Laufwelle

Definition
Eine Laufwelle ist eine transiente Welle, die eine Störung erzeugt und sich mit konstanter Geschwindigkeit entlang einer Leitung ausbreitet. Diese Art von Welle existiert nur für kurze Zeit (nur wenige Mikrosekunden), kann aber erhebliche Störungen in der Leitung verursachen. Transiente Wellen werden in der Leitung hauptsächlich durch Schaltvorgänge, Störungen und Blitzschläge erzeugt.
Bedeutung der Laufwellen
Laufwellen spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Spannungen und Ströme an verschiedenen Punkten im Energiesystem. Darüber hinaus sind sie wichtig für die Auslegung von Isolatoren, Schutzgeräten, Isolierungen für Endgeräte und der gesamten Isolierungskoordination im Energiesystem.
Spezifikationen von Laufwellen
Mathematisch können Laufwellen auf verschiedene Weisen dargestellt werden. Am häufigsten wird sie in Form einer unendlichen Rechteckwelle oder einer Stufenwelle dargestellt. Eine Laufwelle wird durch vier spezifische Merkmale gekennzeichnet, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

• Merkmale von Laufwellen
  Scheitelwert: Dies stellt die maximale Amplitude der Welle dar und wird typischerweise in Kilovolt (kV) für Spannungswellen oder Kiloampere (kA) für Stromwellen gemessen.

• Front: Dies bezieht sich auf den Teil der Welle, der dem Scheitelwert vorausgeht. Die Dauer der Front wird als der Zeitraum vom Beginn der Welle bis zum Erreichen des Scheitelwerts gemessen, normalerweise in Millisekunden (ms) oder Mikrosekunden (µs) ausgedrückt.

• Nachlauf: Der Nachlauf der Welle umfasst den Teil, der nach dem Scheitelwert kommt. Er wird definiert durch die Zeit, die seit dem Beginn der Welle vergangen ist, bis die Amplitude der Welle auf 50 % ihres Scheitelwerts abnimmt.
  Polarität: Dies gibt die Polarität der Scheitelspannung sowie ihren numerischen Wert an. Beispielsweise würde eine positive Welle mit einem Scheitelwert von 500 kV, einer Frontdauer von 1 µs und einer Nachlauffdauer von 25 µs als +500/1.0/25.0 bezeichnet.

Überspannungen
Eine Überspannung ist eine spezielle Art von Laufwelle, die durch die Bewegung elektrischer Ladungen entlang eines Leiters entsteht. Überspannungen zeichnen sich durch einen sehr schnellen und steilen Anstieg der Spannung (die steile Front) und anschließend durch einen langsameren Abfall der Spannung (der Überspannungsnachlauf) aus. Wenn diese Überspannungen Endgeräte wie Kabelkästen, Transformator oder Schaltanlagen erreichen, können sie potenziell Schäden verursachen, wenn das Gerät nicht ausreichend geschützt ist.
Laufwellen auf Übertragungsleitungen
Eine Übertragungsleitung ist ein verteiltparametrischer Schaltung, was bedeutet, dass sie die Ausbreitung von Spannungs- und Stromwellen unterstützt. In einer Schaltung mit verteilten Parametern breitet sich das elektromagnetische Feld mit endlicher Geschwindigkeit aus. Vorgänge wie Schaltvorgänge und Ereignisse wie Blitzschläge wirken nicht gleichzeitig auf alle Punkte der Schaltung. Stattdessen breiten sich ihre Auswirkungen in Form von Laufwellen und Überspannungen über die Schaltung aus.

Wenn eine Übertragungsleitung plötzlich durch Schließen eines Schalters an eine Spannungsquelle angeschlossen wird, wird die gesamte Leitung nicht sofort energisiert. Mit anderen Worten, die Spannung erscheint nicht sofort am Ende der Leitung. Dieses Phänomen tritt aufgrund der Anwesenheit von verteilten Konstanten, nämlich Induktivität (L) und Kapazität (C) in einer verlustfreien Leitung, auf.

Betrachten Sie eine lange Übertragungsleitung mit verteiltparametrischer Induktivität (L) und Kapazität (C). Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, kann diese lange Leitung konzeptionell in kleinere Abschnitte unterteilt werden. Hierbei steht S für den Schalter, der zur Initiierung oder Beendigung von Überspannungen bei Schaltvorgängen verwendet wird. Wenn der Schalter geschlossen wird, wirkt die Induktivität L1 zunächst als offener Kreis, während die Kapazität C1 als Kurzschluss wirkt. In diesem Moment kann die Spannung im nächsten Abschnitt nicht ändern, da die Spannung über dem Kondensator C1 anfangs Null ist.

Daher ist es unmöglich, den Kondensator C2 über den Induktor L2 zu laden, bis der Kondensator C1 auf ein bestimmtes Niveau geladen ist, und dieser Ladevorgang braucht unweigerlich Zeit. Das gleiche Prinzip gilt für den dritten, vierten und nachfolgenden Abschnitte der Übertragungsleitung. Als Ergebnis nimmt die Spannung in jedem Abschnitt allmählich zu. Dieser schrittweise Anstieg der Spannung entlang des Übertragungsleiters kann als eine Spannungswelle visualisiert werden, die von einem Ende der Leitung zum anderen propagiert. Die zugehörige Stromwelle ist für diesen schrittweisen Ladevorgang verantwortlich. Die Stromwelle, die gemeinsam mit der Spannungswelle reist, erzeugt ein magnetisches Feld im umgebenden Raum. Wenn diese Wellen Verzweigungen und Enden im elektrischen Netzwerk erreichen, unterliegen sie Reflexion und Brechung. In einem Netzwerk mit vielen Leitungen und Verzweigungen kann eine einzige einfallende Welle mehrere Laufwellen initiieren. Da die Wellen sich aufspalten und mehrfach reflektiert werden, nimmt die Anzahl der Wellen signifikant zu. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Gesamtenergie der resultierenden Wellen niemals die Energie der ursprünglichen einfallenden Welle überschreiten kann, was dem grundlegenden Energieerhaltungsgesetz in elektrischen Systemen entspricht.