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

Sygnały elektryczne na linii napotykają rezystancję i przewodność, powodując tłumienie.
W jednofazowym obwodzie dwuprzewodowym, zawierającym stałą rezystancję szeregową i przewodność bocznikową, zmienia równania napięcia i prądu, które można rozwiązać za pomocą stałej transformaty Laplace'a i propagacji.
W przypadku linii bez zniekształceń, w których stosunek rezystancji do indukcyjności jest równy stosunkowi przewodności do pojemności, równania są przepisywane przy użyciu delta i sigma, opisując fale poruszające się do przodu i do tyłu ze stałym tłumieniem.
W przypadku sinusoidalnych fal w stanie ustalonym stała propagacji jest zmieniana.
Linie bezstratne, o zerowej rezystancji i przewodności, nie doświadczają tłumienia, dzięki czemu fale mogą przemieszczać się ze stałą prędkością.
Straty mocy występują z powodu rezystancji i przewodności obwodu.
Rezystancja powoduje straty spowodowane przepływem prądu, podczas gdy straty przewodności są związane z napięciem na przewodnikach, głównie z wycieku izolatora, efektów koronowych i strat dielektrycznych w.
Przepięcie wynika z wyładowań atmosferycznych, przepięć łączeniowych lub przepięcia częstotliwości sieciowej, przekraczających limit napięcia obwodu.

linie przesyłowe: operacja przejścia

Lossy Lines and Overvoltages

Rezystancja szeregowa linii przesyłowych i przewodność bocznikowa powodują trzy główne efekty: tłumienie, zniekształcenia i straty mocy.

Tłumienie

Gdy występuje stała rezystancja szeregowa i przewodność bocznikowa, równania napięcia i prądu ulegają modyfikacji. Stała propagacji wskazuje, że fale napięcia i prądu składają się zarówno ze składowych poruszających się do przodu, jak i do tyłu. Fale te osłabiają się podczas propagacji, a współczynnik tłumienia jest związany z rezystancją i przewodnością. W linii bez zniekształceń, gdzie stosunek rezystancji do indukcyjności jest równy stosunkowi przewodności do pojemności, współczynnik tłumienia pozostaje stały. Fale przemieszczają się bez zmiany kształtu, a jedynie zmniejszają swoją wielkość.

Zniekształcenie

W przypadku sinusoidalnych fal ustalonych stała propagacji określa zarówno prędkość fazową, jak i tłumienie. W linii bezstratnej prędkość fazowa jest stała, bez tłumienia. W linii bez zniekształceń fale o wszystkich częstotliwościach przemieszczają się ze stałą prędkością z jednolitym tłumieniem, co jest kluczowe dla utrzymania integralności sygnału na duże odległości. Powyżej pewnej częstotliwości, zwykle 1 MHz dla praktycznych linii transmisyjnych, większość linii zachowuje się jak bez zniekształceń.

Straty mocy

Straty mocy w liniach przesyłowych wynikają z rezystancji szeregowej i przewodności bocznikowej. Straty związane z rezystancją występują z powodu przepływu prądu przez linię, podczas gdy napięcie na przewodach powoduje straty związane z przewodnością. Takie straty mogą wynikać z nieszczelności izolatora, efektów korony w liniach napowietrznych i strat dielektrycznych w kablach. Analiza stanów przejściowych na liniach stratnych o stałych parametrach — rezystancji, indukcyjności, przewodności i pojemności — jest złożona, szczególnie biorąc pod uwagę efekty naskórkowe.

Przepięcia w systemach energetycznych są klasyfikowane jako przepięcia piorunowe, przepięcia łączeniowe i przepięcia częstotliwości sieciowej. Piorun, główna przyczyna, obejmuje złożone interakcje chmur. Rozdzielenie ładunku w chmurach, spadające krople deszczu przenoszące ładunki ujemne i wznoszące się strumienie powietrza przenoszące ładunki dodatnie przyczyniają się do powstawania piorunów. Gdy gradient napięcia przekracza wytrzymałość przebicia powietrza, skierowany w dół przewodnik łączy się z skierowanym w górę przewodnikiem z ziemi, powodując przepięcie.

Linie przesyłowe: operacja przejścia

Sygnały elektryczne na linii napotykają rezystancję i przewodność, powodując tłumienie.
W jednofazowym obwodzie dwuprzewodowym, zawierającym stałe szeregi ...

Education

JoVE Core

Electrical Engineering

Elektrotechnika

Unit 1

Jednostka 1

Transmission Lines: Transient Operation

Linie przesyłowe: praca w stanach przejściowych

KEY TERMS AND CONCEPTS

KLUCZOWE TERMINY I POJĘCIA

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.

electrical engineering

Signal Attenuation and Power Losses

Description

Transcript

Tags