Целесообразно ли использовать ТВС-диоды для молниезащиты в ветроэнергетических системах?

1. Многомерный анализ риска удара молнии в ветроэнергетических системах.
Ветровые турбины часто строят в зонах повышенного-риска, таких как открытые поля и вершины гор высотой более 150 метров. Динамическое электрическое поле, образующееся при вращении лопастей, с большей вероятностью притягивает молнию. Удары молнии можно разделить на два типа: прямые удары молнии и вызванные удары молнии. Прямые удары молнии воздействуют непосредственно на лопасти или опоры, мгновенно высвобождая ток в десятки тысяч ампер, что может вызвать растрескивание слоя углеволокна на лопастях и пробой изоляции генераторов; Индукционная молния генерирует тысячи вольт переходного перенапряжения в цепи управления через электромагнитную связь, вызывая перегорание прецизионных компонентов, таких как преобразователи частоты и датчики. Если взять в качестве примера ветряную электростанцию ​​в Германии, то в 2024 году из-за ударов молний 85% электрических неисправностей были вызваны скачками напряжения, вызванными наведенной молнией.

Традиционная схема молниезащиты использует трех-уровневую систему защиты, состоящую из молниеотводов, заземляющих сеток и устройств защиты от перенапряжений (SPD). Однако громоотводы могут защитить только от прямых ударов молнии и бессильны против наведенной молнии; Хотя металлооксидные варисторы (MOV) могут поглощать некоторую энергию импульсов, время их отклика может достигать микросекундного уровня, что затрудняет обработку переходных импульсов наносекундного уровня. В этом контексте TVS-диоды стали ключевым компонентом в устранении пробелов в защите благодаря своим уникальным преимуществам в производительности.

2. Технические характеристики и молниезащита TVS-диодов.
Основное преимущество TVS-диодов заключается в их механизме лавинного пробоя и способности реагирования на наносекундном уровне. Когда в цепи возникают переходные перенапряжения, превышающие напряжение пробоя (VBR), TVS может уменьшить сопротивление с мегаом до миллиома в течение 1 наносекунды, образуя разрядный канал с низким импедансом, одновременно фиксируя напряжение в безопасном диапазоне. Например, ветряная турбина мощностью 1,5 МВт использует TVS серии SM8S на пути от лопастного разрядника до ступицы. Обладая пиковой мощностью обработки 6000 Вт при форме сигнала 8/20 мкс, он может эффективно справляться с импульсным напряжением 4 кВ, указанным в стандарте IEC 61000-4-5, снижая остаточное напряжение с 4000 В до уровня ниже 50 В и защищая модуль IGBT инвертора от повреждений.

С точки зрения согласования параметров выбор ТВС должен следовать принципу «диссипации градиента энергии»:

Зажим напряжения: выберите модель с напряжением зажима (VC) ниже максимального выдерживаемого напряжения защищаемого устройства. Например, выбор TVS с напряжением VC менее или равным 14 В для модуля управления, питаемого от 12 В, гарантирует, что напряжение будет ограничено безопасным диапазоном при форме волны молнии 10/350 мкс.
Мощность: согласно стандарту IEC 61000-4-5, уровень удара молнии класса 4 требует, чтобы TVS имел минимальную допустимую импульсную мощность 5000 Вт. В одном проекте морской ветроэнергетики используется TVS серии 5KP, который имеет пиковую мощность 5000 Вт при форме волны 10/1000 мкс и может выдерживать импульсный ток 3 кА при форме волны 8/20 мкс.
Время отклика: Время отклика TVS должно быть меньше времени переходного процесса. Например, для импульсов электростатического разряда наносекундного уровня выбирается устройство защиты от электростатического разряда пикосекундного уровня, работающее совместно с TVS для формирования многоуровневой сети защиты.
3. Типичные сценарии применения TVS в ветроэнергетических системах.
Система осветления лезвия: установите осветительное устройство из нержавеющей стали на кончике лезвия и подключите его к концентратору с помощью проводящего кабеля сечением 70 мм². Чтобы предотвратить вторичное искрение, вызванное током молнии во время проводимости, массив TVS подключается параллельно к соединению между кабелем и концентратором, а переходное напряжение фиксируется ниже 600 В, чтобы защитить структуру лезвия из углеродного волокна от дуговой эрозии.
Защита инвертора: Инвертор синхронного генератора с постоянными магнитами и прямым приводом является чувствительным к молниям основным компонентом. В блоке мощностью 2 МВт используется трехуровневая схема защиты-:
Передняя ступень: Газоразрядная трубка (ГРТ) поглощает основную энергию, с пропускной способностью до 20кА;
Средний уровень: ТВС отвечает за тонкую обработку остаточного напряжения, фиксируя напряжение в пределах 100В;
Задний каскад: схема драйвера защиты массива TVS для поверхностного монтажа IGBT, время отклика менее или равно 1 нс.
Данная схема снижает частоту отказов преобразователя частоты из-за удара молнии в среднем с 3 раз в год до нуля.
Защита интерфейса связи. Интерфейсы связи, такие как RS485 и CAN-шина ветряных турбин, чувствительны к помехам, вызванным молнией. Приняв матрицу TVS SRV05-4, ее конструкция полной защиты синфазного/дифференциального режима может подавлять электростатический разряд ± 15 кВ и скачок напряжения 5 кВ при форме волны 10/700 мкс, обеспечивая коэффициент ошибок связи ниже 10 ⁻⁷.
4. Проверка экономичности и надежности схемы молниезащиты ТВС.
С точки зрения стоимости жизненного цикла (LCC) схема TVS имеет значительные преимущества. В качестве примера возьмем ветряную электростанцию ​​мощностью 50 МВт:

Традиционное решение: при использовании комбинации MOV+GDT стоимость молниезащиты одного устройства составляет около 8000 юаней, но среднегодовая стоимость устранения неисправностей составляет 120 000 юаней;
План TVS: стоимость молниезащиты для одного блока увеличилась до 12 000 юаней, но за счет 1000-кратного увеличения скорости реагирования среднегодовая стоимость устранения неисправностей снизилась до 20 000 юаней.
В течение 5-летнего цикла решение TVS может сэкономить 340 000 юаней и повысить доступность системы с 98,2% до 99,5%.
С точки зрения проверки надежности режимом отказа ТВС является преимущественно обрыв цепи, что не создает опасности короткого замыкания. Данные измерений TVS за 10-лет в одном проекте морской ветроэнергетики показывают, что частота отказов составляет менее 0,001 %, что намного выше, чем частота отказов MOV (0,1 %). Кроме того, низкотемпературные характеристики TVS (диапазон рабочих температур от -55 до +150 градусов) позволяют ему идеально адаптироваться к суровым условиям морской ветроэнергетики.