Ondes de propagació

Definició
Una ona de propagació és una ona transitoria que crea una pertorbació i es propaga a través d'una línia de transmissió a una velocitat constant. Aquest tipus d'ona existeix durant un curt període (només alguns microsegons), però pot causar pertorbacions significatives a la línia de transmissió. Les ones transitories es generen en la línia de transmissió principalment degut a operacions com el commutació, els defectes i els impactes de llamp.
Importància de les Ones de Propagació
Les ones de propagació juguen un paper crucial en la determinació de les tensions i corrents en diversos punts del sistema elèctric. A més, són instruments essencials en el disseny d'aislants, dispositius protectors, aïllament per a l'equip terminal i la coordinació general de l'aislament en el sistema elèctric.
Especificacions de les Ones de Propagació
Matemàticament, una ona de propagació es pot representar de diverses maneres. Es representa més sovint en forma d'ona rectangular infinita o d'ona en escala. Una ona de propagació es caracteritza per quatre atributs específics, tal com s'il·lustra a la figura següent.

• Característiques de les Ones de Propagació
  Cresta: Això representa l'amplitud màxima de l'ona i normalment es mesura en quilovolts (kV) per a ones de tensió o en quiloamperes (kA) per a ones de corrent.

• Frontal: Fa referència a la part de l'ona que precedeix la cresta. La durada del frontal es mesura com a l'interval de temps des del començament de l'ona fins al moment en què arriba al seu valor de cresta, normalment expressat en milisegons (ms) o microsegons (μs).

• Cua: La cua de l'ona abasta la porció que ve després de la cresta. Es defineix pel temps transcorregut des del començament de l'ona fins que l'amplitud de l'ona disminueix a un 50% del seu valor de cresta.
  Polaritat: Això indica la polaritat de la tensió de cresta juntament amb el seu valor numèric. Per exemple, una ona positiva amb una tensió de cresta de 500 kV, una durada de frontal de 1 μs i una durada de cua de 25 μs s'anotaria com +500/1,0/25,0.

Sobretensions
Una sobretensió és un tipus específic d'ona de propagació que sorgeix del moviment de càrregues elèctriques a través d'un conductor. Les sobretensions es caracteritzen per un augment molt ràpid i pronunciat de la tensió (el frontal abrupte), seguit d'una disminució més gradual de la tensió (la cua de la sobretensió). Quan aquestes sobretensions arriben a l'equip terminal com ara caixes de cables, transformadors o quadres de distribució, poden causar danys si l'equip no està adequadament protegit.
Ones de Propagació en Línies de Transmissió
Una línia de transmissió és un circuit amb paràmetres distribuïts, el que significa que suporta la propagació d'ones de tensió i corrent. En un circuit amb paràmetres distribuïts, el camp electromagnètic es propaga a una velocitat finita. Operacions com el commutació i esdeveniments com els impactes de llamp no afecten tots els punts del circuit simultàniament. En comptes, els seus efectes es van difonent pel circuit en forma d'ones de propagació i sobretensions.

Quan una línia de transmissió es connecta de sobte a una font de tensió tancant un interruptor, tota la línia no es carrega instantàniament. En altres paraules, la tensió no apareix immediatament a l'extrem més allunyat de la línia. Aquest fenomen ocorre degut a la presència de constants distribuïdes, concretament inductància (L) i capacitància (C) en una línia sense pèrdues.

Considerem una línia de transmissió llarga amb inductància (L) i capacitància (C) distribuïdes. Com es mostra a la figura següent, aquesta línia llarga es pot dividir conceptualment en seccions més petites. Aquí, S representa l'interruptor utilitzat per iniciar o finalitzar les sobretensions durant les operacions de commutació. Quan l'interruptor es tanca, inicialment l'inductància L1 actua com a circuit obert, mentre que la capacitància C1 actua com a circuit tancat. En aquest precís moment, la tensió a la secció següent no pot canviar perquè la tensió a través del capacitor C1 és inicialment zero.

Per tant, fins que el capacitor C1 no s'hagi carregat a un cert nivell, no és possible carregar el capacitor C2 a través de l'inductor L2, i aquest procés de càrrega inevitablement porta temps. El mateix principi s'aplica a la tercera, quarta i posteriors seccions de la línia de transmissió. Com a resultat, la tensió a cada secció augmenta gradualment. Aquesta construcció gradual de tensió a través del conductor de transmissió es pot visualitzar com una ona de tensió que es propaga d'un extrem a l'altre de la línia. L'ona de corrent associada, que viatja junta amb l'ona de tensió, genera un camp magnètic en l'espai circumdant. Quan aquestes ones arriben a les jonctions i terminacions dins de la xarxa elèctrica, experimenten reflexió i refracció. En una xarxa amb nombroses línies i jonctions, una sola ona incident pot iniciar múltiples ones de propagació. Com les ones es divideixen i experimenten múltiples reflexions, el nombre d'ones augmenta significativament. No obstant això, és important tenir en compte que l'energia total de les ones resultant no pot superar mai l'energia de l'ona incident original, adhèrent-se a la llei fonamental de conservació de l'energia en sistemes elèctrics.