Хвильовий процес

Визначення
Хвильовий процес — це трансієнтна хвиля, яка створює збурення і поширюється вздовж лінії передачі з постійною швидкістю. Цей тип хвилі існує короткий період (тільки кілька мікросекунд), але може викликати значні збурення на лінії передачі. Трансієнтні хвилі генеруються на лінії передачі переважно через операції, такі як комутація, аварії та удар молонії.
Значущість хвильових процесів
Хвильові процеси грають ключову роль у визначенні напруг та струмів в різних точках електроенергетичної системи. Окрім того, вони є важливими для проектування ізоляторів, захисних пристроїв, ізоляції термінального обладнання та загальної координації ізоляції в електроенергетичній системі.
Специфікації хвильових процесів
Математично хвильовий процес може бути представлений різними способами. Найчастіше його зображують у формі нескінченної прямокутної хвилі або ступінчастої хвилі. Хвильовий процес характеризується чотирма конкретними атрибутами, як показано на малюнку нижче.

• Характеристики хвильових процесів
  Вершина: це максимальна амплітуда хвилі, яка зазвичай вимірюється в кіловольтах (кВ) для напружень або кілоамперах (кА) для струмів.

• Фронт: це частина хвилі, яка передує вершині. Тривалість фронту вимірюється як інтервал часу від початку хвилі до моменту, коли вона досягає свого максимального значення, зазвичай виражається в мілісекундах (мс) або мікросекундах (µс).

• Хвіст: хвіст хвилі охоплює частину, яка йде після вершини. Він визначається тривалістю часу від початку хвилі до моменту, коли амплітуда хвилі зменшується до 50% від її максимального значення.
  Полярність: це вказує на полярність напруги вершини разом з її числовим значенням. Наприклад, додатна хвиля з напругою вершини 500 кВ, тривалістю фронту 1 µс і тривалістю хвоста 25 µс буде позначена як +500/1.0/25.0.

Перехідні процеси
Перехідний процес — це специфічний тип хвильового процесу, який виникає через рух електричних зарядів вздовж провідника. Перехідні процеси характеризуються дуже швидким і крутизновитим зростанням напруги (крутим фронтом), яке супроводжується більш поступовим зниженням напруги (хвістом перехідного процесу). Коли ці перехідні процеси досягають термінального обладнання, такого як коробки кабелів, трансформатори або комутаційне обладнання, вони можуть потенційно завдати шкоди, якщо обладнання не захищене належним чином.
Хвильові процеси на лініях передачі
Лінія передачі — це розподілена параметрична схема, що означає, що вона підтримує поширення хвиль напруги та струму. У схемах з розподіленими параметрами електромагнітне поле поширюється зі скінченою швидкістю. Операції, такі як комутація, та події, такі як удар молонії, не впливають на всі точки схеми одночасно. Замість цього, їхні ефекти поширюються по схемі у формі хвильових процесів та перехідних процесів.

Коли лінія передачі раптово підключається до джерела напруги шляхом замикання перемикача, вся лінія не заряджується моментально. Іншими словами, напруга не з'являється негайно на кінцевій частині лінії. Це явище відбувається через наявність розподілених констант, а саме індуктивності (L) та ємності (C) в безвтратній лінії.

Розглянемо довгу лінію передачі з розподіленими параметрами індуктивності (L) та ємності (C). Як показано на малюнку нижче, цю довгу лінію можна концептуально розділити на менші секції. Тут S представляє перемикач, який використовується для ініціювання або припинення перехідних процесів під час комутації. Коли перемикач замиканий, індуктивність L1 спочатку діє як відкрите коло, тоді як ємність C1 діє як короткозамкнення. Саме в цей момент напруга на наступній секції не може змінитися, оскільки напруга на ємності C1 спочатку дорівнює нулю.

Тому, поки ємність C1 не зарядиться до певного рівня, неможливо зарядити ємність C2 через індуктивність L2, і цей процес зарядки неодмінно займає час. Цей принцип застосовується до третьої, четвертої та наступних секцій лінії передачі. В результаті напруга на кожній секції поступово збільшується. Цей поступовий рост напруги вздовж провідника можна уявити як хвилю напруги, яка поширюється від одного кінця лінії до іншого. Пов'язана з цим хвиля струму відповідає за цей поступовий процес зарядки. Хвиля струму, яка поширюється разом з хвилею напруги, генерує магнітне поле в оточуючому просторі. Коли ці хвилі досягають розгалужень та кінцівок в електричній мережі, вони піддаються відбиттю та преломленню. У мережі з багатьма лініями та розгалуженнями одна інцидентна хвиля може ініціювати кілька хвильових процесів. Коли хвилі розпадаються та піддаються кількох відбиттів, кількість хвиль значно збільшується. Однак, важливо зазначити, що загальна енергія результатних хвиль ніколи не може перевищити енергію оригінальної інцидентної хвилі, що відповідає основному закону збереження енергії в електричних системах.