Onda Viaggiante

Definizione
Un'onda viaggia è un'onda transitoria che crea una perturbazione e si propaga lungo una linea di trasmissione a velocità costante. Questo tipo di onda esiste per un breve periodo (solo pochi microsecondi), ma può causare significative perturbazioni nella linea di trasmissione. Le onde transitorie vengono generate nella linea di trasmissione principalmente a causa di operazioni come commutazioni, guasti e colpi di fulmine.
Significato delle onde viaggianti
Le onde viaggianti svolgono un ruolo cruciale nella determinazione dei valori di tensione e corrente in vari punti del sistema elettrico. Inoltre, sono strumentali nel progetto di isolatori, dispositivi di protezione, isolamento per apparecchiature terminali e coordinazione complessiva dell'isolamento nel sistema elettrico.
Specifiche delle onde viaggianti
Matematicamente, un'onda viaggiante può essere rappresentata in più modi. È più comunemente descritta sotto forma di onda rettangolare infinita o onda a gradino. Un'onda viaggiante è caratterizzata da quattro attributi specifici, come illustrato nella figura sottostante.

• Caratteristiche delle onde viaggianti
  Cresta: Rappresenta l'ampiezza massima dell'onda e viene solitamente misurata in chilovolt (kV) per le onde di tensione o in chilooamperi (kA) per le onde di corrente.

• Fronte: Si riferisce alla parte dell'onda che precede la cresta. La durata del fronte è misurata come l'intervallo di tempo dall'inizio dell'onda al momento in cui raggiunge il suo valore di cresta, solitamente espresso in millisecondi (ms) o microsecondi (μs).

• Coda: La coda dell'onda comprende la porzione che segue la cresta. È definita dal tempo trascorso dall'inizio dell'onda fino a quando l'ampiezza dell'onda diminuisce al 50% del suo valore di cresta.
  Polarità: Indica la polarità della tensione di cresta insieme al suo valore numerico. Ad esempio, un'onda positiva con una tensione di cresta di 500 kV, una durata del fronte di 1 μs e una durata della coda di 25 μs sarebbe indicata come +500/1.0/25.0.

Onde impulsive
Un'onda impulsiva è un tipo specifico di onda viaggiante che si genera dal movimento di cariche elettriche lungo un conduttore. Le onde impulsive sono caratterizzate da un aumento molto rapido e ripido della tensione (il fronte ripido), seguito da una diminuzione più graduale della tensione (la coda dell'onda impulsiva). Quando queste onde impulsive raggiungono apparecchiature terminali come scatole di cavi, trasformatori o apparati di manovra, possono potenzialmente causare danni se l'apparecchiatura non è adeguatamente protetta.
Onde viaggianti sulle linee di trasmissione
Una linea di trasmissione è un circuito a parametri distribuiti, il che significa che supporta la propagazione di onde di tensione e corrente. In un circuito con parametri distribuiti, il campo elettromagnetico si propaga a una velocità finita. Operazioni come la commutazione e eventi come i colpi di fulmine non influiscono su tutti i punti del circuito simultaneamente. Al contrario, i loro effetti si diffondono nel circuito sotto forma di onde viaggianti e onde impulsive.

Quando una linea di trasmissione viene improvvisamente collegata a una sorgente di tensione chiudendo un interruttore, l'intera linea non si carica istantaneamente. In altre parole, la tensione non appare immediatamente all'estremità opposta della linea. Questo fenomeno si verifica a causa della presenza di costanti distribuite, ovvero induttanza (L) e capacità (C) in una linea senza perdite.

Consideriamo una linea di trasmissione lunga con induttanza (L) e capacità (C) a parametri distribuiti. Come illustrato nella figura sottostante, questa linea lunga può essere concettualmente divisa in sezioni più piccole. Qui, S rappresenta l'interruttore utilizzato per avviare o terminare le onde impulsive durante le operazioni di commutazione. Quando l'interruttore viene chiuso, l'induttanza L1 agisce inizialmente come un circuito aperto, mentre la capacità C1 agisce come un cortocircuito. In quel preciso momento, la tensione nella sezione successiva non può cambiare perché la tensione sul condensatore C1 è inizialmente zero.

Pertanto, finché il condensatore C1 non viene caricato a un certo livello, non è possibile caricare il condensatore C2 attraverso l'induttore L2, e questo processo di caricamento richiede inevitabilmente tempo. Lo stesso principio si applica alla terza, quarta e alle successive sezioni della linea di trasmissione. Di conseguenza, la tensione in ogni sezione aumenta gradualmente. Questo accumulo graduale di tensione lungo il conduttore di trasmissione può essere visualizzato come un'onda di tensione che si propaga da un'estremità all'altra della linea. L'onda associata di corrente è responsabile di questo processo di caricamento graduale. L'onda di corrente, che viaggia in tandem con l'onda di tensione, genera un campo magnetico nello spazio circostante. Quando queste onde raggiungono giunzioni e terminazioni all'interno della rete elettrica, subiscono riflessione e rifrazione. In una rete con numerose linee e giunzioni, un'unica onda incidente può iniziare multiple onde viaggianti. Mentre le onde si dividono e subiscono molteplici riflessioni, il numero di onde aumenta significativamente. Tuttavia, è importante notare che l'energia totale delle onde risultanti non può mai superare l'energia dell'onda incidente originale, rispettando la legge fondamentale della conservazione dell'energia nei sistemi elettrici.