Пътуваща вълна

Определение
Пътуващата вълна е преходна вълна, която създава нарушение и се разпространява по линията за пренос на електроенергия с постоянна скорост. Този тип вълна съществува за кратък период (само няколко микросекунди), но може да причини значителни нарушения в линията за пренос. Преходните вълни в линията за пренос се генерираят главно поради операции като комутиране, дефекти и удари на мълния.
Значението на пътуващите вълни
Пътуващите вълни играят ключова роля при определянето на напреженията и токовете в различни точки на електроенергийната система. Освен това те са важни за проектирането на изолатори, защитни устройства, изолация за терминално оборудване и общата координация на изолацията в електроенергийната система.
Характеристики на пътуващите вълни
Математически, пътуващата вълна може да бъде представена по множество начини. Най-често тя се изобразява във формата на безкрайна правоъгълна вълна или стъпковообразна вълна. Пътуващата вълна е характеризирана от четири специфични атрибута, както е показано на фигурата по-долу.

• Характеристики на пътуващите вълни
  Връх: Представлява максималната амплитуда на вълната и обикновено се измерва в киловолти (кV) за напрежението или килоампери (кA) за тока.

• Фронт: Отнася се до частта на вълната, която предхожда върха. Продължителността на фронта се измерва като интервал от началото на вълната до момента, в който достига своята връхна стойност, обикновено изразена в милисекунди (ms) или микросекунди (µs).

• Опашка: Опашката на вълната включва частта, която следва след върха. Тя се дефинира от времето, изтекло от началото на вълната до момента, в който амплитудата на вълната намаля до 50% от своята връхна стойност.
  Полярност: Това показва полярността на връхното напрежение заедно с числовата му стойност. Например, положителна вълна с връхно напрежение 500 кV, продължителност на фронта 1 µs и продължителност на опашката 25 µs ще бъде означена като +500/1.0/25.0.

Импулси
Импулсът е специфичен вид пътуваща вълна, която произлиза от движението на електрически заряди по проводник. Импулсите са характеризирани с много бързо и стръмно увеличаване на напрежението (стръмния фронт), последвано от по-бавно намаляване на напрежението (опашката на импулса). Когато тези импулси достигнат терминално оборудване като кабелни кутии, трансформатори или комутационни устройства, те могат потенциално да причинят повреди, ако оборудването не е достатъчно защитено.
Пътуващи вълни в линии за пренос
Линията за пренос е цепь с разпределени параметри, което означава, че поддържа разпространението на напрежението и тока. В цепь с разпределени параметри, електромагнитното поле се разпространява с крайна скорост. Операции като комутиране и събития като удари на мълния не засягат всички точки на цепта едновременно. Вместо това техните ефекти се разпространяват по цепта във формата на пътуващи вълни и импулси.

Когато линията за пренос внезапно се свърже с източник на напрежение чрез затваряне на ключ, цялата линия не се активира моментално. С други думи, напрежението не се появява незабавно в далечния край на линията. Този феномен се случва поради наличието на разпределени константи, а именно индуктивност (L) и капацитет (C) в безизгубна линия.

Разглеждайте дълга линия за пренос с разпределена индуктивност (L) и капацитет (C). Както е показано на фигурата по-долу, тази дълга линия може концептуално да бъде разделена на по-малки секции. Тук, S представлява ключа, използван за иницииране или прекратяване на импулсите при комутиране. Когато ключът е затворен, индуктивността L1 първоначално действа като отворена цепь, докато капацитетът C1 действа като къса цепь. В този момент напрежението в следващата секция не може да се промени, защото напрежението върху капацитета C1 е първоначално нула.

Следователно, докато капацитетът C1 не бъде зареден до определено ниво, е невъзможно да се зареди капацитетът C2 през индуктивността L2, и този процес на зареждане неизбежно отнема време. Същият принцип се прилага и за третата, четвъртата и последващите секции на линията за пренос. Резултатът е, че напрежението във всяка секция постепенно нараства. Това постепенно нарастване на напрежението по електропроводника може да се визуализира като напрежението, което се разпространява от единия край на линията до другия. Асоциираната вълна на тока, която се движи паралелно с вълната на напрежението, генерира магнитно поле в околното пространство. Когато тези вълни достигнат разклонения и завършвания в електрическата мрежа, те подлагат на рефракция и рефлексия. В мрежа с множество линии и разклонения, един единствен инцидентен импулс може да инициира множество пътуващи вълни. Като вълните се разделят и подлагат на многократни рефлексии, броят на вълните нараства значително. Обаче, важно е да се отбележи, че общата енергия на резултантните вълни никога не може да надхвърли енергията на оригинален инцидентен импулс, спазвайки основния закон за запазване на енергията в електрическите системи.