คลื่นเดินทาง

คำนิยาม
คลื่นเดินทางเป็นคลื่นชั่วขณะที่สร้างความรบกวนและแพร่กระจายไปตามสายส่งไฟฟ้าด้วยความเร็วคงที่ คลื่นประเภทนี้มีอยู่เพียงระยะเวลาสั้นๆ (เพียงไม่กี่ไมโครวินาที) แต่สามารถทำให้เกิดความรบกวนอย่างมากในสายส่งไฟฟ้า คลื่นชั่วขณะเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นในสายส่งไฟฟ้าโดยหลักจากการทำงาน เช่น การป้อน-ตัดวงจร การเกิดข้อผิดพลาด และการถูกฟ้าผ่า
ความสำคัญของคลื่นเดินทาง
คลื่นเดินทางมีบทบาทสำคัญในการกำหนดแรงดันและความเข้มกระแสไฟฟ้าที่จุดต่างๆ ภายในระบบไฟฟ้า นอกจากนี้ยังมีประโยชน์ในการออกแบบฉนวน วงจรป้องกัน ฉนวนสำหรับอุปกรณ์ปลายทาง และการประสานงานฉนวนโดยรวมในระบบไฟฟ้า
ข้อมูลจำเพาะของคลื่นเดินทาง
ทางคณิตศาสตร์ คลื่นเดินทางสามารถแสดงได้หลายวิธี โดยทั่วไปจะแสดงในรูปของคลื่นสี่เหลี่ยมยาวหรือคลื่นขั้นบันได คลื่นเดินทางมีลักษณะเฉพาะสี่ประการ ซึ่งแสดงไว้ในภาพด้านล่าง

• ลักษณะของคลื่นเดินทาง
  ยอด: หมายถึงแอมปลิจูดสูงสุดของคลื่น โดยมักวัดเป็นกิโลโวลต์ (kV) สำหรับคลื่นแรงดันหรือกิโลแอมแปร์ (kA) สำหรับคลื่นกระแส

• หน้าคลื่น: หมายถึงส่วนของคลื่นที่อยู่ก่อนยอด ระยะเวลาของหน้าคลื่นวัดเป็นช่วงเวลาจากจุดเริ่มต้นของคลื่นจนถึงจุดที่คลื่นถึงค่ายอด โดยมักแสดงเป็นมิลลิวินาที (ms) หรือไมโครวินาที (µs)

• หางคลื่น: หมายถึงส่วนของคลื่นที่อยู่หลังจากยอด กำหนดโดยระยะเวลาตั้งแต่จุดเริ่มต้นของคลื่นจนถึงเวลาที่แอมปลิจูดของคลื่นลดลงเหลือ 50% ของค่ายอด
  ขั้ว: ระบุขั้วของแรงดันยอดพร้อมค่าตัวเลข ตัวอย่างเช่น คลื่นบวกที่มียอดแรงดัน 500 kV ระยะเวลาหน้าคลื่น 1 µs และระยะเวลาหางคลื่น 25 µs จะแสดงเป็น +500/1.0/25.0

พุ่ง
พุ่งเป็นคลื่นเดินทางชนิดพิเศษที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าตามตัวนำ พุ่งมีลักษณะเฉพาะคือการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและชันของแรงดัน (หน้าคลื่นชัน) ตามด้วยการลดลงของแรงดันอย่างค่อยเป็นค่อยไป (หางคลื่น) เมื่อพุ่งเหล่านี้ถึงอุปกรณ์ปลายทาง เช่น กล่องสายเคเบิล เครื่องแปลงไฟฟ้า หรือสวิตช์เกียร์ หากอุปกรณ์เหล่านี้ไม่ได้รับการป้องกันอย่างเหมาะสม ก็อาจทำให้เกิดความเสียหายได้
คลื่นเดินทางบนสายส่งไฟฟ้า
สายส่งไฟฟ้าเป็นวงจรที่มีพารามิเตอร์กระจาย หมายความว่ารองรับการแพร่กระจายของคลื่นแรงดันและกระแส ในวงจรที่มีพารามิเตอร์กระจาย สนามแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจายด้วยความเร็วจำกัด การทำงานเช่น การป้อน-ตัดวงจรและการเกิดเหตุการณ์เช่น การถูกฟ้าผ่า ไม่ได้ส่งผลกระทบต่อจุดทั้งหมดของวงจรในเวลาเดียวกัน แต่ผลกระทบที่เกิดขึ้นแพร่กระจายไปตามวงจรในรูปแบบของคลื่นเดินทางและพุ่ง

เมื่อสายส่งไฟฟ้าถูกเชื่อมต่อกับแหล่งกำเนิดแรงดันโดยการปิดสวิตช์ สายส่งไฟฟ้าทั้งหมดจะไม่ได้รับพลังงานทันที กล่าวคือ แรงดันไม่ปรากฏทันทีที่ปลายสาย สภาวะนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการมีพารามิเตอร์กระจาย คือ อินดักแทนซ์ (L) และคาปาซิแทนซ์ (C) ในสายส่งที่ไม่มีการสูญเสีย

พิจารณาสายส่งไฟฟ้าที่ยาวมีอินดักแทนซ์ (L) และคาปาซิแทนซ์ (C) กระจาย ตามที่แสดงในภาพด้านล่าง สายส่งไฟฟ้าที่ยาวนี้สามารถแบ่งออกเป็นส่วนย่อยๆ ได้ S แทนสวิตช์ที่ใช้ในการเริ่มหรือหยุดพุ่งในการทำงานเมื่อสวิตช์ปิด อินดักแทนซ์ L1 ทำงานเสมือนวงจรเปิด ในขณะที่คาปาซิแทนซ์ C1 ทำงานเสมือนวงจรป้อน ณ จุดนั้น แรงดันที่ส่วนต่อไปไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้เนื่องจากแรงดันที่คาปาซิแทนซ์ C1 ตอนแรกเท่ากับศูนย์

ดังนั้น จนกว่าคาปาซิแทนซ์ C1 จะชาร์จได้ระดับหนึ่ง จึงไม่สามารถชาร์จคาปาซิแทนซ์ C2 ผ่านอินดักแทนซ์ L2 ได้ และกระบวนการชาร์จนี้ต้องใช้เวลา หลักการเดียวกันนี้นำไปใช้กับส่วนที่สาม ส่วนที่สี่ และส่วนต่อๆ ไปของสายส่งไฟฟ้า ผลคือ แรงดันที่แต่ละส่วนจะเพิ่มขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป กระบวนการสะสมแรงดันตามสายส่งไฟฟ้าสามารถมองเป็นคลื่นแรงดันที่แพร่กระจายจากปลายหนึ่งของสายไปยังปลายอื่น คลื่นกระแสที่เดินทางควบคู่กับคลื่นแรงดันสร้างสนามแม่เหล็กในบริเวณรอบๆ เมื่อคลื่นเหล่านี้ถึงจุดเชื่อมต่อและจุดสิ้นสุดในเครือข่ายไฟฟ้า จะเกิดการสะท้อนและหักเห ในเครือข่ายที่มีสายส่งและจุดเชื่อมต่อจำนวนมาก คลื่นเดินทางเพียงคลื่นเดียวสามารถเริ่มต้นคลื่นเดินทางหลายคลื่น เมื่อคลื่นเหล่านี้แยกและสะท้อนหลายครั้ง จำนวนคลื่นจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก อย่างไรก็ตาม ต้องทราบว่าพลังงานรวมของคลื่นที่เกิดขึ้นไม่เคยเกินพลังงานของคลื่นเดินทางที่มาถึง เนื่องจากกฎพื้นฐานของการอนุรักษ์พลังงานในระบบไฟฟ้า