موجة متنقلة

التعريف
الموجة المسافرة هي موجة عابرة تخلق اضطرابًا وتنتقل على طول خط النقل بسرعة ثابتة. هذا النوع من الموجات يوجود لفترة قصيرة (تستمر فقط لبضع ميكروثوانيات)، ومع ذلك يمكن أن تسبب اضطرابات كبيرة في خط النقل. تتولد الموجات العابرة في خط النقل بشكل أساسي بسبب العمليات مثل التحويل، والأعطال، وضربات البرق.
أهمية الموجات المسافرة
تلعب الموجات المسافرة دورًا حاسمًا في تحديد الجهد والتيار في مختلف النقاط داخل النظام الكهربائي. بالإضافة إلى ذلك، فهي أداة أساسية في تصميم العوازل، وأجهزة الحماية، والعزل للمعدات النهائية، والتنسيق العام للعزل في النظام الكهربائي.
مواصفات الموجات المسافرة
يمكن تمثيل الموجة المسافرة رياضيًا بطرق متعددة. غالبًا ما يتم تصويرها على شكل موجة مستطيلة لا نهائية أو موجة خطوة. يتميز الموجة المسافرة بأربع خصائص محددة، كما هو موضح في الشكل أدناه.

• خصائص الموجات المسافرة
  القمّة: هذه تمثل القيمة القصوى للموجة وغالبًا ما يتم قياسها بالكيلوفولت (kV) لموجات الجهد أو بالألف أمبير (kA) لموجات التيار.

• الجزء الأمامي: يشير إلى الجزء الذي يسبق القمّة. مدّة الجزء الأمامي تُقاس كالفترة الزمنية من بداية الموجة وحتى اللحظة التي تصل فيها إلى قيمة قمّتها، وعادة ما يتم التعبير عنها بالملايين من الثواني (ms) أو الميكروثوانيات (µs).

• الجزء الخلفي: يشمل الجزء الذي يأتي بعد القمّة. يتم تعريفه بالوقت المنقضي من بداية الموجة حتى ينخفض جهد الموجة إلى 50٪ من قيمة قمّتها.
  القطبية: تشير إلى قطبية جهد القمّة مع قيمتها العددية. على سبيل المثال، موجة إيجابية بجهد قمّة 500 كيلوفولت، ومدّة جزء أمامي 1 ميكروثانية، ومدّة جزء خلفي 25 ميكروثانية ستُشار إليها بـ +500/1.0/25.0.

الهبات
الهبّة هي نوع محدد من الموجات المسافرة التي تنشأ من حركة الشحنات الكهربائية على طول الموصل. تتميز الهبات بزيادة سريعة وشديدة في الجهد (الجزء الأمامي الحاد)، يتبعها انخفاض أكثر تدريجيًا في الجهد (جزء الهبّة الخلفي). عندما تصل هذه الهبات إلى المعدات النهائية مثل صناديق الكابلات، المحولات، أو الأجهزة الكهربائية، يمكن أن تسبب أضرارًا إذا لم تكن المعدات محمية بشكل كافٍ.
الموجات المسافرة على خطوط النقل
خط النقل هو دائرة ذات معلمات موزعة، مما يعني أنه يدعم انتشار موجات الجهد والتيار. في دائرة ذات معلمات موزعة، ينتشر المجال الكهرومغناطيسي بسرعة محدودة. العمليات مثل التحويل والأحداث مثل ضربات البرق لا تؤثر على جميع نقاط الدائرة في الوقت نفسه. بدلاً من ذلك، تنتشر آثارها عبر الدائرة على شكل موجات مسافرة وهبات.

عندما يتم توصيل خط النقل فجأة بمصدر جهد عن طريق إغلاق مفتاح، فإن الخط بأكمله لا يصبح مشحونًا فورًا. بمعنى آخر، لا يظهر الجهد فورًا في نهاية الخط البعيدة. يحدث هذا الظاهرة بسبب وجود الثوابت الموزعة، وهي السعة (C) والمعاومة (L) في الخط الخالي من الخسائر.

لنأخذ في الاعتبار خط نقل طويل ذو معاومة (L) وسعة (C) موزعة. كما هو موضح في الشكل أدناه، يمكن تقسيم هذا الخط الطويل إلى أقسام أصغر. هنا، يمثل S المفتاح المستخدم لبدء أو إنهاء الهبات أثناء عمليات التحويل. عند إغلاق المفتاح، تعمل المعاومة L1 في البداية كدائرة مفتوحة، بينما تعمل السعة C1 كدائرة مغلقة. في تلك اللحظة، لا يمكن تغيير الجهد في القسم التالي لأن الجهد عبر السعة C1 يكون في البداية صفرًا.

لذلك، حتى يتم شحن السعة C1 إلى مستوى معين، من المستحيل شحن السعة C2 عبر المعاومة L2، وهذا العملية الشحن تأخذ وقتًا بالضرورة. نفس المبدأ ينطبق على القسم الثالث والرابع واللاحق من خط النقل. نتيجة لذلك، يزداد الجهد في كل قسم تدريجيًا. يمكن تصور هذا الزيادة التدريجية في الجهد على طول موصل النقل كموجة جهد تنتشر من نهاية الخط إلى الأخرى. الموجة المرتبطة بالتيار، والتي تسافر بالتوازي مع موجة الجهد، تولد مجالًا مغناطيسيًا في الفضاء المحيط. عند وصول هذه الموجات إلى التقاطعات والنهايات داخل الشبكة الكهربائية، تخضع للتآثر والانكسار. في شبكة تحتوي على العديد من الخطوط والتقاطعات، يمكن لموجة واحدة حدوثية أن تبدأ عدة موجات مسافرة. مع تقسيم الموجات وانكسارها المتكرر، يزداد عدد الموجات بشكل كبير. ومع ذلك، يجب ملاحظة أن الطاقة الإجمالية للموجات الناتجة لا يمكن أن تتجاوز طاقة الموجة الحادثة الأصلية، وذلك وفقًا لقانون الحفاظ على الطاقة الأساسي في الأنظمة الكهربائية.