Чи доцільно використовувати діоди TVS для блискавкозахисту у вітроенергетичних системах?

1, Багатовимірний аналіз ризику удару блискавки у вітроенергетичних системах
Вітряні турбіни часто будують у -небезпечних зонах, як-от відкритих полях і вершинах гір висотою понад 150 метрів. Динамічне електричне поле, утворене обертанням лопатей, швидше за все, притягне блискавку. Удари блискавки можна розділити на два типи: прямі удари блискавки та індуковані удари блискавки. Прямі удари блискавки безпосередньо впливають на лопаті або вежі, миттєво вивільняючи десятки тисяч ампер струму, що може спричинити розтріскування шару вуглецевого волокна на лопатях і руйнування ізоляції генераторів; Індукційна блискавка генерує тисячі вольт тимчасової перенапруги в ланцюзі керування через електромагнітний зв’язок, спричиняючи згоряння точних компонентів, таких як перетворювачі частоти та датчики. Візьмемо як приклад вітряну електростанцію в Німеччині: під час 2024 ударів блискавки 85% електричних несправностей були спричинені стрибками напруги, викликаними індукованою блискавкою.

Традиційна схема захисту від блискавки використовує три{0}}систему захисту, яка складається з блискавковідводів, заземлюючих сіток і пристроїв захисту від перенапруг (SPD). Однак громовідводи можуть захистити лише від прямих ударів блискавки і безсилі проти індукованої блискавки; Хоча металооксидні варистори (MOV) можуть поглинати деяку кількість енергії стрибків, час їх відгуку може досягати мікросекундного рівня, що ускладнює роботу з перехідними імпульсами наносекундного рівня. У цьому контексті діоди TVS стали ключовим компонентом у заповненні прогалини в захисті завдяки своїм унікальним перевагам у продуктивності.

2, Технічні характеристики та адаптованість блискавкозахисту діодів TVS
Основна перевага діодів TVS полягає в їх механізмі лавиноподібного пробою та здатності реагувати на наносекундному рівні. Коли в ланцюзі виникають перехідні перенапруги, що перевищують напругу пробою (VBR), TVS може зменшити опір від мегаомів до міліомів протягом 1 наносекунди, утворюючи канал розряду з низьким опором, одночасно фіксуючи напругу в безпечному діапазоні. Наприклад, вітрова турбіна потужністю 1,5 МВт використовує TVS серії SM8S на шляху провідності від лопатевого розрядника до концентратора. Завдяки можливостям обробки пікової потужності 6000 Вт при формі сигналу 8/20 мкс, він може ефективно впоратися зі сплеском 4 кВ, визначеним стандартом IEC 61000-4-5, знижуючи залишкову напругу з 4000 В до нижче 50 В і захищаючи модуль IGBT інвертора від пошкодження.

З точки зору узгодження параметрів, вибір TVS повинен відповідати принципу «розсіювання градієнта енергії»:

Фіксація напруги: виберіть модель із напругою фіксації (VC), нижчою за максимальну витримувану напругу захищеного пристрою. Наприклад, вибір TVS з VC менше або дорівнює 14 В для модуля керування, що живиться від 12 В, гарантує, що напруга обмежена безпечним діапазоном під 10/350 мкс хвилі блискавки.
Потужність: відповідно до стандарту IEC 61000-4-5 рівень удару блискавки класу 4 вимагає, щоб TVS мав мінімальний допуск імпульсної потужності 5000 Вт. Певний проект офшорної вітроелектростанції використовує TVS серії 5KP, яка має пікову потужність 5000 Вт при хвилі 10/1000 мкс і може витримувати імпульсний струм 3 кА при хвилі 8/20 мкс.
Час відгуку: час відгуку TVS повинен бути меншим за час наростання перехідного процесу. Наприклад, для імпульсів електростатичного розряду наносекундного рівня обирається захисний пристрій від електростатичного розряду пікосекундного рівня, який працює разом із TVS для формування багато-мережі захисту.
3, Типові сценарії застосування TVS у вітроенергетичних системах
Система прошивки леза: встановіть пристрій прошивки з нержавіючої сталі на кінчику леза та підключіть його до концентратора за допомогою провідного кабелю 70 мм². Щоб запобігти вторинному утворенню дуги, спричиненому струмом блискавки під час провідності, матриця TVS підключена паралельно до з’єднання між кабелем і концентратором, а перехідна напруга обмежена нижче 600 В, щоб захистити структуру леза з вуглецевого волокна від ерозії дуги.
Захист інвертора: інвертор синхронного генератора з постійними магнітами з прямим приводом є чутливим до блискавки основним компонентом. Блок потужністю 2 МВт має три-схему захисту:
Передній ступінь: Газорозрядна трубка (ГРТ) поглинає основну енергію, з пропускною здатністю до 20 кА;
Середній рівень: TVS відповідає за точну обробку залишкової напруги, фіксуючи напругу в межах 100В;
Задня частина: поверхнева установка TVS, схема драйвера IGBT, час відгуку менше або дорівнює 1 нс.
Ця схема знижує частоту відмов перетворювача частоти від удару блискавки в середньому з 3 разів на рік до нуля.
Захист інтерфейсу зв'язку: інтерфейси зв'язку, такі як RS485 і шина CAN вітрових турбін, чутливі до перешкод, викликаних блискавкою. Завдяки використанню масиву SRV05-4 TVS, його конструкція повного захисту загального режиму/диференційного режиму може пригнічувати електростатичний розряд ± 15 кВ і стрибки 5 кВ при формі сигналу 10/700 мкс, забезпечуючи частоту помилок зв’язку нижче 10 ⁻⁷.
4. Перевірка економічності та надійності схеми блискавкозахисту ТВС
З точки зору вартості життєвого циклу (LCC) схема TVS має значні переваги. Як приклад візьмемо вітрову електростанцію потужністю 50 МВт:

Традиційне рішення: використовуючи комбінацію MOV+GDT, вартість блискавкозахисту одного блоку становить близько 8000 юанів, але середня річна вартість обслуговування несправності становить 120 000 юанів;
План TVS: Вартість блискавкозахисту для одного блоку зросла до 12 000 юанів, але завдяки 1000-кратному збільшенню швидкості реагування середня річна вартість обслуговування несправностей була зменшена до 20 000 юанів.
Протягом 5-річного циклу рішення TVS може заощадити 340 000 юанів і підвищити доступність системи з 98,2% до 99,5%.
З точки зору перевірки надійності режим відмови TVS - це переважно розрив, що не створює ризику короткого замикання. Дані вимірювань TVS за 10-} років у певному морському вітроенергетичному проекті показують, що його частота відмов становить менше 0,001%, що набагато краще, ніж частота відмов MOV у 0,1%. Крім того, низькотемпературні характеристики TVS (діапазон робочих температур від -55 градусів до+150 градусів) дозволяють йому ідеально адаптуватися до суворих умов офшорної вітрової електростанції.