Reisende Wellen in Stromleitungen: Konzepte und Fehlerortung

Laufende Wellen auf Leitungen

Eine laufende Welle auf einer Leitung bezieht sich auf eine Spannungs- oder Stromwelle, die entlang der Leitung propagiert; sie wird auch als ein Spannungs- oder Stromsignal definiert, das entlang eines Leiters reist.

• Stationäre laufende Welle: Eine laufende Welle, die während des normalen Betriebs eines Systems entlang der Leitung propagiert und durch die Systemversorgung erzeugt wird.

• Übergangsliche laufende Welle: Eine plötzlich auftretende laufende Welle während des Systembetriebs, verursacht durch Erdfehler, Kurzschlussfehler, Drahtbrüche, Schaltvorgänge, Blitzschläge usw.

Prozess der Übergangslichen Laufenden Welle

Der Wellenprozess bezieht sich auf die Spannungs- und Stromwellen, die während des Übergangsprozesses eines Schaltkreises mit verteilten Parametern erzeugt werden, sowie den entsprechenden elektromagnetischen Wellenausbreitungsprozess; er kann auch als eine Flut von Spannungs- oder Stromsignalen beschrieben werden, die entlang der Leitung reisen.

• Spannungslaufwelle: Der Ladungsstrom, der das elektrische Feld der verteilten Kapazität der Leitung am Punkt, an dem der Strom ankommt, aufbaut.

• Stromlaufwelle: Der Ladungsstrom der verteilten Kapazität der Leitung.

Eine an einem bestimmten Punkt auf der Leitung gemessene laufende Welle ist die Überlagerung mehrerer laufender Wellenfluten.

Wellenimpedanz

Sie bezieht sich auf das Verhältnis der Amplituden zwischen einem Paar vorwärts- oder rückwärtsgerichteter Spannungs- und Stromwellen in einer Leitung, nicht jedoch auf das Verhältnis der momentanen Amplituden von Spannung und Strom an einem beliebigen Punkt.

Sie hängt mit der Struktur, dem Medium und dem Leitermaterial der Leitung selbst zusammen, aber nicht mit der Länge der Leitung. Die Wellenimpedanz von Freileitungen beträgt etwa 300–500 Ω; unter Berücksichtigung des Korona-Effekts verringert sich die Wellenimpedanz. Die Wellenimpedanz von Starkstromkabeln liegt bei etwa 10–40 Ω. Dies liegt daran, dass Kabelleitungen eine geringere Induktivität pro Längeneinheit (L₀) und eine größere Kapazität pro Längeneinheit (C₀) haben.

Wellengeschwindigkeit

Die Wellengeschwindigkeit wird nur durch die Eigenschaften des Mediums um den Draht bestimmt.

Bei Berücksichtigung von Verlusten (wie z.B. die Wellenimpedanz) hat dies keine Beziehung zur Leiterfläche oder zum Material. Für Freileitungen beträgt die magnetische Permeabilität 1, und die Dielektrizitätskonstante ist in der Regel 1. Für Kabelleitungen beträgt die magnetische Permeabilität 1, und die Dielektrizitätskonstante ist in der Regel 3 - 5. Bei Freileitungen liegt die Ausbreitungsgeschwindigkeit der laufenden Wellen im Bereich von 291 - 294 km/ms und wird in der Regel mit 292 km/ms angenommen; für vernetzte Polyethylenkabel beträgt sie etwa 170 m/μs.

Reflexion und Transmission

Laufende Wellen erzeugen Reflexion und Transmission an Impedanzdiskontinuitäten.

• Reflexionskoeffizienten für offene und kurze Schaltungen: Die Reflexionskoeffizienten von Spannung und Strom sind entgegengesetzt.

• Für eine offene Schaltung: der Spannungsreflexionskoeffizient beträgt 1, und der Stromreflexionskoeffizient beträgt -1.

• Für eine kurze Schaltung: der Spannungsreflexionskoeffizient beträgt -1, und der Stromreflexionskoeffizient beträgt 1.

• Transmissionskoeffizienten: Die Transmissionskoeffizienten von Spannung und Strom sind gleich.

Einfluss von Leitungsverlusten

Wenn die Überspannung auf einem Leiter seine Koronainzidenzspannung überschreitet, tritt ein Koronaphänomen mit energiedispersiven Effekten auf, was zu einer Reduzierung der Wellenamplitude und einer Verzerrung des Wellenformens führt.

Leitungsresistenzen führen dazu, dass die Amplitude der laufenden Wellen während der Übertragung abnimmt und ihre Steigerungsgeschwindigkeit verlangsamt wird.

Laufende Wellenkomponenten verschiedener Frequenzen haben unterschiedliche Dämpfungskoeffizienten und Ausbreitungsgeschwindigkeiten:

• Niederfrequenzkomponenten haben langsamere Geschwindigkeiten und geringere Dämpfung;

• Hochfrequenzkomponenten haben schnellere Geschwindigkeiten und höhere Dämpfung.

Die Geschwindigkeit nimmt mit der Frequenz zu und stabilisiert sich, wenn die Frequenz 1 kHz übersteigt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der laufenden Wellen auf Starkstromleitungen stabilisiert sich im Wesentlichen, wenn die Signal-Frequenz über 1 kHz liegt.

Ortung von Fehlern mittels Laufender Wellen

Die Hauptprinzipien der Ortung von Fehlern mittels laufender Wellen sind: Einseitiges Abstrecken (Typ A) und Zweiseitiges Abstrecken (Typ D).