موج سفری

تعریف
موج مسافر موجی موقت است که اختلال ایجاد می‌کند و با سرعت ثابت در طول خط انتقال حرکت می‌کند. این نوع موج فقط برای مدت کوتاه (فقط چند میکروثانیه) وجود دارد، اما می‌تواند اختلالات قابل توجهی در خط انتقال ایجاد کند. موج‌های موقت به طور اصلی به دلیل عملیات مانند جابجایی، خطاها و ضربات برق در خط انتقال ایجاد می‌شوند.
اهمیت موج‌های مسافر
موج‌های مسافر نقش مهمی در تعیین ولتاژ و جریان در نقاط مختلف سیستم برق دارند. علاوه بر این، آنها در طراحی عایق‌ها، دستگاه‌های محافظ، عایق‌بندی تجهیزات پایانه‌ای و هماهنگی کلی عایق‌بندی در سیستم برق موثر هستند.
مشخصات موج‌های مسافر
از نظر ریاضی، موج مسافر را می‌توان به چندین روش نمایش داد. به طور معمول به صورت یک موج مستطیلی نامحدود یا موج پله نمایش داده می‌شود. یک موج مسافر با چهار ویژگی خاص مشخص می‌شود، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

• ویژگی‌های موج‌های مسافر
  قمم: این بخش نشان‌دهنده حداکثر دامنه موج است و معمولاً به کیلوولت (kV) برای موج‌های ولتاژ یا کیلوآمپر (kA) برای موج‌های جریان اندازه‌گیری می‌شود.

• جلو: این بخش اشاره به قسمتی از موج که قبل از قممه قرار دارد. مدت زمان جلو با فاصله زمانی از شروع موج تا لحظه‌ای که مقدار قممه را می‌رساند اندازه‌گیری می‌شود، معمولاً به میلی‌ثانیه (ms) یا میکروثانیه (µs) بیان می‌شود.

• پشت: قسمت پشت موج شامل بخشی است که بعد از قممه قرار دارد. این بخش با فاصله زمانی از شروع موج تا زمانی که دامنه موج به ۵۰٪ از مقدار قممه خود کاهش یابد تعریف می‌شود.
  قطبیت: این بخش قطبیت ولتاژ قممه همراه با مقدار عددی آن را نشان می‌دهد. به عنوان مثال، یک موج مثبت با ولتاژ قممه ۵۰۰ kV، مدت زمان جلو ۱ µs و مدت زمان پشت ۲۵ µs به صورت +۵۰۰/۱.۰/۲۵.۰ نشان داده می‌شود.

رشد موج
رشد موج نوع خاصی از موج مسافر است که از حرکت بارهای الکتریکی در طول هادی ناشی می‌شود. رشد موج با افزایش بسیار سریع و تند ولتاژ (جلو تند) و کاهش تدریجی ولتاژ (پشت رشد) مشخص می‌شود. وقتی این رشد موج‌ها به تجهیزات پایانه‌ای مانند جعبه‌های کابل، ترانسفورماتورها یا دستگاه‌های جابجایی می‌رسند، می‌توانند در صورت عدم محافظت کافی تجهیزات، آسیب زدن.
موج‌های مسافر در خطوط انتقال
خط انتقال یک مدار با پارامترهای توزیع شده است که به این معناست که انتشار موج‌های ولتاژ و جریان را پشتیبانی می‌کند. در یک مدار با پارامترهای توزیع شده، میدان الکترومغناطیسی با سرعت محدود منتشر می‌شود. عملیات مانند جابجایی و حوادث مانند ضربات برق همزمان تمام نقاط مدار را تحت تأثیر قرار نمی‌دهند. بلکه تأثیرات آنها به صورت موج‌های مسافر و رشد موج‌ها در مدار گسترده می‌شوند.

وقتی یک خط انتقال به طور ناگهانی با بستن یک سوئیچ به منبع ولتاژ متصل می‌شود، کل خط فوراً انرژی‌گرفته نمی‌شود. به عبارت دیگر، ولتاژ فوراً در انتهای دور خط ظاهر نمی‌شود. این پدیده به دلیل وجود ثابت‌های توزیع شده، یعنی القای (L) و ظرفیت (C) در یک خط بدون اتلاف اتفاق می‌افتد.

یک خط انتقال طولانی با القای (L) و ظرفیت (C) توزیع شده را در نظر بگیرید. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، این خط طولانی می‌تواند به بخش‌های کوچکتر تقسیم شود. در اینجا S سوئیچی را نشان می‌دهد که برای شروع یا پایان دادن به رشد موج‌ها در عملیات جابجایی استفاده می‌شود. وقتی سوئیچ بسته می‌شود، القای L1 ابتدا به عنوان یک مدار باز عمل می‌کند، در حالی که ظرفیت C1 به عنوان یک مدار کوتاه عمل می‌کند. در آن لحظه، ولتاژ بخش بعدی نمی‌تواند تغییر کند زیرا ولتاژ روی ظرفیت C1 در ابتدا صفر است.

بنابراین، تا زمانی که ظرفیت C1 به حدی خاص شارژ نشده باشد، امکان شارژ کردن ظرفیت C2 از طریق القای L2 وجود ندارد و این فرآیند شارژ کردن حتماً زمان می‌برد. همین اصل برای بخش‌های سوم، چهارم و بعدی خط انتقال نیز صدق می‌کند. بنابراین، ولتاژ هر بخش به تدریج افزایش می‌یابد. این افزایش تدریجی ولتاژ در طول هادی می‌تواند به عنوان یک موج ولتاژ که از یک انتهای خط به انتهای دیگر آن منتقل می‌شود تصویرسازی شود. موج جریان مرتبط با این فرآیند شارژ کردن تدریجی است. موج جریان که با موج ولتاژ حرکت می‌کند، یک میدان مغناطیسی در فضای اطراف ایجاد می‌کند. وقتی این موج‌ها به اتصالات و پایانه‌های داخل شبکه برق می‌رسند، بازتاب و شکست می‌خورند. در یک شبکه با خطوط و اتصالات متعدد، یک موج ورودی می‌تواند موج‌های مسافر متعددی را شروع کند. با تجزیه و بازتاب‌های متعدد موج‌ها، تعداد موج‌ها به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. با این حال، باید توجه داشت که انرژی کلی موج‌های نتیجه‌ای هرگز نمی‌تواند بیشتر از انرژی موج اولیه باشد، که با قانون اساسی حفظ انرژی در سیستم‌های الکتریکی سازگار است.