Je rozumné používat TVS diody pro ochranu před bleskem ve větrných elektrárnách?

1, Vícerozměrná analýza rizika úderu blesku ve větrných elektrárnách
Větrné turbíny se často staví ve vysoce rizikových{0}}místech, jako jsou otevřená pole a vrcholky hor, s výškou přes 150 metrů. Dynamické elektrické pole vytvořené rotací lopatek pravděpodobněji přitahuje blesky. Údery blesku lze rozdělit na dva typy: přímý úder blesku a indukovaný úder blesku. Přímé údery blesku přímo působí na lopatky nebo věže a okamžitě uvolňují desítky tisíc ampér proudu, což může způsobit praskání vrstvy uhlíkových vláken na lopatkách a poruchu izolace generátorů; Indukční blesk generuje tisíce voltů přechodného přepětí v řídicím obvodu prostřednictvím elektromagnetické vazby, což způsobuje spálení přesných součástí, jako jsou frekvenční měniče a senzory. Vezměme si jako příklad větrnou elektrárnu v Německu, při úderu blesku v roce 2024 bylo 85 % elektrických poruch způsobeno přepětím způsobeným indukovaným bleskem.

Tradiční schéma ochrany před bleskem využívá tří{0}}úrovňový systém ochrany sestávající z hromosvodů, zemnících mřížek a přepěťových ochran (SPD). Bleskosvody se však mohou bránit pouze přímým úderům blesku a proti indukovaným bleskům jsou bezmocné; Ačkoli varistory z oxidu kovu (MOV) mohou absorbovat určitou rázovou energii, jejich doba odezvy může dosáhnout úrovně mikrosekund, což ztěžuje vypořádání se s přechodnými pulzy na nanosekundové úrovni. V této souvislosti se diody TVS staly klíčovou součástí při vyplňování mezery v ochraně díky svým jedinečným výkonnostním výhodám.

2, Technické vlastnosti a adaptabilita ochrany před bleskem TVS diod
Hlavní výhoda diod TVS spočívá v jejich mechanismu lavinového průrazu a schopnosti odezvy na úrovni nanosekund. Když se v obvodu objeví přechodná přepětí překračující průrazné napětí (VBR), TVS může snížit impedanci z megaohmů na miliohmy během 1 nanosekundy, čímž vytvoří nízkoimpedanční výbojový kanál, přičemž napětí udrží v bezpečném rozsahu. Například jednotka větrné turbíny o výkonu 1,5 MW využívá TVS řady SM8S v dráze vedení od zachycovače lopatek k náboji. Se schopností zpracování špičkového výkonu 6000 W pod křivkou 8/20 μs se dokáže účinně vyrovnat s nárazy 4 kV podle normy IEC 61000-4-5, snižuje zbytkové napětí ze 4000 V na méně než 50 V a chrání IGBT modul střídače před poškozením.

Pokud jde o přizpůsobení parametrů, výběr TVS by se měl řídit zásadou „rozptylování energetického gradientu“:

Napěťová svorka: Vyberte model s napětím svorky (VC) nižším, než je maximální výdržné napětí chráněného zařízení. Například výběr TVS s VC menším nebo rovným 14V pro řídicí modul napájený 12V zajišťuje, že napětí je omezeno na bezpečný rozsah pod 10/350 μs bleskové vlny.
Výkonová kapacita: Podle normy IEC 61000-4-5 vyžaduje úroveň úderu blesku třídy 4 TVS, aby měla minimální toleranci pulzního výkonu 5000 W. Jistý projekt větrných elektráren na moři využívá řadu 5KP TVS, která má špičkový výkon 5000 W při vlnové délce 10/1000 μs a dokáže odolat rázovému proudu 3 kA při křivce 8/20 μs.
Doba odezvy: Doba odezvy TVS by měla být kratší než přechodná doba náběhu. Například pro pulzy ESD na nanosekundové úrovni je vybrán chránič ESD s odezvou na úrovni pikosekundy, aby spolupracoval s TVS a vytvořil více-úrovňovou síť ochrany.
3, Typické aplikační scénáře TVS ve větrných elektrárnách
Systém lemování čepele: Nainstalujte lemovací zařízení z nerezové oceli na špičku čepele a připojte jej k rozbočovači pomocí 70 mm ² vodivého kabelu. Aby se zabránilo sekundárnímu oblouku způsobenému bleskovým proudem během vedení, je TVS pole zapojeno paralelně na spojení mezi kabelem a rozbočovačem a přechodové napětí je staženo pod 600 V, aby byla struktura čepele z uhlíkových vláken chráněna před erozí oblouku.
Ochrana invertoru: Invertor synchronního generátoru s permanentním magnetem s přímým pohonem je součást jádra citlivá na blesk. Jednotka o výkonu 2 MW využívá tří-úrovňové schéma ochrany:
Přední stupeň: Plynová výbojka (GDT) absorbuje hlavní energii s průtokovou kapacitou až 20 kA;
Střední úroveň: TVS zodpovídá za jemné zpracování zbytkového napětí, svírá napětí do 100V;
Zadní stupeň: Ochranný obvod IGBT ovladače pole TVS na povrch, doba odezvy menší nebo rovna 1ns.
Toto schéma snižuje četnost selhání frekvenčního měniče po zásahu bleskem z průměru 3krát za rok na nulu.
Ochrana komunikačního rozhraní: Komunikační rozhraní, jako je RS485 a CAN sběrnice větrných turbín, jsou citlivá na rušení způsobené bleskem. Přijetím pole SRV05-4 TVS může jeho design plné ochrany se společným/diferenciálním režimem potlačit elektrostatický výboj ± 15 kV a přepětí 5 kV pod křivkou 10/700 μs, což zajišťuje chybovost komunikace pod 10 ⁻⁷.
4, Ověření hospodárnosti a spolehlivosti schématu ochrany před bleskem TVS
Z hlediska nákladů životního cyklu (LCC) má schéma TVS významné výhody. Vezměme si jako příklad 50MW větrnou farmu:

Tradiční řešení: při použití kombinace MOV+GDT jsou náklady na ochranu před bleskem jedné jednotky asi 8000 juanů, ale průměrné roční náklady na údržbu poruch jsou 120 000 juanů;
Plán TVS: Náklady na ochranu před bleskem pro jednu jednotku se zvýšily na 12 000 juanů, ale kvůli 1000násobnému zvýšení rychlosti odezvy se průměrné roční náklady na údržbu poruch snížily na 20 000 juanů.
Během 5letého cyklu může řešení TVS ušetřit celkové náklady 340 000 juanů a zvýšit dostupnost systému z 98,2 % na 99,5 %.
Z hlediska ověření spolehlivosti je poruchový režim TVS převážně otevřený, u kterého nehrozí riziko zkratu. 10-letá naměřená data TVS v určitém projektu pobřežní větrné elektrárny ukazují, že její poruchovost je nižší než 0,001 %, což je mnohem lepší než 0,1 % poruchovost MOV. Nízkoteplotní charakteristiky TVS (rozsah provozních teplot -55 stupňů až+150 stupňů) navíc umožňují dokonale se přizpůsobit drsnému prostředí pobřežních větrných elektráren.