Onko järkevää käyttää TVS-diodeja ukkossuojaukseen tuulivoimajärjestelmissä?

1, Moniulotteinen analyysi salamaniskuriskistä tuulivoimajärjestelmissä
Tuulivoimalat rakennetaan usein korkean{0}}riskin alueille, kuten avoimille pelloille ja vuoren huipulle, joiden korkeus on yli 150 metriä. Terien pyörimisen muodostama dynaaminen sähkökenttä houkuttelee todennäköisemmin salamaa. Salamaniskut voidaan jakaa kahteen tyyppiin: suorat salamaniskut ja indusoidut salamaniskut. Suorat salamaniskut vaikuttavat suoraan lapoihin tai torneihin vapauttaen välittömästi kymmenientuhansien ampeerien virtaa, mikä voi aiheuttaa hiilikuitukerroksen halkeilua teriissä ja generaattoreiden eristyksen rikkoutumista; Induktiosalama tuottaa tuhansia voltteja transienttia ylijännitettä ohjauspiiriin sähkömagneettisen kytkennän kautta, mikä aiheuttaa tarkkuuskomponenttien, kuten taajuusmuuttajien ja antureiden, palamisen. Esimerkkinä Saksan tuulipuistosta, vuoden 2024 salamaniskuissa 85 % sähkövioista johtui indusoidun salaman aiheuttamista jännitepiikkeistä.

Perinteinen ukkossuojausjärjestelmä käyttää kolmi{0}-tasoista suojausjärjestelmää, joka koostuu salamanvarsijoista, maadoitusristikoista ja ylijännitesuojauksista (SPD). Salamanvarret voivat kuitenkin suojautua vain suorilta salamaniskuilta ja ovat voimattomia aiheuttamaa salamaa vastaan; Vaikka metallioksidivaristorit (MOV) voivat absorboida jonkin verran aaltoenergiaa, niiden vasteaika voi saavuttaa mikrosekunnin tason, mikä vaikeuttaa nanosekunnin tason transienttipulsseja. Tässä yhteydessä TVS-diodeista on tullut avainkomponentti suojaraon täyttämisessä niiden ainutlaatuisten suorituskykyetujen ansiosta.

2, TVS-diodien tekniset ominaisuudet ja ukkossuojaus
TVS-diodien ydinetu on niiden lumivyörymekanismi ja nanosekuntitason vastekyky. Kun piirissä esiintyy läpilyöntijännitteen (VBR) ylittäviä ohimeneviä ylijännitteitä, TVS voi pienentää impedanssia megaohmeista milliohmeihin 1 nanosekunnissa muodostaen pienen impedanssin purkauskanavan pitäen samalla jännitteen turvallisella alueella. Esimerkiksi 1,5 MW:n tuuliturbiiniyksikkö käyttää SM8S-sarjan TVS:ää johtumisreitillä siivensuojasta navaan. 6000 W:n huipputehonkäsittelykapasiteetilla 8/20 μs aaltomuodossa se pystyy tehokkaasti selviytymään IEC 61000-4-5 -standardissa määritellystä 4kV ylijänniteiskusta, mikä vähentää jäännösjännitteen 4000V:sta alle 50V:iin ja suojaa invertterin IGBT-moduulia vaurioilta.

Parametrien sovituksen suhteen TVS:n valinnassa tulee noudattaa "energiagradientin hajauttamisen" periaatetta:

Jännitepuristin: Valitse malli, jonka puristinjännite (VC) on pienempi kuin suojatun laitteen enimmäiskestojännite. Esimerkiksi TVS:n, jonka VC on pienempi tai yhtä suuri kuin 14 V, valinta 12 V:n teholla saatavalle ohjausmoduulille varmistaa, että jännite on rajoitettu turvalliselle alueelle 10/350 μs:n salamaaaltomuodossa.
Tehokapasiteetti: IEC 61000-4-5 -standardin mukaan luokan 4 salamaniskutaso edellyttää, että TVS:n pulssitehotoleranssi on vähintään 5000 W. Tietty offshore-tuulivoimaprojekti ottaa käyttöön 5KP-sarjan TVS:n, jonka huipputeho on 5000 W 10/1000 μs aaltomuodossa ja joka kestää 3kA aaltovirran 8/20 μs aaltomuodossa.
Vasteaika: TVS:n vasteajan tulee olla lyhyempi kuin transientti nousuaika. Esimerkiksi nanosekunnin tason ESD-pulsseille valitaan pikosekunnin tason ESD-suoja toimimaan yhdessä TVS:n kanssa monitasoisen suojausverkon muodostamiseksi.
3, TVS:n tyypillisiä sovellusskenaarioita tuulivoimajärjestelmissä
Terän välähdysjärjestelmä: Asenna ruostumattomasta teräksestä valmistettu välkkyvä laite terän kärkeen ja liitä se navaan 70 mm ²:n johtavalla kaapelilla. Välttääkseen salamavirran aiheuttaman toissijaisen kaaren muodostumisen johdon aikana kytketään TVS-ryhmä rinnakkain kaapelin ja navan väliseen liitäntään ja transienttijännite puristetaan alle 600 V:n suojaksi hiilikuituterän rakennetta valokaarieroosiolta.
Invertterisuojaus: Suorakäyttöisen kestomagneettisynkronisen generaattorin invertteri on salamaherkkä ydinkomponentti. 2 MW:n yksikössä on kolmi-tason suojausjärjestelmä:
Etuvaihe: Kaasupurkausputki (GDT) absorboi pääenergian virtauskapasiteetilla jopa 20 kA;
Keskitaso: TVS vastaa jäännösjännitteen hienosta käsittelystä, jännitteen kiristämisestä 100 V:iin;
Takavaihe: Pinta-asennettu TVS-ryhmäsuojaus IGBT-ohjainpiiri, vasteaika Vähemmän tai yhtä suuri kuin 1 ns.
Tämä järjestelmä pienentää taajuusmuuttajan salamaniskun vikatiheyden keskimäärin 3 kertaa vuodessa nollaan.
Tietoliikennerajapinnan suojaus: Tiedonsiirtoliitännät, kuten tuuliturbiinien RS485- ja CAN-väylät, ovat herkkiä salaman aiheuttamille häiriöille. Ottamalla käyttöön SRV05-4 TVS-ryhmän, sen yhteismoodi/differentiaalitilan täydellinen suojausrakenne voi vaimentaa ± 15 kV sähköstaattista purkausta ja 5 kV aaltomuotoa 10/700 μs aaltomuodossa, mikä varmistaa alle 10 ⁻⁷:n tiedonsiirtovirhesuhteen.
4, TVS:n ukkossuojausjärjestelmän taloudellinen ja luotettavuustarkastus
Elinkaarikustannusten (LCC) näkökulmasta TVS-järjestelmällä on merkittäviä etuja. Esimerkkinä 50 MW:n tuulipuisto:

Perinteinen ratkaisu: MOV+GDT-yhdistelmää käytettäessä yksittäisen yksikön ukkossuojauskustannukset ovat noin 8000 yuania, mutta vianhuollon keskimääräiset vuosikustannukset ovat 120000 yuania;
TVS-suunnitelma: Yksittäisen yksikön ukkossuojauksen hinta on noussut 12 000 juaniin, mutta vastenopeuden 1000-kertaisen kasvun vuoksi keskimääräiset vuosittaiset vianhuoltokustannukset ovat laskeneet 20 000 yuaniin.
Viiden vuoden jakson aikana TVS-ratkaisu voi säästää 340 000 yuania kokonaiskustannuksissa ja lisätä järjestelmän käytettävyyttä 98,2 prosentista 99,5 prosenttiin.
Luotettavuuden todentamisen kannalta TVS:n vikatila on pääosin avoin piiri, mikä ei aiheuta oikosulkuriskiä. 10 -vuoden mittaustiedot TVS:stä tietyssä merituulivoimaprojektissa osoittavat, että sen vikaprosentti on alle 0,001 %, paljon parempi kuin MOV:n 0,1 %:n vikaantuvuus. Lisäksi TVS:n matalien lämpötilojen ominaisuudet (käyttölämpötila-alue -55 astetta -+150 astetta) mahdollistavat sen täydellisen sopeutumisen merituulivoiman ankariin ympäristöihin.