Name: signal attenuation and power losses
Uploaded: 2024-11-21T14:54:41.000Z
Duration: 1 min 22 s
Channel: JoVE

Les signaux électriques sur une ligne font face à la résistance et à la conductance, provoquant une atténuation.
Dans un circuit monophasé à deux fils, l’incorporation d’une résistance série constante et d’une conductance shunt modifie les équations de tension et de courant, qui peuvent être résolues à l’aide de la transformée de Laplace et de la constante de propagation.
Pour les lignes sans distorsion, où le rapport entre la résistance et l’inductance est égal au rapport entre la conductance et la capacité, les équations sont réécrites à l’aide de delta et de sigma, décrivant les ondes progressives vers l’avant et vers l’arrière avec une atténuation constante.
Pour les ondes sinusoïdales à l’état stationnaire, la constante de propagation est révisée.
Les lignes sans perte, avec une résistance et une conductance nulles, ne subissent aucune atténuation, ce qui permet aux ondes de se déplacer à vitesse constante.
Les pertes de puissance se produisent en raison de la résistance et de la conductance du circuit.
La résistance provoque des pertes dues au flux de courant, tandis que les pertes de conductance sont liées à la tension aux bornes des conducteurs, principalement à cause des fuites d’isolants, des effets corona et des pertes diélectriques dans les câbles.
Les surtensions résultent de la foudre, de surtensions de commutation ou d'une surtension de fréquence d'alimentation, dépassant la limite de tension du circuit.

lignes de transmission: fonctionnement transitoire

Lossy Lines and Overvoltages

La résistance série des lignes de transmission et la conductance shunt provoquent trois effets principaux: l’atténuation, la distorsion et les pertes de puissance.

Atténuation

Lorsque la résistance série et la conductance shunt sont constantes, les équations de tension et de courant sont modifiées. La constante de propagation indique que les ondes de tension et de courant sont constituées de composantes se déplaçant vers l'avant et vers l'arrière. Ces ondes s'atténuent à mesure qu'elles se propagent, le facteur d'atténuation étant lié à la résistance et à la conductance. Dans une ligne sans distorsion, où le rapport résistance/inductance est égal au rapport conductance/capacité, le facteur d'atténuation reste constant. Les ondes se déplacent sans changer de forme, leur amplitude diminuant seulement.

Distorsion

Pour les ondes sinusoïdales en régime permanent, la constante de propagation détermine à la fois la vitesse de phase et l'atténuation. Dans une ligne sans perte, la vitesse de phase est constante, sans atténuation. Dans une ligne sans distorsion, les ondes de toutes les fréquences se déplacent à une vitesse constante avec une atténuation uniforme, essentielle pour maintenir l'intégrité du signal sur de longues distances. Au-dessus d'une certaine fréquence, généralement 1 MHz pour les lignes de transmission pratique, la plupart des lignes se comportent comme sans distorsion.

Pertes de puissance

Les pertes de puissance dans les lignes de transmission résultent de la résistance série et de la conductance shunt. Les pertes liées à la résistance se produisent en raison du flux de courant à travers la ligne, tandis que la tension aux bornes des conducteurs provoque des pertes liées à la conductance. Ces pertes peuvent provenir de fuites d'isolant, d'effets corona dans les lignes aériennes et de pertes diélectriques dans les câbles. L'analyse des transitoires sur des lignes à pertes avec des paramètres constants (résistance, inductance, conductance et capacité) est complexe, en particulier compte tenu des effets de peau.

Les surtensions dans les systèmes électriques sont classées en surtensions dues à la foudre, surtensions de commutation et surtensions à fréquence industrielle. La foudre, une cause majeure, implique des interactions complexes entre les nuages. La séparation des charges au sein des nuages, la chute de gouttes de pluie portant des charges négatives et les courants d'air ascendants portant des charges positives contribuent à la formation de la foudre. Lorsque le gradient de tension dépasse la résistance de claquage de l'air, un traceur descendant se connecte à un traceur ascendant provenant du sol, provoquant une surtension.

Lignes de transmission: fonctionnement transitoire

Les signaux électriques sur une ligne font face à la résistance et à la conductance, provoquant une atténuation.
Dans un circuit monophasé à deux fils, incorporant des ...

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Unit 1

Unité 1

Transmission Lines: Transient Operation

Lignes de transmission : régime transitoire

KEY TERMS AND CONCEPTS

TERMES ET CONCEPTS CLÉS

signal attenuation and power losses

Transmission lines with series resistance and shunt conductance can weaken signals, change wave shape, and waste power. These effects are called attenuation, distortion, and power losses. They matter in long power lines and other practical transmission systems.

When constant resistance and conductance are present, the voltage and current equations change. The propagation constant shows that the wave includes both forward-traveling and backward-traveling parts. As the wave moves along the line, it loses strength. The amount of attenuation depends on the resistance and conductance.

A distortionless line keeps the same wave shape while the magnitude falls. This happens when the resistance-to-inductance ratio equals the conductance-to-capacitance ratio. In that case, the attenuation factor stays constant. The signal does not spread out or change form.

For sinusoidal steady-state waves, the propagation constant also sets phase velocity and attenuation. A lossless line has a constant phase velocity and no attenuation. A distortionless line keeps the same speed for all frequencies and gives uniform attenuation. This helps preserve signal integrity over long distances. Above about 1 MHz, many practical transmission lines behave this way.

Power losses come from both series resistance and shunt conductance. Resistance causes loss as current flows through the line. Conductance causes loss because voltage appears across the conductors. These losses can come from insulator leakage, corona effects in overhead lines, and dielectric losses in cables. Analyzing transients on lossy lines with constant resistance, inductance, conductance, and capacitance is difficult, especially when skin effect is included.

The transcript also classifies overvoltages in power systems as lightning surges, switching surges, and power-frequency overvoltages. Lightning is a major source. It begins with charge separation in clouds, with falling raindrops carrying negative charge and upward air drafts carrying positive charge. When the voltage gradient becomes greater than the air breakdown strength, a downward leader meets an upward leader from the ground. That connection produces a surge.

Signal Attenuation and Power Losses

traveling waves: lossless lines

Wave Speed on Lossless Transmission Lines

Traveling waves on a lossless transmission line are shaped by the line’s inductance and capacitance. The model starts with a single-phase, two-wire line of length Δx. It has loop inductance L H/m and line-to-line capacitance C F/m. A short section of the line can then be treated as a series inductance LΔx and a shunt capacitance CΔx. Voltage v(x,t) and current i(x,t) are written for any position x and time t along the line. Kirchhoff’s Voltage Law, or KVL, is used for the voltage relation.

boundary conditions: lossless lines

Transmission Line Reflections at Both Ends

Single-phase, two-wire, lossless transmission lines show how voltage and current waves reflect at both ends of a circuit. In this model, the line has a length, a surge impedance, and a wave velocity. These are set by the line’s inductance and capacitance per unit length. A home electrical wiring system can be treated this way in a simple circuit model. At the receiving end, the boundary condition says that the voltage equals the receiving-end impedance times the current. This relationship is...

bewley lattice diagram

Tracing Transient Waves with a Bewley Diagram

The Bewley lattice diagram organizes voltage-wave reflections in transmission-line transients. It helps students follow how a signal moves along a line and bounces back from each end. The diagram was developed by L. V. Bewley. The vertical axis shows transient time, and the horizontal axis shows the line position x. Diagonal lines show traveling waves. These lines make the wave motion easier to read because each segment marks a wave moving through the line. Each reflection is found by...

lossy lines and overvoltages

Transmission lines with series resistance and shunt conductance can weaken signals, change wave shape, and waste power. These effects are called attenuation, distortion, and power losses. They matter in long power lines and other practical transmission systems. When constant resistance and conductance are present, the voltage and current equations change. The propagation constant shows that the wave includes both forward-traveling and backward-traveling parts. As the wave moves along the line,...

insulation coordination

BIL and Surge Protection for Power Equipment

Insulation coordination matches electric equipment insulation strength with protective device settings to guard against expected overvoltages. Engineers choose these levels using judgment and cost. The goal is to keep equipment safe while avoiding unnecessary expense. Equipment can usually survive short, high transient overvoltages. Repeated tests with the same waveform can still give inconsistent results. For that reason, standard impulse voltage waveforms are used in testing. These waveforms...

key terms and concepts

Learn how resistance and conductance affect transmission lines, causing attenuation, distortion, power loss, and overvoltages such as lightning surges.

Signal Attenuation and Power Losses | JoVE K12

JoVE Core Electrical Engineering offers easy-to-understand animated videos that cover fundamental concepts of electric circuits along with circuit analysis techniques. It incorporates first-order and second-order circuits using operational amplifiers and circuit transformation concepts. The inclusion of practical design examples and real-world applications through scientist-in-action videos adds significant educational value, making complex concepts accessible.

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Signal Attenuation and Power Losses

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