Onda viajera

Definición
Una onda viajera es una onda transitoria que genera una perturbación y se propaga a lo largo de una línea de transmisión a una velocidad constante. Este tipo de onda existe por un período corto (solo unos pocos microsegundos), pero puede causar perturbaciones significativas en la línea de transmisión. Las ondas transitorias se generan en la línea de transmisión principalmente debido a operaciones como el conmutado, fallas y rayos.
Importancia de las Ondas Viajeras
Las ondas viajeras desempeñan un papel crucial en la determinación de los voltajes y corrientes en diversos puntos dentro del sistema de potencia. Además, son instrumentales en el diseño de aisladores, dispositivos protectores, aislamiento para equipos terminales y la coordinación general del aislamiento en el sistema de potencia.
Especificaciones de las Ondas Viajeras
Matemáticamente, una onda viajera puede representarse de múltiples maneras. Se representa más comúnmente en forma de una onda rectangular infinita o una onda escalón. Una onda viajera se caracteriza por cuatro atributos específicos, como se ilustra en la figura siguiente.

• Características de las Ondas Viajeras
  Cresta: Esto representa la amplitud máxima de la onda y se mide típicamente en kilovoltios (kV) para ondas de voltaje o kiloamperios (kA) para ondas de corriente.

• Frente: Se refiere a la parte de la onda que precede a la cresta. La duración del frente se mide como el intervalo de tiempo desde el inicio de la onda hasta el momento en que alcanza su valor de cresta, generalmente expresado en milisegundos (ms) o microsegundos (µs).

• Cola: La cola de la onda abarca la porción que viene después de la cresta. Se define por el tiempo transcurrido desde el inicio de la onda hasta que la amplitud de la onda disminuye al 50% de su valor de cresta.
  Polaridad: Esto indica la polaridad del voltaje de la cresta junto con su valor numérico. Por ejemplo, una onda positiva con un voltaje de cresta de 500 kV, una duración de frente de 1 µs y una duración de cola de 25 µs se denotaría como +500/1.0/25.0.

Sobretensiones
Una sobretensión es un tipo específico de onda viajera que surge del movimiento de cargas eléctricas a lo largo de un conductor. Las sobretensiones se caracterizan por un aumento muy rápido y pronunciado en el voltaje (el frente empinado), seguido de una disminución más gradual del voltaje (la cola de la sobretensión). Cuando estas sobretensiones llegan a equipos terminales como cajas de cables, transformadores o interruptores, pueden causar daños si el equipo no está adecuadamente protegido.
Ondas Viajeras en Líneas de Transmisión
Una línea de transmisión es un circuito de parámetros distribuidos, lo que significa que soporta la propagación de ondas de voltaje y corriente. En un circuito con parámetros distribuidos, el campo electromagnético se propaga a una velocidad finita. Operaciones como el conmutado y eventos como rayos no afectan todos los puntos del circuito simultáneamente. En cambio, sus efectos se extienden a través del circuito en forma de ondas viajeras y sobretensiones.

Cuando una línea de transmisión se conecta súbitamente a una fuente de voltaje mediante el cierre de un interruptor, toda la línea no se energiza instantáneamente. En otras palabras, el voltaje no aparece inmediatamente en el extremo lejano de la línea. Este fenómeno ocurre debido a la presencia de constantes distribuidas, es decir, inductancia (L) y capacitancia (C) en una línea sin pérdidas.

Considere una línea de transmisión larga con inductancia (L) y capacitancia (C) de parámetros distribuidos. Como se muestra en la figura siguiente, esta línea larga puede dividirse conceptualmente en secciones más pequeñas. Aquí, S representa el interruptor utilizado para iniciar o terminar sobretensiones durante las operaciones de conmutado. Cuando se cierra el interruptor, la inductancia L1 actúa inicialmente como un circuito abierto, mientras que la capacitancia C1 actúa como un circuito corto. En ese preciso momento, el voltaje en la sección siguiente no puede cambiar porque el voltaje a través del condensador C1 es inicialmente cero.

Por lo tanto, hasta que el condensador C1 se carga a un cierto nivel, es imposible cargar el condensador C2 a través del inductor L2, y este proceso de carga inevitablemente lleva tiempo. El mismo principio se aplica a la tercera, cuarta y siguientes secciones de la línea de transmisión. Como resultado, el voltaje en cada sección aumenta gradualmente. Esta acumulación gradual de voltaje a lo largo del conductor de transmisión puede visualizarse como una onda de voltaje que se propaga desde un extremo de la línea al otro. La onda de corriente asociada es responsable de este proceso de carga gradual. La onda de corriente, que viaja junto con la onda de voltaje, genera un campo magnético en el espacio circundante. Cuando estas ondas llegan a uniones y terminaciones dentro de la red eléctrica, sufren reflexión y refracción. En una red con numerosas líneas y uniones, una sola onda incidente puede iniciar múltiples ondas viajeras. A medida que las ondas se dividen y sufren múltiples reflexiones, el número de ondas aumenta significativamente. Sin embargo, es importante tener en cuenta que la energía total de las ondas resultantes nunca puede superar la energía de la onda incidente original, cumpliendo con la ley fundamental de conservación de la energía en sistemas eléctricos.