Czy zasadne jest stosowanie diod TVS do ochrony odgromowej w elektrowniach wiatrowych?

1, Wielowymiarowa analiza ryzyka uderzenia pioruna w elektrowniach wiatrowych
Turbiny wiatrowe często buduje się na obszarach-wysokiego ryzyka, takich jak otwarte pola i szczyty gór, o wysokości przekraczającej 150 metrów. Dynamiczne pole elektryczne utworzone przez obrót ostrzy z większym prawdopodobieństwem przyciąga pioruny. Uderzenia pioruna można podzielić na dwa rodzaje: bezpośrednie uderzenia pioruna i uderzenia pioruna indukowane. Bezpośrednie uderzenia pioruna działają bezpośrednio na łopaty lub wieże, natychmiast uwalniając dziesiątki tysięcy amperów prądu, co może spowodować pękanie warstwy włókna węglowego na łopatach i uszkodzenie izolacji generatorów; Piorun indukcyjny generuje tysiące woltów przejściowego przepięcia w obwodzie sterującym poprzez sprzężenie elektromagnetyczne, powodując spalenie precyzyjnych elementów, takich jak przetwornice częstotliwości i czujniki. Biorąc za przykład farmę wiatrową w Niemczech, w przypadku uderzeń piorunów w 2024 r. 85% usterek elektrycznych było spowodowanych skokami napięcia wywołanymi przez indukowane wyładowania atmosferyczne.

Tradycyjny system ochrony odgromowej obejmuje trzy-systemy ochrony składające się z piorunochronów, sieci uziemiających i ochronników przeciwprzepięciowych (SPD). Jednakże piorunochrony mogą bronić się jedynie przed bezpośrednimi uderzeniami piorunów i są bezsilne w przypadku piorunów indukowanych; Chociaż warystory z tlenku metalu (MOV) mogą absorbować pewną energię udarową, ich czas reakcji może sięgać poziomu mikrosekund, co utrudnia radzenie sobie z przejściowymi impulsami na poziomie nanosekund. W tym kontekście diody TVS stały się kluczowym elementem wypełniającym lukę ochronną ze względu na ich wyjątkowe zalety użytkowe.

2, Charakterystyka techniczna i zdolność adaptacji diod TVS do ochrony odgromowej
Podstawową zaletą diod TVS jest ich mechanizm przebicia lawinowego i zdolność reakcji na poziomie nanosekund. Kiedy w obwodzie wystąpią przejściowe przepięcia przekraczające napięcie przebicia (VBR), TVS może zmniejszyć impedancję z megaomów do miliomów w ciągu 1 nanosekundy, tworząc kanał wyładowczy o niskiej impedancji, jednocześnie utrzymując napięcie w bezpiecznym zakresie. Na przykład turbina wiatrowa o mocy 1,5 MW wykorzystuje telewizory serii SM8S w ścieżce przewodzenia od ogranicznika łopat do piasty. Dzięki możliwości przetwarzania mocy szczytowej wynoszącej 6000 W przy przebiegu 8/20 μs może skutecznie poradzić sobie z udarem udarowym 4 kV określonym w normie IEC 61000-4-5, redukując napięcie szczątkowe z 4000 V do poniżej 50 V i chroniąc moduł IGBT falownika przed uszkodzeniem.

Pod względem dopasowania parametrów wybór TVS powinien odbywać się zgodnie z zasadą „rozpraszania gradientu energii”:

Zacisk napięciowy: Wybierz model z napięciem cęgowym (VC) niższym niż maksymalne napięcie wytrzymywane zabezpieczanego urządzenia. Na przykład wybranie TVS z VC mniejszym lub równym 14 V dla modułu sterującego zasilanego napięciem 12 V gwarantuje, że napięcie będzie ograniczone do bezpiecznego zakresu w przypadku fali pioruna 10/350 μs.
Moc znamionowa: Zgodnie z normą IEC 61000-4-5, poziom uderzenia pioruna klasy 4 wymaga, aby telewizor TVS miał minimalną tolerancję mocy impulsu wynoszącą 5000 W. W pewnym projekcie dotyczącym morskiej energetyki wiatrowej zastosowano telewizory serii 5KP, które mają moc szczytową 5000 W przy przebiegu 10/1000 μs i wytrzymują prąd udarowy o wartości 3 kA przy przebiegu 8/20 μs.
Czas odpowiedzi: Czas odpowiedzi TVS powinien być krótszy niż czas narastania stanu nieustalonego. Na przykład w przypadku impulsów ESD na poziomie nanosekundowym wybiera się zabezpieczenie ESD o odpowiedzi na poziomie pikosekundowym, które współpracuje z TVS w celu utworzenia wielopoziomowej-sieci ochrony.
3, Typowe scenariusze zastosowań TVS w systemach energetyki wiatrowej
System obróbki ostrzy: Zamontuj urządzenie do obróbki blachy ze stali nierdzewnej na czubku ostrza i podłącz je do piasty za pomocą przewodzącego kabla o średnicy 70 mm². Aby zapobiec wyładowaniom wtórnym powodowanym przez prąd piorunowy podczas przewodzenia, na połączeniu między kablem a koncentratorem połączono równolegle układ TVS, a napięcie przejściowe jest utrzymywane poniżej 600 V, aby chronić konstrukcję ostrza z włókna węglowego przed erozją łukową.
Ochrona falownika: Falownik generatora synchronicznego z magnesami trwałymi z napędem bezpośrednim jest elementem rdzenia wrażliwym na wyładowania atmosferyczne. Jednostka o mocy 2 MW wykorzystuje trzy-schemat ochrony:
Stopień przedni: rura wyładowcza gazowa (GDT) pochłania energię główną, przy przepustowości do 20 kA;
Poziom średniozaawansowany: TVS odpowiada za dokładne przetwarzanie napięcia szczątkowego, utrzymując napięcie w granicach 100V;
Tylny stopień: Montowany powierzchniowo obwód sterownika IGBT zabezpieczający tablicę TVS, czas reakcji mniejszy lub równy 1ns.
Schemat ten zmniejsza wskaźnik awaryjności przetwornicy częstotliwości po uderzeniu pioruna ze średnio 3 razy w roku do zera.
Ochrona interfejsu komunikacyjnego: Interfejsy komunikacyjne, takie jak RS485 i magistrala CAN turbin wiatrowych, są podatne na zakłócenia wywołane wyładowaniami atmosferycznymi. Dzięki zastosowaniu układu TVS SRV05-4, jego pełna ochrona w trybie wspólnym/trybie różnicowym może tłumić wyładowania elektrostatyczne ± 15 kV i przepięcia 5 kV przy przebiegu 10/700 μs, zapewniając poziom błędów komunikacji poniżej 10 ⁻⁷.
4, Weryfikacja ekonomiczna i niezawodność systemu ochrony odgromowej TVS
Z punktu widzenia kosztu cyklu życia (LCC) program TVS ma znaczące zalety. Biorąc za przykład farmę wiatrową o mocy 50 MW:

Tradycyjne rozwiązanie: przy zastosowaniu kombinacji MOV+GDT koszt ochrony odgromowej pojedynczego urządzenia wynosi około 8000 juanów, ale średni roczny koszt konserwacji usterek wynosi 120000 juanów;
Plan TVS: Koszt ochrony odgromowej pojedynczego urządzenia wzrósł do 12 000 juanów, ale ze względu na 1000-krotne zwiększenie szybkości reakcji średni roczny koszt konserwacji usterek został obniżony do 20 000 juanów.
W cyklu 5-letnim rozwiązanie TVS może zaoszczędzić łączny koszt 340 000 juanów i zwiększyć dostępność systemu z 98,2% do 99,5%.
Jeśli chodzi o weryfikację niezawodności, tryb awaryjny TVS to głównie obwód otwarty, który nie stwarza ryzyka zwarcia. Dane z pomiarów TVS z 10- lat w pewnym projekcie morskiej energetyki wiatrowej pokazują, że wskaźnik awaryjności tego projektu jest mniejszy niż 0,001%, czyli znacznie wyższy niż wskaźnik awaryjności MOV wynoszący 0,1%. Ponadto niskotemperaturowa charakterystyka TVS (zakres temperatur pracy od -55 stopni do+150 stopni) umożliwia im doskonałe dostosowanie się do trudnych warunków morskiej energetyki wiatrowej.