Onda Viajante

Definição
Uma onda viajante é uma onda transitória que cria uma perturbação e se propaga ao longo de uma linha de transmissão a uma velocidade constante. Este tipo de onda existe por um período curto (durando apenas alguns microssegundos), mas pode causar perturbações significativas na linha de transmissão. Ondas transitórias são geradas na linha de transmissão principalmente devido a operações como comutação, falhas e descargas atmosféricas.
Importância das Ondas Viajantes
As ondas viajantes desempenham um papel crucial na determinação das tensões e correntes em vários pontos do sistema de energia. Além disso, são instrumentais no projeto de isoladores, dispositivos de proteção, isolamento para equipamentos terminais e coordenação geral de isolamento no sistema de energia.
Especificações das Ondas Viajantes
Matematicamente, uma onda viajante pode ser representada de várias maneiras. É mais comumente representada na forma de uma onda retangular infinita ou uma onda degrau. Uma onda viajante é caracterizada por quatro atributos específicos, conforme ilustrado na figura abaixo.

• Características das Ondas Viajantes
  Crista: Isso representa a amplitude máxima da onda e é geralmente medida em quilovolts (kV) para ondas de tensão ou quilômetros (kA) para ondas de corrente.

• Frente: Refere-se à parte da onda que precede a crista. A duração da frente é medida como o intervalo de tempo do início da onda até o momento em que atinge seu valor de crista, geralmente expressa em milissegundos (ms) ou microssegundos (μs).

• Cauda: A cauda da onda abrange a parte que vem após a crista. É definida pelo tempo decorrido do início da onda até que a amplitude da onda diminua para 50% de seu valor de crista.
  Polaridade: Isso indica a polaridade da tensão de crista junto com seu valor numérico. Por exemplo, uma onda positiva com uma tensão de crista de 500 kV, uma duração de frente de 1 μs e uma duração de cauda de 25 μs seria denotada como +500/1,0/25,0.

Surtos
Um surto é um tipo específico de onda viajante que surge do movimento de cargas elétricas ao longo de um condutor. Surtos são caracterizados por um aumento muito rápido e acentuado na tensão (a frente acentuada), seguido por uma diminuição mais gradual na tensão (a cauda do surto). Quando esses surtos atingem equipamentos terminais, como caixas de cabo, transformadores ou quadros de distribuição, podem potencialmente causar danos se o equipamento não estiver adequadamente protegido.
Ondas Viajantes em Linhas de Transmissão
Uma linha de transmissão é um circuito de parâmetros distribuídos, o que significa que suporta a propagação de ondas de tensão e corrente. Em um circuito com parâmetros distribuídos, o campo eletromagnético se propaga a uma velocidade finita. Operações como comutação e eventos como descargas atmosféricas não afetam todos os pontos do circuito simultaneamente. Em vez disso, seus efeitos se espalham pelo circuito na forma de ondas viajantes e surtos.

Quando uma linha de transmissão é conectada repentinamente a uma fonte de tensão fechando um interruptor, toda a linha não fica energizada instantaneamente. Em outras palavras, a tensão não aparece imediatamente no extremo distante da linha. Este fenômeno ocorre devido à presença de constantes distribuídas, nomeadamente indutância (L) e capacitância (C) em uma linha sem perdas.

Considere uma linha de transmissão longa com indutância (L) e capacitância (C) de parâmetros distribuídos. Como ilustrado na figura abaixo, esta linha longa pode ser conceitualmente dividida em seções menores. Aqui, S representa o interruptor usado para iniciar ou encerrar surtos durante as operações de comutação. Quando o interruptor é fechado, a indutância L1 age inicialmente como um circuito aberto, enquanto a capacitância C1 age como um curto-circuito. Nesse exato momento, a tensão na seção subsequente não pode mudar porque a tensão através do capacitor C1 é inicialmente zero.

Portanto, até que o capacitor C1 seja carregado a um certo nível, é impossível carregar o capacitor C2 através do indutor L2, e este processo de carregamento inevitavelmente leva tempo. O mesmo princípio se aplica à terceira, quarta e seções subsequentes da linha de transmissão. Como resultado, a tensão em cada seção aumenta gradualmente. Este acúmulo gradual de tensão ao longo do condutor de transmissão pode ser visualizado como uma onda de tensão se propagando de um extremo da linha ao outro. A onda de corrente associada é responsável por este processo de carregamento gradual. A onda de corrente, que viaja em conjunto com a onda de tensão, gera um campo magnético no espaço circundante. Quando essas ondas atingem junções e terminações dentro da rede elétrica, sofrem reflexão e refração. Em uma rede com numerosas linhas e junções, uma única onda incidente pode iniciar múltiplas ondas viajantes. À medida que as ondas se dividem e sofrem múltiplas reflexões, o número de ondas aumenta significativamente. No entanto, é importante notar que a energia total das ondas resultantes nunca pode exceder a energia da onda incidente original, aderindo à lei fundamental de conservação de energia nos sistemas elétricos.