Ondas viajeras en líneas de alimentación: Conceptos y localización de fallas

Ondas viajeras en líneas

Una onda viajera en una línea se refiere a una onda de voltaje o corriente que se propaga a lo largo de la línea; también se define como una señal de voltaje o corriente que viaja a lo largo de un conductor.

• Onda viajera en estado estable: Una onda viajera que se propaga a lo largo de la línea durante el funcionamiento normal del sistema, generada por el suministro de energía del sistema.

• Onda viajera transitoria: Una onda viajera que ocurre repentinamente durante el funcionamiento del sistema, causada por fallos a tierra, cortocircuitos, roturas de cables, operaciones de interruptores, rayos, etc.

Proceso de onda viajera transitoria

El proceso de onda se refiere a las ondas de voltaje y corriente generadas durante el proceso transitorio de un circuito de parámetros distribuidos, así como al correspondiente proceso de propagación de ondas electromagnéticas; también se puede describir como un aumento de señales de voltaje o corriente que viajan a lo largo de la línea.

• Onda viajera de voltaje: La corriente de carga que establece el campo eléctrico de la capacitancia distribuida de la línea en el punto donde llega la corriente.

• Onda viajera de corriente: La corriente de carga de la capacitancia distribuida de la línea.

Una onda viajera medida en un punto determinado de la línea es la superposición de múltiples aumentos de ondas viajeras.

Impedancia de onda

Se refiere a la relación entre las amplitudes de un par de ondas de voltaje y corriente en dirección directa o inversa en una línea, no a la relación entre las amplitudes instantáneas de voltaje y corriente en cualquier punto.

Está relacionada con la estructura, el medio y el material del conductor de la línea en sí, pero no tiene nada que ver con la longitud de la línea. La impedancia de onda de las líneas aéreas es aproximadamente de 300-500 Ω; considerando la influencia de la corona, la impedancia de onda disminuirá. La impedancia de onda de los cables de alimentación es de alrededor de 10-40 Ω. Esto se debe a que las líneas de cable tienen una inductancia menor por unidad de longitud (L₀) y una capacitancia mayor por unidad de longitud (C₀).

Velocidad de onda

La velocidad de la onda está determinada únicamente por las propiedades del medio que rodea al cable.

Al considerar las pérdidas, (características como la impedancia de onda) no tienen relación con el área del conductor o el material. Para las líneas aéreas, la permeabilidad magnética es 1, y la constante dieléctrica suele ser 1. Para las líneas de cable, la permeabilidad magnética es 1, y la constante dieléctrica suele ser 3 - 5. En las líneas aéreas, (la velocidad de propagación de las ondas viajeras) está en el rango de 291 - 294 km/ms, y generalmente se selecciona 292 km/ms; para los cables de polietileno reticulado, es aproximadamente 170 m/µs.

Reflexión y transmisión

Las ondas viajeras generan reflexión y transmisión en discontinuidades de impedancia.

• Coeficientes de reflexión para circuitos abiertos y cortocircuitados: Los coeficientes de reflexión de voltaje y corriente son opuestos.

• Para un circuito abierto: el coeficiente de reflexión de voltaje es 1, y el coeficiente de reflexión de corriente es -1.

• Para un cortocircuito: el coeficiente de reflexión de voltaje es -1, y el coeficiente de reflexión de corriente es 1.

• Coeficientes de transmisión: Los coeficientes de transmisión de voltaje y corriente son los mismos.

Influencia de las pérdidas en la línea

Cuando el sobrevoltaje en un conductor excede su voltaje de inicio de corona, ocurre un fenómeno de corona con efectos de disipación de energía, lo que resulta en una reducción de la amplitud de la onda y distorsión de la forma de onda.

La resistencia de la línea hace que la amplitud de las ondas viajeras disminuya y su velocidad de subida se ralentice durante la transmisión.

Los componentes de ondas viajeras de diferentes frecuencias tienen diferentes coeficientes de atenuación y velocidades de propagación:

• Los componentes de baja frecuencia tienen velocidades más lentas y menor atenuación;

• Los componentes de alta frecuencia tienen velocidades más rápidas y mayor atenuación.

La velocidad aumenta con la frecuencia y se estabiliza cuando la frecuencia supera los 1kHz. La velocidad de propagación de las ondas viajeras en las líneas de alimentación se estabiliza básicamente cuando la frecuencia de la señal es superior a 1kHz.

Localización de fallas mediante ondas viajeras

Los principios principales utilizados para la localización de fallas mediante ondas viajeras son: rango unidireccional (Tipo A) y rango bidireccional (Tipo D).