Fala biegnąca

Definicja
Fala biegnąca to przejściowa fala, która tworzy zakłócenia i rozprzestrzenia się wzdłuż linii przesyłowej z stałą prędkością. Ten typ fali istnieje przez krótki okres (tylko kilka mikrosekund), jednak może powodować znaczne zakłócenia w linii przesyłowej. Fale przejściowe generowane są w linii przesyłowej głównie w wyniku czynności takich jak przełączanie, uszkodzenia i uderzenia piorunów.
Znaczenie fal biegnących
Fale biegnące odgrywają kluczową rolę w określaniu napięć i prądów w różnych punktach systemu energetycznego. Ponadto są one niezwykle ważne w projektowaniu izolatorów, urządzeń ochronnych, izolacji dla urządzeń końcowych oraz ogólnej koordynacji izolacji w systemie energetycznym.
Specyfikacja fal biegnących
Matematycznie fale biegnące mogą być reprezentowane na wiele sposobów. Najczęściej przedstawiane są w formie nieskończonej prostokątnej fali lub fali skokowej. Falę biegnącą charakteryzują cztery konkretne cechy, jak pokazano na rysunku poniżej.

• Cechy fal biegnących
  Szczyt: Reprezentuje on maksymalną amplitudę fali i jest zwykle mierzony w kilowoltach (kV) dla fal napięciowych lub kiloamperach (kA) dla fal prądowych.

• Front: Odnosi się do części fali poprzedzającej szczyt. Czas trwania frontu mierzony jest jako interwał czasowy od początku fali do momentu osiągnięcia wartości szczytowej, zwykle wyrażany w milisekundach (ms) lub mikrosekundach (μs).

• Ogon: Ogon fali obejmuje część następującą po szczycie. Jest definiowany przez czas upływający od początku fali do momentu, gdy amplituda fali spada do 50% jej wartości szczytowej.
  Polarność: Wskazuje ona polarność napięcia szczytowego wraz z jego wartością numeryczną. Na przykład, dodatnia fala o napięciu szczytowym 500 kV, czasie trwania frontu 1 μs i czasie trwania ogona 25 μs oznaczana byłaby jako +500/1.0/25.0.

Przepięcia
Przepięcie to specyficzny rodzaj fali biegnącej, który powstaje w wyniku ruchu ładunków elektrycznych wzdłuż przewodnika. Przepięcia charakteryzują się bardzo szybkim i stromym wzrostem napięcia (stromy front), po którym następuje bardziej stopniowy spadek napięcia (ogon przepięcia). Gdy te przepięcia docierają do urządzeń końcowych, takich jak skrzynki kablowe, transformatory lub urządzenia przełączające, mogą potencjalnie powodować uszkodzenia, jeśli urządzenia nie są odpowiednio chronione.
Fale biegnące na liniach przesyłowych
Linia przesyłowa to obwód o parametrach rozłożonych, co oznacza, że wspiera ona propagację fal napięciowych i prądowych. W obwodzie o parametrach rozłożonych pole elektromagnetyczne rozprzestrzenia się z skończoną prędkością. Operacje, takie jak przełączanie, oraz zjawiska, takie jak uderzenia piorunów, nie wpływają jednocześnie na wszystkie punkty obwodu. Zamiast tego ich efekty rozprzestrzeniają się w obwodzie w postaci fal biegnących i przepięć.

Gdy linia przesyłowa zostaje nagle podłączona do źródła napięcia przez zamknięcie przełącznika, cała linia nie zostaje natychmiast zenergowana. Innymi słowy, napięcie nie pojawia się natychmiast na drugim końcu linii. To zjawisko występuje z powodu obecności parametrów rozłożonych, takich jak indukcyjność (L) i pojemność (C) w linii bez strat.

Rozważmy długą linię przesyłową o parametrach rozłożonych indukcyjności (L) i pojemności (C). Jak pokazano na rysunku poniżej, tę długą linię można koncepcyjnie podzielić na mniejsze sekcje. Tutaj S reprezentuje przełącznik używany do inicjowania lub zatrzymywania przepięć podczas operacji przełączania. Gdy przełącznik jest zamknięty, indukcyjność L1 początkowo działa jako otwarty obwód, podczas gdy pojemność C1 działa jako obwód zwarty. W tym momencie napięcie w kolejnej sekcji nie może się zmienić, ponieważ napięcie na kondensatorze C1 jest początkowo zerowe.

Dlatego dopóki kondensator C1 nie zostanie naładowany do pewnego poziomu, nie jest możliwe naładowanie kondensatora C2 przez induktor L2, a ten proces ładowania nieuchronnie wymaga czasu. Ta sama zasada dotyczy trzeciej, czwartej i kolejnych sekcji linii przesyłowej. W rezultacie napięcie w każdej sekcji stopniowo rośnie. To stopniowe narastanie napięcia wzdłuż przewodnika przesyłowego można wyobrazić sobie jako falę napięciową rozchodzącą się od jednego końca linii do drugiego. Powiązana fala prądowa odpowiada za ten stopniowy proces ładowania. Fala prądowa, która podróżuje razem z falą napięciową, generuje pole magnetyczne w otaczającej przestrzeni. Gdy te fale docierają do węzłów i końcówek w sieci elektrycznej, ulegają odbiciu i załamaniu. W sieci z wieloma liniami i węzłami, pojedyncza fala incydentalna może zapoczątkować wiele fal biegnących. Gdy fale dzielą się i ulegają wielokrotnym odbiciom, liczba fal znacznie rośnie. Należy jednak pamiętać, że całkowita energia wynikających fal nigdy nie może przekroczyć energii oryginalnej fali incydentalnej, co jest zgodne z podstawowym prawem zachowania energii w systemach elektrycznych.