موج‌های مسافر در خطوط برق: مفاهیم و مکان‌یابی خطا

موج‌های مسافر در خطوط

یک موج مسافر در یک خط به موج ولتاژ یا جریانی اشاره دارد که در طول خط پخش می‌شود؛ همچنین به عنوان سیگنال ولتاژ یا جریانی تعریف می‌شود که در طول رسانه حرکت می‌کند.

• موج مسافر حالت پایدار: موج مسافری که در طول خط در زمان عملکرد عادی سیستم، توسط منبع تغذیه سیستم ایجاد می‌شود.

• موج مسافر موقت: موج مسافری که ناگهان در طول عملکرد سیستم رخ می‌دهد و باعث آن خطاهاي زمینی، خطاهاي کوتاه مداری، قطع سیم، عملیات شیرها، ضربه برق از جمله گرفتاری‌ها است.

فرآیند موج مسافر موقت

فرآیند موج به موج‌های ولتاژ و جریانی اشاره دارد که در طول فرآیند موقت مداری با پارامترهای توزیع شده تولید می‌شوند، همچنین به فرآیند انتشار موج الکترومغناطیسی متناظر؛ می‌تواند به عنوان افزایش سیگنال‌های ولتاژ یا جریانی که در طول خط حرکت می‌کنند توصیف شود.

• موج ولتاژ مسافر: جریان شارژی که میدان الکتریکی ظرفیت توزیع شده خط را در نقطه رسیدن جریان برقرار می‌کند.

• موج جریان مسافر: جریان شارژی ظرفیت توزیع شده خط.

موج مسافری که در یک نقطه خاص روی خط اندازه‌گیری می‌شود، برپایه اضافه شدن چندین موج مسافری است.

امپدانس موج

به نسبت دامنه‌های میان یک جفت موج ولتاژ یا جریانی در جهت مستقیم یا معکوس در یک خط اشاره دارد، نه نسبت دامنه‌های لحظه‌ای ولتاژ و جریان در هر نقطه.

با ساختار، محیط و ماده رسانه خط خود مرتبط است، اما با طول خط هیچ ارتباطی ندارد. امپدانس موج خطوط هوایی حدود ۳۰۰-۵۰۰ اهم است؛ با در نظر گرفتن تأثیر کرونای الکتریکی، امپدانس موج کاهش می‌یابد. امپدانس موج خطوط کابلی بین ۱۰-۴۰ اهم است. این به دلیل داشتن مقادیر کوچکتر از القای واحد طول (L₀) و مقادیر بزرگتر از ظرفیت واحد طول (C₀) در خطوط کابلی است.

سرعت موج

سرعت موج فقط توسط خواص محیط اطراف سیم تعیین می‌شود.

در نظر گرفتن تلفات، (خصوصیاتی مانند امپدانس موج) هیچ ارتباطی با مساحت یا ماده رسانه ندارد. برای خطوط هوایی، نفوذپذیری مغناطیسی ۱ است و ثابت دی الکتریک معمولاً ۱ است. برای خطوط کابلی، نفوذپذیری مغناطیسی ۱ است و ثابت دی الکتریک معمولاً ۳-۵ است. در خطوط هوایی، (سرعت انتشار موج‌های مسافر) در محدوده ۲۹۱-۲۹۴ کیلومتر بر میلی‌ثانیه است و معمولاً ۲۹۲ کیلومتر بر میلی‌ثانیه انتخاب می‌شود؛ برای کابل‌های پلی‌اتیلن صلب‌شده، حدود ۱۷۰ متر بر میکروثانیه است.

بازتاب و انتقال

موج‌های مسافر بازتاب و انتقال را در نقاط ناپیوستگی امپدانس ایجاد می‌کنند.

• ضرایب بازتاب برای مدار باز و کوتاه: ضرایب بازتاب ولتاژ و جریان مخالف هستند.

• برای مدار باز: ضریب بازتاب ولتاژ ۱ است و ضریب بازتاب جریان -۱ است.

• برای مدار کوتاه: ضریب بازتاب ولتاژ -۱ است و ضریب بازتاب جریان ۱ است.

• ضرایب انتقال: ضرایب انتقال ولتاژ و جریان یکسان هستند.

تأثیر تلفات خط

وقتی ولتاژ بیش از حد روی رسانه از ولتاژ آغاز کرونای الکتریکی آن فراتر می‌رود، پدیده کرونا با اثرات مصرف انرژی رخ می‌دهد که منجر به کاهش دامنه موج و تحریف شکل موج می‌شود.

مقاومت خط باعث کاهش دامنه موج‌های مسافر و کندی سرعت بالاروی آن‌ها در حین انتقال می‌شود.

مؤلفه‌های موج مسافر با فرکانس‌های مختلف دارای ضرایب تضعیف و سرعت‌های انتشار متفاوت هستند:

• مؤلفه‌های فرکانس پایین سرعت‌های کمتر و تضعیف کمتری دارند؛

• مؤلفه‌های فرکانس بالا سرعت‌های بیشتر و تضعیف بیشتری دارند.

سرعت با فرکانس افزایش می‌یابد و وقتی فرکانس بیش از ۱ کیلوهرتز می‌شود پایدار می‌شود. سرعت انتشار موج‌های مسافر در خطوط توان وقتی فرکانس سیگنال بیش از ۱ کیلوهرتز است پایدار می‌شود.

تعیین موقعیت خطا با موج مسافر

اصلی‌ترین اصول استفاده شده برای تعیین موقعیت خطا با موج مسافر عبارتند از: تعیین محدوده تک‌طرفه (نوع A) و تعیین محدوده دو‌طرفه (نوع D).