Vai ir saprātīgi izmantot TVS diodes zibensaizsardzībai vēja energosistēmās?

1, Daudzdimensiju zibens spēriena riska analīze vēja enerģijas sistēmās
Vēja turbīnas bieži tiek būvētas augsta{0}}bīstamības zonās, piemēram, atklātos laukos un kalnu virsotnēs, kuru augstums pārsniedz 150 metri. Dinamiskais elektriskais lauks, ko veido lāpstiņu rotācija, visticamāk piesaista zibeni. Zibens spērienus var iedalīt divos veidos: tiešos zibens spērienos un inducētos zibens spērienos. Tiešie zibens spērieni tieši iedarbojas uz lāpstiņām vai torņiem, acumirklī izdalot desmitiem tūkstošu ampēru strāvu, kas var izraisīt oglekļa šķiedras slāņa plaisāšanu uz asmeņiem un ģeneratoru izolācijas bojājumus; Indukcijas zibens rada tūkstošiem voltu pārejošu pārspriegumu vadības ķēdē, izmantojot elektromagnētisko savienojumu, izraisot tādu precizitātes komponentu kā frekvences pārveidotāju un sensoru izdegšanu. Kā piemēru ņemot vēja parku Vācijā, 2024. gadā zibens spērienos 85% elektrisko bojājumu izraisīja zibens izraisīti sprieguma pārspriegumi.

Tradicionālajā zibensaizsardzības shēmā ir izmantota trīs{0}}līmeņu aizsardzības sistēma, kas sastāv no zibensnovedējiem, zemējuma režģiem un pārsprieguma aizsargiem (SPD). Tomēr zibensnovedēji var aizsargāties tikai pret tiešiem zibens spērieniem un ir bezspēcīgi pret izraisītu zibeni; Lai gan metāla oksīda varistori (MOV) var absorbēt zināmu pārsprieguma enerģiju, to reakcijas laiks var sasniegt mikrosekundes līmeni, apgrūtinot nanosekundes līmeņa pārejošu impulsu izturēšanu. Šajā kontekstā TVS diodes ir kļuvušas par galveno sastāvdaļu aizsardzības nepilnības aizpildīšanā to unikālo veiktspējas priekšrocību dēļ.

2, TVS diožu tehniskie parametri un zibensaizsardzības pielāgošanās spēja
TVS diožu galvenā priekšrocība ir to lavīnu sadalīšanās mehānisms un nanosekundes līmeņa reakcijas spēja. Ja ķēdē rodas pārejošs pārspriegums, kas pārsniedz pārrāvuma spriegumu (VBR), TVS var samazināt pretestību no megaohiem līdz miliomiem 1 nanosekundes laikā, veidojot zemas pretestības izlādes kanālu, vienlaikus nospiežot spriegumu drošā diapazonā. Piemēram, 1,5 MW vēja turbīnas bloks izmanto SM8S sērijas TVS vadīšanas ceļā no lāpstiņas ierobežotāja līdz rumbai. Ar maksimālās jaudas apstrādes jaudu 6000 W 8/20 μs viļņu formā, tas var efektīvi tikt galā ar 4kV pārsprieguma triecienu, kas noteikts IEC 61000-4-5 standartā, samazinot atlikušo spriegumu no 4000V līdz zem 50V un aizsargājot invertora IGBT moduli no bojājumiem.

Runājot par parametru saskaņošanu, TVS izvēlei jāievēro "enerģijas gradienta izkliedes" princips:

Sprieguma skava: atlasiet modeli ar skavas spriegumu (VC), kas ir zemāks par aizsargātās ierīces maksimālo noturības spriegumu. Piemēram, izvēloties televizoru ar VC, kas ir mazāks vai vienāds ar 14 V vadības modulim, ko darbina 12 V, tiek nodrošināts, ka spriegums tiek ierobežots līdz drošam diapazonam 10/350 μs zibens viļņa formā.
Jaudas jauda: saskaņā ar IEC 61000-4-5 standartu 4. klases zibens spēriena līmenis nosaka, ka TVS minimālajai impulsa jaudas pielaidei jābūt 5000 W. Noteiktā jūras vēja enerģijas projektā tiek izmantots 5KP sērijas TVS, kura maksimālā jauda ir 5000 W 10/1000 μs viļņu formā un var izturēt 3kA pārsprieguma strāvu 8/20 μs viļņu formā.
Reakcijas laiks: TVS reakcijas laikam jābūt mazākam par pārejas pieauguma laiku. Piemēram, nanosekundes līmeņa ESD impulsiem tiek izvēlēts pikosekundes līmeņa atbildes ESD aizsargs, kas darbojas kopā ar TVS, veidojot daudzlīmeņu aizsardzības tīklu.
3. Tipiski TVS pielietojuma scenāriji vēja enerģijas sistēmās
Lāpstiņas aizdedzes sistēma: lāpstiņas galā uzstādiet nerūsējošā tērauda apšuvuma ierīci un savienojiet to ar rumbu, izmantojot 70 mm² vadošu kabeli. Lai novērstu sekundāro loka rašanos, ko izraisa zibens strāva vadīšanas laikā, pie savienojuma starp kabeli un rumbu paralēli ir pievienots TVS bloks, un pārejas spriegums tiek nofiksēts zem 600 V, lai aizsargātu oglekļa šķiedras lāpstiņas struktūru no loka erozijas.
Invertora aizsardzība: tiešās piedziņas pastāvīgā magnēta sinhronā ģeneratora invertors ir zibensjutīga galvenā sastāvdaļa. 2MW iekārtai ir trīs-līmeņu aizsardzības shēma:
Priekšējais posms: gāzizlādes caurule (GDT) absorbē galveno enerģiju ar plūsmas jaudu līdz 20kA;
Vidējais līmenis: TVS ir atbildīgs par atlikušā sprieguma smalku apstrādi, nospiežot spriegumu 100 V robežās;
Aizmugurējais posms: uz virsmas uzstādīta TVS bloka aizsardzība IGBT draivera ķēde, reakcijas laiks mazāks vai vienāds ar 1ns.
Šī shēma samazina frekvences pārveidotāja zibens spēriena atteices biežumu no vidēji 3 reizēm gadā līdz nullei.
Komunikācijas saskarnes aizsardzība: tādas sakaru saskarnes kā vēja turbīnu RS485 un CAN kopne ir jutīgas pret zibens izraisītiem traucējumiem. Izmantojot SRV05-4 TVS masīvu, tā kopējā režīma/diferenciālā režīma pilnas aizsardzības dizains var nomākt ± 15kV elektrostatisko izlādi un 5kV pārspriegumu zem 10/700 μs viļņa formas, nodrošinot sakaru kļūdu līmeni zem 10⁻⁷.
4, TVS zibensaizsardzības shēmas ekonomiskā un uzticamības pārbaude
No dzīves cikla izmaksu (LCC) viedokļa TVS shēmai ir būtiskas priekšrocības. Par piemēru ņemot 50MW vēja parku:

Tradicionāls risinājums: izmantojot MOV+GDT kombināciju, vienas vienības zibensaizsardzības izmaksas ir aptuveni 8000 juaņas, bet vidējās gada defektu uzturēšanas izmaksas ir 120000 juaņas;
TVS plāns: zibensaizsardzības izmaksas vienai ierīcei ir pieaugušas līdz 12000 juaņām, bet 1000 reižu pieauguma reakcijas ātruma dēļ vidējās ikgadējās defektu uzturēšanas izmaksas ir samazinātas līdz 20000 juaņām.
5 gadu cikla laikā TVS risinājums var ietaupīt 340 000 juaņu kopējās izmaksas un palielināt sistēmas pieejamību no 98,2% līdz 99,5%.
Attiecībā uz uzticamības pārbaudi TVS atteices režīms galvenokārt ir atvērta ķēde, kas nerada īssavienojuma risku. 10-gadu izmērītie dati par TVS noteiktā jūras vēja enerģijas projektā liecina, ka tā atteices līmenis ir mazāks par 0,001%, kas ir daudz labāks nekā MOV atteices līmenis 0,1%. Turklāt TVS zemās temperatūras raksturlielumi (darba temperatūras diapazons no -55 grādiem līdz +150 grādiem) ļauj tai lieliski pielāgoties skarbajai jūras vēja enerģijas videi.