32.4 : Übertragungsleitungen: Transienter Betrieb

Der Serienwiderstand und die Shunt-Leitfähigkeit von Übertragungsleitungen verursachen drei Haupteffekte: Dämpfung, Verzerrung und Leistungsverluste.

Dämpfung

Wenn ein konstanter Serienwiderstand und ein konstanter Shunt-Leitwert vorhanden sind, werden die Spannungs- und Stromgleichungen geändert. Die Ausbreitungskonstante gibt an, dass Spannungs- und Stromwellen sowohl aus vorwärts- als auch aus rückwärts laufenden Komponenten bestehen. Diese Wellen werden während ihrer Ausbreitung gedämpft, wobei der Dämpfungsfaktor mit dem Widerstand und dem Leitwert zusammenhängt. In einer verzerrungsfreien Leitung, bei der das Verhältnis von Widerstand zu Induktivität dem Verhältnis von Leitwert zu Kapazität entspricht, bleibt der Dämpfungsfaktor konstant. Wellen breiten sich aus, ohne ihre Form zu ändern, und nehmen nur in ihrer Stärke ab.

Verzerrung

Bei sinusförmigen stationären Wellen bestimmt die Ausbreitungskonstante sowohl die Phasengeschwindigkeit als auch die Dämpfung. Bei einer verlustfreien Leitung ist die Phasengeschwindigkeit konstant und es kommt zu keiner Dämpfung. Bei einer verzerrungsfreien Leitung bewegen sich Wellen aller Frequenzen mit konstanter Geschwindigkeit und gleichmäßiger Dämpfung, was für die Aufrechterhaltung der Signalintegrität über lange Distanzen entscheidend ist. Ab einer bestimmten Frequenz, bei praktischen Übertragungsleitungen typischerweise 1 MHz, verhalten sich die meisten Leitungen verzerrungsfrei.

Leistungsverluste

Leistungsverluste in Übertragungsleitungen resultieren aus Serienwiderstand und Shunt-Leitfähigkeit. Widerstandsbedingte Verluste entstehen durch Stromfluss durch die Leitung, während Spannung zwischen Leitern leitfähigkeitsbedingte Verluste verursacht. Solche Verluste können durch Isolatorlecks, Koronaeffekte in Freileitungen und dielektrische Verluste in Kabeln entstehen. Die Analyse von Transienten auf verlustbehafteten Leitungen mit konstanten Parametern – Widerstand, Induktivität, Leitfähigkeit und Kapazität – ist komplex, insbesondere unter Berücksichtigung von Skin-Effekten.

Überspannungen in Stromsystemen werden als Blitzüberspannungen, Schaltüberspannungen und Netzfrequenzüberspannungen klassifiziert. Blitze, eine der Hauptursachen, sind mit komplexen Wolkeninteraktionen verbunden. Ladungstrennung in Wolken, fallende Regentropfen mit negativen Ladungen und aufsteigende Luftströmungen mit positiven Ladungen tragen zur Entstehung von Blitzen bei. Wenn der Spannungsgradient die Durchschlagfestigkeit der Luft überschreitet, verbindet sich ein nach unten gerichteter Leiter mit einem nach oben gerichteten Leiter aus dem Boden und verursacht eine Überspannung.