موج مسافر

تعریف
امواج مسافر امواج کوتاه‌مدت هستند که اختلال ایجاد می‌کنند و با سرعت ثابت در طول خط انتقال حرکت می‌کنند. این نوع امواج فقط برای مدت کوتاه (فقط چند میکروثانیه) وجود دارند، اما می‌توانند اختلالات قابل توجهی در خط انتقال ایجاد کنند. امواج موقت در خط انتقال عمدتاً به دلیل عملیاتی مانند جابجایی، خرابی‌ها و ضربات برق ایجاد می‌شوند.
اهمیت امواج مسافر
امواج 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 امواج مسافر
از نظر ریاضی، امواج مسافر را می‌توان به چندین شکل نمایش داد. معمولاً به صورت یک موج مستطیلی نامحدود یا یک موج پله‌ای نمایش داده می‌شود. یک موج مسافر با چهار ویژگی خاص مشخص می‌شود، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

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

• قسمت جلو: به بخشی از موج گفته می‌شود که قبل از قممه قرار دارد. مدت زمان این بخش به عنوان فاصله زمانی از شروع موج تا زمانی که موج به مقدار قممه خود می‌رسد، معمولاً به میلی‌ثانیه (ms) یا میکروثانیه (µs) بیان می‌شود.

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

جریان‌های فشاری
جریان فشاری نوع خاصی از امواج مسافر است که از حرکت بارهای الکتریکی در طول هادی ایجاد می‌شود. جریان‌های فشاری با افزایش بسیار سریع و تند ولتاژ (قسمت جلو تند) و دنباله‌ای کندتر (قسمت دنباله جریان فشاری) مشخص می‌شوند. وقتی این جریان‌های فشاری به تجهیزات پایانه‌ای مانند جعبه‌های کابل، ترانسفورماتورها یا دستگاه‌های کلیدزنی می‌رسند، می‌توانند در صورت عدم محافظت مناسب تجهیزات، آسیب‌رسان باشند.
امواج مسافر در خطوط انتقال
خط انتقال یک مدار پارامترهای توزیع شده است که به معنای پشتیبانی از انتشار موج‌های ولتاژ و جریان است. در یک مدار با پارامترهای توزیع شده، میدان الکترومغناطیسی با سرعت محدود منتشر می‌شود. عملیات مانند جابجایی و حوادث مانند ضربات برق تمام نقاط مدار را به طور همزمان تحت تأثیر قرار نمی‌دهند. بلکه اثرات آنها به صورت امواج مسافر و جریان‌های فشاری در مدار گسترش می‌یابند.

وقتی یک خط انتقال به طور ناگهانی با بستن یک کلید به یک منبع ولتاژ متصل می‌شود، کل خط به طور فوری تغذیه نمی‌شود. به عبارت دیگر، ولتاژ به طور فوری در انتهای دور خط ظاهر نمی‌شود. این پدیده به دلیل وجود مقادیر توزیع شده، یعنی القای (L) و ظرفیت (C) در یک خط بدون تلفات رخ می‌دهد.

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

بنابراین، تا زمانی که ظرفیت C1 به سطح خاصی شارژ شود، امکان شارژ کردن ظرفیت C2 از طریق القای L2 وجود ندارد و این فرآیند شارژ کردن حتماً زمان می‌برد. همین اصل برای سومین، چهارمین و بخش‌های بعدی خط انتقال نیز صدق می‌کند. بنابراین، ولتاژ در هر بخش به تدریج افزایش می‌یابد. این افزایش تدریجی ولتاژ در طول هادی انتقال می‌تواند به عنوان یک موج ولتاژی که از یک انتهای خط به انتهای دیگر منتقل می‌شود، تصور شود. موج جریان مرتبط با این فرآیند شارژ کردن تدریجی می‌باشد. موج جریان که با موج ولتاژ همراه حرکت می‌کند، یک میدان مغناطیسی در فضای اطراف ایجاد می‌کند. وقتی این امواج به تقاطع‌ها و پایانه‌های شبکه الکتریکی می‌رسند، بازتاب و شکست می‌یابند. در یک شبکه با خطوط و تقاطع‌های متعدد، یک موج واقعی می‌تواند چندین موج مسافر را آغاز کند. با تقسیم و بازتاب‌های چندگانه امواج، تعداد امواج به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. اما باید توجه داشت که انرژی کل امواج نتیجه‌ای هرگز نمی‌تواند از انرژی موج اولیه بیشتر باشد و این به قانون اساسی حفظ انرژی در سیستم‌های الکتریکی مطابقت دارد.