Чому хвилі напруги та струму з’являються на лінії електропередачі під час короткого замикання
Я цього не розумію інтуїтивно. Коротке замикання просто означає, що немає імпедансу. Якщо імпеданс набагато менший, ніж імпеданс лінії електропередачі, хвилі повинні рухатися неконтрольовано через коротке замикання. Хвилі напруги та струму, відбиті назад, для мене не мають сенсу.
відповісти
Електромагнітна хвиля рухається вздовж лінії електропередачі. Це змінне в часі електричне та магнітне поле. Коли вал досягає короткого замикання, коротке замикання виконує правило, що V = 0 в цій точці. Це руйнує умови, за яких хвиля може продовжувати працювати. Оскільки електричне поле в цьому місці вже не може змінюватися з часом. Без цієї зміни часу хвиля не може рухатися далі.
І за збігом обставин це також створює умови, за яких хвиля може бути відображена.
Ви також можете поглянути на це з точки зору енергозбереження. Електромагнітна хвиля має енергію. Це насправді вид енергії подорожі. Коротке замикання не може розсіяти будь-яку енергію (якщо V = 0, потужність = 0). АЛЕ хвиля не може рухатися далі, як уже згадувалося раніше. Тож насправді немає нічого, крім роздумів.
Можна сказати, що коли хвиля потрапляє на навантаження в лінію електропередачі, будь-яка енергія, яка не надходить на навантаження, ПОВИННА відображатися з метою економії енергії. Звичайно, якщо навантаженням є антена, частина енергії буде випромінюватися в космос, але це насправді нічого не змінює. Антена змодельована як вид навантаження, а енергія, що випромінюється в простір, враховується резистором у моделі.
Лінія електропередачі іноді моделюється як серія зібраних елементів. З кожним крошечним збільшенням лінії з ним пов'язані однаково малі індуктивність та ємність.
Вузький імпульс, що рухається по лінії - скажімо, він просто проходить L4 - буде зберігатися в C4 і тепер проходитиме через L4 на шляху до завантаження C5. Проходячи через L4, він теж там зберігається. Струм індуктивності створює магнітне поле, яке накопичується, а потім руйнується, створюючи напругу, яка заряджає С5. Пульс триває таким чином по всій лінії.
Коли виникає коротке замикання, напруга наближається до нуля, а сила струму доходить до великого значення. Струм через індуктивність короткого замикання зберігає енергію в магнітному полі, і коли поле руйнується, струм продовжується (згідно із законом Ленца), але напруга на індукторі змінилася.
Після спроби дати пояснення без мотузок, рівнянь чи термінології Зоряного шляху, я повинен сказати, що аналогії мотузок дуже хороші. І є питання, подібне до цього, і у відповіді посилання на цей фільм Bell Labs, який демонструє дуже цікавого демонстратора хвиль. Я закликаю читачів це побачити.
Уявімо, що хвилі рухаються вздовж лінії електропередачі. Хвиля струму та хвиля напруги. Їх коефіцієнт - це імпеданс лінії V/I. Наприклад, хвиля 50 В і хвиля 1А, що рухаються вздовж лінії 50 Ом. Вони завжди рухаються разом і V = 50 * I в кожній точці.
Якщо вони стикаються з розімкнутою ланцюгом, струм там не може протікати. Отже, ви створюєте зворотну хвилю, щоб рух 1А назад відміняв хвилю 1А вперед, щоб створити нульові підсилювачі у розімкнутому ланцюзі (не запитуйте мене, як ця зворотна хвиля виникає, але спостерігається, що вона виникає). Ця зворотна хвиля також повинна мати складову напруги, яка також повинна становити 50 В, і вони складають до 100 В на іншому кінці. Хвиля 50 В 1А рухається по лінії назад до джерела.
Якщо вони потрапляють в коротке замикання, там не може бути напруги. Отже, ви створюєте зворотну хвилю, щоб 50 В відірвалося і створило 0 В на короткому замиканні. Хвиля 50 В 1А рухається по лінії назад до джерела.
Тепер ви можете бачити, що якщо лінія раптово змінить опір до 75 Ом, жодна хвиля 50 В 1А не зможе поширюватися вперед самостійно. Створюється невелика зворотна хвиля, тому якщо додати напругу і струм в точці переходу, пряма хвиля тепер буде підкорятися V = 75 * I, а зворотна хвиля буде мати значення.
Уявіть собі довгу мотузку, прикріплену до стіни. Кінець мотузки скручується, щоб створити «імпульс». Імпульс рухається уздовж мотузки, поки не потрапить у «стінку» або ВЗЛИК. (блукаюча поперечна хвиля)
На стіні мотузку не можна рухати (тобто точка без відхилення).
Те, що трапляється, полягає в тому, що рівна і протилежна реакція на `` стінці '' створює позафазний імпульс, який рухається в протилежному напрямку.
Генерується суперпозиція прямого та відбитого імпульсу унікальне рішення, що відхилення на стіні (або NODE) дорівнює нулю.
Це загальна властивість хвиль. У лінії електропередачі "стінка" - це коротке замикання, а "хвиля" - компонент електричного поля електромагнітної хвилі.
Ви намагаєтесь застосувати свою основну "інтуїцію Кірхоффа" до набагато складнішого явища.
Хвилі в ланцюзі можна правильно описати лише за допомогою рівнянь Максвелла. Закони Кірхгофа - це лише наближення рівнянь Максвелла, які працюють, коли хвилі мають довжину хвилі, набагато більшу за фізичні розміри ланцюга, тобто лише тоді, коли найвища частотна складова в сигналі набагато менша, ніж c/d, де c - швидкість світла, d - розмірність кола.
Це означає, що KVL і KCL застосовуються лише в тому випадку, якщо ланцюг працює в так званих квазістатичних умовах. За цих умов ви можете наблизити рівняння Максвелла та вилучити з них деякі доданки і розглядати проблему як електростатичну, так би мовити. В електростатиці ви можете визначити електростатичний потенціал, який безпосередньо пов’язаний із (статичним) електричним полем. Це дає визначення напруги. Електроенергію також легко визначити через щільність струму.
Коли ці спрощені припущення більше не виконуються, ви навіть не можете правильно визначити стрес. У зв'язку з лініями електропередачі напруга може бути змістовно визначена лише між двома точками на одній площині, перпендикулярною напрямку поширення. Це означає, що ви не можете виміряти напругу між точкою на верхньому проводі та іншою точкою, скажімо, в двох дюймах від іншого проводу (як це можна легко зробити, якщо KVL зупиниться).
Висновок: Киньте свій "спосіб мислення Кірхгофа", намагаючись зрозуміти лінії електропередач і розвинути "максвеллівський спосіб мислення".
У будь-якому випадку ця тема може дати вам більше розуміння в цьому напрямку.
РЕДАГУВАТИ (щоб відповісти на коментар)
Здоровий глузд у цій галузі не застосовується (каламбур). Ви можете уникнути дуже недосконалої аналогії (і про це посилання, яке я розмістив вище, або інші відповіді в цій темі), але це все. Існує причина, через яку людству знадобилися тисячоліття, щоб зрозуміти і пояснити електромагнітні явища (статична електрика була відома експериментально ще з часів Стародавньої Греції, не кажучи вже про блискавку та її наслідки). Якби ці явища було легко сприйняти здоровим глуздом, для їх розуміння не потрібно було б мудреців та вчених.
Імпеданс/опір як елемент, в якому протікає струм, - це поняття, тісно пов'язане із законами Кірхгофа та аналізом ланцюгових контурів.
У теорії ЕМ імпеданс має зовсім інше значення: він не пов’язує напругу зі струмом, а більш-менш (махає рукою) Е-поле з Н-полем.
Поля не протікають як струми або існують як напруги в двох точках. Розуміння, як саме, чому і коли поширюються поля, вимагає тонн передової математики. Рівняння Максвелла - це ІМО, концептуально найскладніший предмет у фізиці, з яким повинен мати справу інженер-електрик під час університетської освіти (квантова механіка та фізика твердого тіла).