Κυματικός Τροχιάς

Ορισμός
Μια ταξιδευτική κύμα είναι ένα μεταβατικό κύμα που δημιουργεί μια διαταραχή και επεκτείνεται κατά μήκος μιας γραμμής μεταφοράς με σταθερή ταχύτητα. Αυτό το είδος κύματος υπάρχει για μικρό χρονικό διάστημα (λίγα μικρά δευτερόλεπτα), αλλά μπορεί να προκαλέσει σημαντικές διαταραχές στη γραμμή μεταφοράς. Τα μεταβατικά κύματα δημιουργούνται κυρίως λόγω λειτουργιών όπως τα κλεισίματα, τα παρατυπήματα και οι χτυπήσεις αστραπής.
Σημασία των Ταξιδευτικών Κυμάτων
Τα ταξιδευτικά κύματα έχουν κρίσιμο ρόλο στην καθορίση των τάσεων και των ρευμάτων σε διάφορες θέσεις μέσα στο σύστημα ενέργειας. Επιπλέον, είναι σημαντικά στο σχεδιασμό των επιστροφέων, των προστατευτικών συσκευών, της μόνωσης των τερματικών συσκευών και της συνολικής συντονισμένης μόνωσης στο σύστημα ενέργειας.
Προδιαγραφές των Ταξιδευτικών Κυμάτων
Μαθηματικά, ένα ταξιδευτικό κύμα μπορεί να αναπαρασταθεί με πολλούς τρόπους. Συνήθως παραπέμπεται σε μορφή άπειρου ορθογωνικού κυμάτος ή βηματικού κυμάτος. Ένα ταξιδευτικό κύμα χαρακτηρίζεται από τέσσερις συγκεκριμένες ιδιότητες, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

• Χαρακτηριστικά των Ταξιδευτικών Κυμάτων
  Κορυφή: Αυτή αντιπροσωπεύει τη μέγιστη εξάπλωση του κύματος και συνήθως μετράται σε χιλιώντες βόλτ (kV) για τα κύματα τάσης ή σε χιλιώντες αμπέρ (kA) για τα κύματα ρεύματος.

• Μέτωπο: Αναφέρεται στο μέρος του κύματος που προηγείται της κορυφής. Η διάρκεια του μετώπου μετράται ως το χρονικό διάστημα από την αρχή του κύματος μέχρι τη στιγμή που φτάνει στην τιμή της κορυφής, συνήθως εκφράζεται σε χιλιοστά δευτερόλεπτα (ms) ή μικρά δευτερόλεπτα (μs).

• Ουρά: Η ουρά του κύματος περιλαμβάνει το τμήμα που ακολουθεί την κορυφή. Ορίζεται από το χρονικό διάστημα από την αρχή του κύματος μέχρι τη μείωση της εξάπλωσης του κύματος στο 50% της τιμής της κορυφής.
  Πολικότητα: Αυτή δείχνει την πολικότητα της τάσης της κορυφής μαζί με την αριθμητική της τιμή. Για παράδειγμα, ένα θετικό κύμα με κορυφή τάσης 500 kV, διάρκεια μετώπου 1 μs και διάρκεια ουράς 25 μs θα συμβολίζεται ως +500/1.0/25.0.

Επιτάσεις
Η επιτάσεις είναι ένα συγκεκριμένο είδος ταξιδευτικού κύματος που προκαλείται από την κίνηση ηλεκτρικών φορτίων κατά μήκος ενός διαγωνίσματος. Οι επιτάσεις χαρακτηρίζονται από μια πολύ γρήγορη και αιφνίδια αύξηση της τάσης (το στενό μέτωπο), ακολουθούμενη από μια πιο βαθμιαία μείωση της τάσης (η ουρά της επιτάσεως). Όταν αυτές οι επιτάσεις φτάσουν σε τερματικές συσκευές, όπως κουτιά καλωδίων, μετατροπείς ή στροβίλους, μπορούν να προκαλέσουν ζημίες αν το εξοπλισμός δεν είναι επαρκώς προστατευμένος.
Ταξιδευτικά Κύματα σε Γραμμές Μεταφοράς
Μια γραμμή μεταφοράς είναι ένα κατανεμημένο - παράμετρο περιβάλλον, που σημαίνει ότι υποστηρίζει την επέκταση κυμάτων τάσης και ρεύματος. Σε ένα περιβάλλον με κατανεμημένες παράμετρους, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο επεκτείνεται με πεπερασμένη ταχύτητα. Λειτουργίες όπως τα κλεισίματα και γεγονότα όπως οι χτυπήσεις αστραπής δεν επηρεάζουν όλες τις θέσεις του περιβάλλοντος ταυτόχρονα. Αντίθετα, οι επιπτώσεις τους επεκτείνονται κατά μήκος του περιβάλλοντος σε μορφή ταξιδευτικών κυμάτων και επιτάσεων.

Όταν μια γραμμή μεταφοράς συνδέεται ξαφνικά με μια πηγή τάσης μέσω του κλεισίματος ενός στροβίλου, η ολόκληρη γραμμή δεν ενεργοποιείται αμέσως. Δηλαδή, η τάση δεν εμφανίζεται αμέσως στο ακρωτήριο της γραμμής. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει λόγω της παρουσίας κατανεμημένων σταθερών, δηλαδή της αυξητικότητας (L) και της ικανότητας (C) σε μια γραμμή χωρίς απώλειες.

Υποθέστε μια μακρά γραμμή μεταφοράς με κατανεμημένη παράμετρο αυξητικότητας (L) και ικανότητας (C). Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, αυτή η μακρά γραμμή μπορεί να χωριστεί θεωρητικά σε μικρότερα τμήματα. Εδώ, S αντιπροσωπεύει τον στροβίλο που χρησιμοποιείται για να ξεκινήσει ή να τερματίσει τις επιτάσεις κατά τη διάρκεια των λειτουργιών κλεισίματος. Όταν ο στροβίλος κλείνει, η αυξητικότητα L1 αρχικά λειτουργεί ως ανοιχτό κύκλο, ενώ η ικανότητα C1 λειτουργεί ως κλειστός κύκλος. Σε αυτή τη στιγμή, η τάση στο επόμενο τμήμα δεν μπορεί να αλλάξει, επειδή η τάση στην ικανότητα C1 είναι αρχικά μηδέν.

Επομένως, μέχρι η ικανότητα C1 να φορτίσει σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο, είναι αδύνατο να φορτίσει την ικανότητα C2 μέσω της αυξητικότητας L2, και αυτή η διαδικασία φόρτισης αναγκαστικά παίρνει χρόνο. Το ίδιο αρχίζει να ισχύει και για το τρίτο, το τέταρτο και τα επόμενα τμήματα της γραμμής μεταφοράς. Ως αποτέλεσμα, η τάση σε κάθε τμήμα αυξάνεται βαθμιαία. Αυτή η βαθμιαία αύξηση της τάσης κατά μήκος του διαγωνίσματος μπορεί να οπτικοποιηθεί ως ένα κύμα τάσης που επεκτείνεται από το ένα άκρο της γραμμής στο άλλο. Το συνασπισμένο κύμα ρεύματος είναι υπεύθυνο για αυτή τη βαθμιαία διαδικασία φόρτισης. Το κύμα ρεύματος, που ταξιδεύει σε συνδυασμό με το κύμα τάσης, δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο στο περιβάλλον. Όταν αυτά τα κύματα φτάνουν σε συνδέσμους και τερματικά σημεία μέσα στο ηλεκτρικό δίκτυο, υποστηρίζουν ανακλάσεις και προστροφή. Σε ένα δίκτυο με πολλές γραμμές και συνδέσμους, ένα μοναδικό εισερχόμενο κύμα μπορεί να ξεκινήσει πολλά ταξιδευτικά κύματα. Όταν τα κύματα χωρίζονται και υποστηρίζουν πολλές ανακλάσεις, ο αριθμός των κυμάτων αυξάνεται σημαντικά. Ωστόσο, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η συνολική ενέργεια των αποτελεσματικών κυμάτων δεν μπορεί ποτέ να ξεπεράσει την ενέργεια του αρχικού εισερχόμενου κύματος, συμμορφώνοντας με το βασικό νόμο της διατήρησης της ενέργειας στα ηλεκτρικά συστήματα.