Ali je smiselna uporaba TVS diod za zaščito pred strelo v vetrnih elektrarnah?

1, Večdimenzionalna analiza tveganja udara strele v sistemih vetrne energije
Vetrne turbine so pogosto zgrajene na-nevarnih območjih, kot so odprta polja in vrhovi gora, z višino nad 150 metrov. Dinamično električno polje, ki ga tvori vrtenje rezil, bo bolj verjetno pritegnilo strelo. Udare strele lahko razdelimo na dve vrsti: neposredne udare strele in inducirane udare strele. Neposredni udarci strele neposredno delujejo na lopatice ali stolpe, pri čemer se takoj sprostijo desettisoče amperov toka, kar lahko povzroči pokanje plasti ogljikovih vlaken na lopaticah in razpad izolacije generatorjev; Indukcijska strela ustvari na tisoče voltov prehodne prenapetosti v krmilnem vezju prek elektromagnetne sklopke, kar povzroči izgorevanje natančnih komponent, kot so frekvenčni pretvorniki in senzorji. Če za primer vzamemo vetrno elektrarno v Nemčiji, je bilo v 2024 udarih strele 85 % električnih napak povzročeno zaradi napetostnih sunkov, ki so jih povzročile inducirane strele.

Tradicionalna shema zaščite pred strelo uporablja tri{0}}nivojski zaščitni sistem, ki ga sestavljajo strelovodi, ozemljitvene mreže in prenapetostne zaščite (SPD). Strelovodi pa lahko branijo le pred direktnim udarom strele, pred inducirano strelo pa so nemočni; Čeprav lahko varistorji s kovinskim oksidom (MOV) absorbirajo nekaj udarne energije, lahko njihov odzivni čas doseže mikrosekundno raven, kar oteži obvladovanje prehodnih impulzov nanosekundne ravni. V tem kontekstu so TVS diode postale ključna komponenta pri zapolnjevanju zaščitne vrzeli zaradi svojih edinstvenih prednosti v zmogljivosti.

2, Tehnične lastnosti in prilagodljivost zaščite pred strelo TVS diod
Glavna prednost TVS diod je v njihovem mehanizmu plazovite razgradnje in zmožnosti odziva na ravni nanosekund. Ko v tokokrogu pride do prehodnih prenapetosti, ki presegajo prebojno napetost (VBR), lahko TVS zmanjša impedanco z megaohmov na miliohme v 1 nanosekundi, s čimer oblikuje izpustni kanal z nizko impedanco, medtem ko napetost omeji v varnem območju. Enota vetrne turbine z močjo 1,5 MW na primer uporablja TVS serije SM8S na prevodni poti od odvodnika lopatic do pesta. Z zmožnostjo obdelave največje moči 6000 W pri valovni obliki 8/20 μs se lahko učinkovito spoprime s udarcem prenapetosti 4 kV, določenim v standardu IEC 61000-4-5, zmanjša preostalo napetost s 4000 V na pod 50 V in zaščiti modul IGBT pretvornika pred poškodbami.

Kar zadeva ujemanje parametrov, mora izbira TVS slediti načelu "razpršitve gradienta energije":

Objemka napetosti: Izberite model z napetostjo objemke (VC), nižjo od največje vzdržljive napetosti zaščitene naprave. Na primer, če izberete TVS z VC manj kot ali enako 14 V za krmilni modul, ki ga napaja 12 V, zagotovite, da je napetost omejena na varno območje pod valovno obliko strele 10/350 μs.
Zmogljivost napajanja: V skladu s standardom IEC 61000-4-5 stopnja udara strele razreda 4 zahteva, da ima TVS najmanjšo toleranco impulzne moči 5000 W. Določen projekt vetrne elektrarne na morju uporablja TVS serije 5KP, ki ima največjo moč 5000 W pri valovni obliki 10/1000 μs in lahko prenese udarni tok 3kA pri valovni obliki 8/20 μs.
Odzivni čas: Odzivni čas TVS mora biti krajši od prehodnega časa vzpona. Na primer, za impulze ESD nanosekundne ravni je izbrana zaščita pred ESD odzivom pikosekundne ravni, ki deluje v povezavi s TVS, da tvori več-nivojsko zaščitno omrežje.
3, Tipični scenariji uporabe TVS v sistemih vetrne energije
Sistem utripanja rezila: namestite utripajočo napravo iz nerjavečega jekla na konico rezila in jo povežite s pestom s prevodnim kablom 70 mm². Za preprečitev sekundarnega obloka, ki ga povzroči tok strele med prevajanjem, je niz TVS povezan vzporedno na povezavo med kablom in zvezdiščem, prehodna napetost pa je omejena pod 600 V, da zaščiti strukturo rezila iz ogljikovih vlaken pred erozijo obloka.
Zaščita pretvornika: Pretvornik sinhronskega generatorja s trajnim magnetom z neposrednim pogonom je sestavni del jedra, občutljiv na strelo. Enota z močjo 2 MW sprejme tri{2}}nivojsko shemo zaščite:
Prednja stopnja: Plinska razelektritvena cev (GDT) absorbira glavno energijo, s pretočno zmogljivostjo do 20kA;
Vmesni nivo: TVS je odgovoren za fino obdelavo preostale napetosti, vpetje napetosti znotraj 100V;
Zadnja stopnja: površinsko nameščena zaščita niza TVS, gonilno vezje IGBT, odzivni čas Manjši ali enak 1ns.
Ta shema zmanjša stopnjo napak frekvenčnega pretvornika pri udaru strele s povprečno 3-krat na leto na nič.
Zaščita komunikacijskega vmesnika: Komunikacijski vmesniki, kot sta RS485 in CAN vodilo vetrnih turbin, so dovzetni za motnje, ki jih povzroča strela. S sprejetjem matrike SRV05-4 TVS lahko njegova zasnova popolne zaščite v običajnem/diferencialnem načinu zatre elektrostatično razelektritev ± 15 kV in 5 kV val pod valovno obliko 10/700 μs, kar zagotavlja stopnjo komunikacijskih napak pod 10 ⁻⁷.
4, Preverjanje ekonomičnosti in zanesljivosti sheme zaščite pred strelo TVS
Z vidika stroškov življenjskega cikla (LCC) ima shema TVS pomembne prednosti. Kot primer vzamemo vetrno elektrarno z močjo 50 MW:

Tradicionalna rešitev: z uporabo kombinacije MOV+GDT je ​​strošek zaščite pred strelo ene enote približno 8000 juanov, vendar je povprečni letni strošek vzdrževanja napake 120000 juanov;
Načrt TVS: Stroški zaščite pred strelo za posamezno enoto so se povečali na 12000 juanov, toda zaradi 1000-kratnega povečanja odzivne hitrosti so se povprečni letni stroški vzdrževanja napak znižali na 20000 juanov.
V 5-letnem ciklu lahko rešitev TVS prihrani skupne stroške 340.000 juanov in poveča razpoložljivost sistema z 98,2 % na 99,5 %.
Z vidika preverjanja zanesljivosti je način okvare TVS v glavnem odprt tokokrog, ki ne predstavlja nevarnosti kratkega stika. 10-letni izmerjeni podatki TVS v določenem projektu vetrne elektrarne na morju kažejo, da je njegova stopnja napak manjša od 0,001 %, veliko boljša od 0,1-odstotne stopnje napak MOV. Poleg tega nizkotemperaturne značilnosti TVS (delovno temperaturno območje od -55 stopinj do +150 stopinj) omogočajo, da se popolnoma prilagodi težkemu okolju vetrne elektrarne na morju.