Pohyblivá vlna

Definice
Cestovní vlna je přechodná vlna, která vytváří poruchu a šíří se po vedení stálým rychle. Tento typ vlny existuje pouze krátkou dobu (jen několik mikrosekund), ale může způsobit významné poruchy v vedení. Přechodné vlny v vedení vznikají hlavně v důsledku operací jako přepínání, poruchy a bleskové údery.
Význam cestovních vln
Cestovní vlny hrají klíčovou roli při stanovování napětí a proudů v různých částech elektrického systému. Kromě toho jsou nezbytné pro návrh izolátorů, ochranných zařízení, izolace koncových zařízení a celkové koordinace izolace v elektrickém systému.
Specifikace cestovních vln
Matematicky lze cestovní vlnu vyjádřit více způsoby. Nejčastěji se zobrazuje ve formě nekonečné obdélníkové vlny nebo krokové vlny. Cestovní vlna je charakterizována čtyřmi specifickými atributy, jak je znázorněno na níže uvedeném obrázku.

• Charakteristiky cestovních vln
  Hřeben: Toto reprezentuje maximální amplitudu vlny a je obvykle měřeno v kilovoltech (kV) pro napěťové vlny nebo v kiloampérech (kA) pro proudové vlny.

• Přední fronta: Odkazuje na část vlny, která předchází hřebeni. Doba trvání přední fronty se měří jako časový interval od začátku vlny do okamžiku, kdy dosáhne své hřebenové hodnoty, obvykle vyjádřen v milisekundách (ms) nebo mikrosekundách (µs).

• Zadní fronta: Zadní fronta vlny pokrývá část, která následuje po hřebeni. Je definována časem uplynulým od začátku vlny do okamžiku, kdy amplituda vlny klesne na 50 % její hřebenové hodnoty.
  Polarita: Toto označuje polaritu hřebenového napětí spolu s jeho číselnou hodnotou. Například pozitivní vlna s hřebenovým napětím 500 kV, délkou přední fronty 1 µs a délkou zadní fronty 25 µs by byla označena jako +500/1.0/25.0.

Nárazy
Náraz je specifický typ cestovní vlny, který vzniká pohybem elektrických nábojů po vodiči. Nárazy jsou charakteristické velmi rychlým a strmým nárůstem napětí (strmá přední fronta), následovaným pomalejším poklesem napětí (zadní fronta nárazu). Když tyto nárazy dosáhnou koncových zařízení, jako jsou kabelové schránky, transformátory nebo přepínače, mohou potenciálně způsobit poškození, pokud nejsou zařízení dostatečně chráněna.
Cestovní vlny na vedeních
Vedení je distribuovaný parametrický obvod, což znamená, že podporuje šíření napěťových a proudových vln. V obvodu s distribuovanými parametry se elektromagnetické pole šíří konečnou rychlostí. Operace, jako je přepínání, a události, jako jsou bleskové údery, neovlivňují všechny body obvodu současně. Místo toho se jejich efekty šíří po obvodu ve formě cestovních vln a nárazů.

Když je vedení náhle připojeno k zdroji napětí uzavřením spínače, celé vedení není okamžitě energizováno. Jinými slovy, napětí se neobjeví okamžitě na druhém konci vedení. Tento jev nastává v důsledku přítomnosti distribuovaných konstant, tedy indukčnosti (L) a kapacity (C) v bezztrátovém vedení.

Uvažme dlouhé vedení s distribuovanou indukčností (L) a kapacitou (C). Jak je znázorněno na níže uvedeném obrázku, toto dlouhé vedení lze konceptuálně rozdělit na menší sekce. Zde S představuje spínač používaný k iniciaci nebo ukončení nárazů během přepínacích operací. Když je spínač uzavřen, indukčnost L1 působí jako otevřený obvod, zatímco kapacita C1 působí jako uzavřený obvod. V tomto okamžiku se napětí v následující sekci nemůže změnit, protože napětí na kondenzátoru C1 je počátečně nulové.

Dokud tedy kondenzátor C1 není nabité do určité úrovně, není možné nabít kondenzátor C2 skrze cívku L2, a tento proces nabíjení nutně trvá čas. Stejný princip platí pro třetí, čtvrtou a další sekce vedení. V důsledku toho se napětí v každé sekci postupně zvyšuje. Tento postupný nárůst napětí po vedení lze vizualizovat jako napěťovou vlnu, která se šíří od jednoho konce vedení k druhému. Související proudová vlna je odpovědná za tento postupný proces nabíjení. Proudová vlna, která se šíří společně s napěťovou vlnou, generuje magnetické pole v okolním prostoru. Když tyto vlny dosáhnou spojů a konců v elektrické síti, podléhají odrazu a lomu. V síti s mnoha vedeními a spoji může jedna incidentní vlna iniciovat mnoho cestovních vln. Jak se vlny dělí a podléhají mnoha odrazům, počet vln se značně zvýší. Je však důležité si uvědomit, že celková energie výsledných vln nikdy nemůže přesáhnout energii původní incidentní vlny, což splňuje základní zákon zachování energie v elektrických systémech.