดัน DC มักจะถูกเลือกให้เป็นที่ต่ำที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ เพื่อที่จะสร้างห้องโถงวาล์วขนาดเล็กและเพื่อลดจำนวน thyristors ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมในแต่ละชุดวาล์ว ด้วยเหตุนี้ที่สถานี B2B วาล์วมีกระแสสูงสุดที่มีอยู่(ในบางกรณีถึง 4500 A) จะถูกใช้

Multi-terminal system

Config ที่พบมากที่สุดของการเชื่อมโยง HVDC ประกอบด้วยสองสถานีแปลงเชื่อมต่อกันด้วยสายส่งเหนือศีรษะหรือสายเคเบิลใต้ทะเล

ระบบหลายสถานีเชื่อมโยง HVDC ที่เชื่อมต่อมากกว่าสองจุด เป็นของหายาก config ของระบบหลายสถานีอาจเป็นแบบอนุกรม แบบขนานหรือแบบผสม config แบบขนานมีแนวโน้มที่จะถูกใช้สำหรับสถานีการผลิตสูง และแบบอนุกรมสำหรับโรงการผลิตต่ำ ตัวอย่างคือ 2,000 MW ควิเบก-ระบบสายส่งนิวอิงแลนด์ในปี 1992 ซึ่งในปัจจุบันเป็นระบบหลายสถานีระบบ HVDC ที่ใหญ่ที่สุดในโลก

ระบบหลายสถานีเป็นเรื่องยากที่จะนึกออก จากการใช้ระบบ LCC เพราะการพลิกผันพลังงานจะได้รับผลกระทบโดยการกลับขั้วของแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง ซึ่งมีผลต่อตัวแปลงทั้งหมดที่เชื่อมต่อกับระบบ แต่ด้วยระบบ VSC การกลับทางของพลังงาน ทำได้โดยการสลับทิศทางของกระแส ทำให้ระบบหลายสถานีที่ต่อแบบขนานถูกควบคุมได้ง่ายมาก ด้วยเหตุนี้เองระบบหลายสถานีถูกคาดหวังว่าจะจะเป็นเรื่องธรรมดามากในอนาคตอันใกล้

Tripole

รูปแบบนี้จดสิทธิบัตรในปี 2004 จุดประสงค์สำหรับการแปลงระบบสายส่ง AC ที่มีอยู่ให้เป็น HVDC สายส่งสองเส้นในสามเส้นจะทำงานเป็น bipole เส้นที่สามจะถูกใช้เป็นขั้วคู่ขนานของ monopole ที่มีวาล์วย้อนกลับ (หรือวาล์วขนานเชื่อมต่อในขั้วตรงกันข้าม) monopole ขั้วขนานค่อยๆปล่อยกระแสจากขั้วหนึ่งไปอีกขั้วหนึ่ง สลับขั้วไฟฟ้าตลอดช่วงเวลาหลายนาที ตัวนำ bipole จะถูกโหลดไปทั้ง 1.37 หรือ 0.37 เท่าของขีดจำกัดความร้อนของมัน ในขณะที่ monopole ขนานอยู่ที่± 1 เท่าของขีดจำกัดความร้อน ค่ารวมของผลกระทบความร้อน RMS เป็นเหมือนกับว่าแต่ละตัวนำแบก 1.0 ของอัตรากระแสตลอดเวลา นี้จะช่วยให้ bipole นำกระแสได้มากขึ้น และใช้ประโยชน์จากสายส่งที่สามในการส่งพลังงานได้เต็มที่ กระแสที่สูงจะไหลไปตลอดความยาวของสายส่งแม้ว่าความต้องการใช้งานจะน้อย เพื่อละลายน้ำแข็งที่เกาะสาย

ณ ปี 2012 ยังไม่มีการแปลง tri-pole ทำงานจริง แม้ว่าสายส่งในประเทศอินเดียได้รับการดัดแปลงเป็น bipole HVDC ไปแล้ว (HVDC Sileru-Barsoor)

การใช้งานรูปแบบอื่นๆ

Cross-Skagerrak ประกอบด้วย 3 pole โดยที่ 2 pole จะสลับเป็นแบบคู่ขนานและ pole ที่สามใช้ขั้วไฟฟ้าตรงข้ามกับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นกว่า การจัดรูปแบบที่คล้ายกันคือ HVDC ระหว่างเกาะในประเทศนิวซีแลนด์หลังจากการ upgrade ความจุในปี 1992 ซึ่งทั้งสอง converter เดิม (ใช้วาล์วปรอทอาร์ค) ถูกสลับเป็นขนานเปลี่ยนการป้อนขั้วเดียวกันและ converterตัวที่สามใหม่ (ทายริสเตอร์) ติดตั้งพร้อมขั้วไฟฟ้าตรงข้ามและแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น config แบบนี้จบลงในปี 2012 เมื่อ converter เก่าทั้งสองตัวถูกแทนที่ด้วย converter แบบทายริสเตอร์เดี่ยวตัวใหม่

Corona discharge

การปล่อย Corona คือการสร้างไอออนในของเหลว (เช่นอากาศ) โดยการปรากฏตัวของสนามไฟฟ้าที่แรง อิเล็กตรอนจะถูกฉีกออกมาจากอากาศที่เป็นกลางและไอออนบวกหรืออิเล็กตรอนจะดึงดูดเข้าในตัวนำ ในขณะที่อนุภาคมีประจุล่องลอยออกไป ผลกระทบนี้จะสามารถก่อให้เกิดการสูญเสียพลังงานมากสร้างสัญญาณรบกวนวิทยุและเสียงรบกวน และสร้างสารพิษเช่นออกไซด์ของไนโตรเจนและโอโซนและทำให้เกิดประกายไฟโดดข้าม(arcing)

สายส่งทั้ง AC และ DC สามารถสร้าง Coronas ได้ ในกรณีแรกในรูปแบบของอนุภาคสั่น ในกรณีหลังในรูปของลมคงที่ เนื่องจากประจุจะเกิดขึ้นรอบตัวนำ, ระบบ HVDC อาจจะมีการสูญเสียประมาณครึ่งหนึ่งต่อหน่วยความยาวของระบบไฟฟ้าแรงสูง AC ที่ส่งพลังงานขนาดเดียวกัน กับการส่งแบบ monopolar การเลือกของขั้วไฟฟ้าของตัวนำที่ประจุพลังแล้วนำไปสู่​​ระดับของการควบคุมการปล่อยโคโรนา โดยเฉพาะเจาะจง ขั้วไฟฟ้าของไอออนที่ปล่อยออกมาสามารถควบคุมได้ซึ่งอาจมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมในการสร้างโอโซน โคโรนาขั้วลบสร้างโอโซนมากกว่าโคโรนาขั้วบวกและสร้างมันไปตลอดแนวสายไฟ, การสร้างศักยภาพในการผลกระทบต่อสุขภาพ การใช้แรงดันไฟฟ้าที่เป็นบวกจะช่วยลดผลกระทบต่อโอโซนของสายส่ง HVDC ระบบ monopolar