Är det rimligt att använda TVS-dioder för åskskydd i vindkraftssystem?

1, Flerdimensionell analys av risken för blixtnedslag i vindkraftssystem
Vindkraftverk byggs ofta i områden med hög-risk som öppna fält och bergstoppar, med en höjd på över 150 meter. Det dynamiska elektriska fältet som bildas av bladens rotation är mer sannolikt att dra till sig blixtar. Blixtnedslag kan delas in i två typer: direkta blixtnedslag och inducerade blixtnedslag. Direkta blixtnedslag verkar direkt på blad eller torn, och släpper omedelbart ut tiotusentals ampere ström, vilket kan orsaka att kolfiberskiktet spricker på bladen och isoleringsnedbrytning av generatorer; Induktionsblixtar genererar tusentals volt transient överspänning i styrkretsen genom elektromagnetisk koppling, vilket gör att precisionskomponenter som frekvensomvandlare och sensorer brinner ut. Om man tar en vindkraftspark i Tyskland som exempel, år 2024 så orsakades 85 % av alla elektriska fel 85 % av spänningsstötar orsakade av inducerad blixtnedslag.

Det traditionella åskskyddssystemet använder ett skyddssystem med tre-nivåer som består av åskledare, jordningsgaller och överspänningsskydd (SPD). Blixtledare kan dock bara försvara sig mot direkta blixtnedslag och är maktlösa mot inducerad blixt; Även om metalloxidvaristorer (MOVs) kan absorbera viss överspänningsenergi, kan deras svarstid nå mikrosekundnivå, vilket gör det svårt att klara av transienta pulser på nanosekundnivå. I detta sammanhang har TVS-dioder blivit en nyckelkomponent för att fylla skyddsluckan på grund av deras unika prestandafördelar.

2, Tekniska egenskaper och blixtskyddsanpassning av TVS-dioder
Huvudfördelen med TVS-dioder ligger i deras lavinbrytningsmekanism och förmåga att svara på nanosekundnivå. När transienta överspänningar som överstiger genombrottsspänningen (VBR) uppstår i kretsen, kan TVS minska impedansen från megaohm till milliohm inom 1 nanosekund, vilket bildar en urladdningskanal med låg impedans samtidigt som spänningen klämms inom ett säkert område. Till exempel använder en 1,5MW vindturbinenhet SM8S-serien TVS i ledningsbanan från bladavledaren till navet. Med en toppeffektbearbetningskapacitet på 6000W under en vågform på 8/20 μs kan den effektivt klara av 4kV-svalleffekten som specificeras i IEC 61000-4-5-standarden, vilket minskar restspänningen från 4000V till under 50V och skyddar IGBT-modulen från skador på inverteringen.

När det gäller parametermatchning bör valet av TVS följa principen om "energigradientförlust":

Spänningsklämma: Välj en modell med en klämspänning (VC) som är lägre än den skyddade enhetens maximala motståndsspänning. Att till exempel välja en TVS med VC mindre än eller lika med 14V för en kontrollmodul som drivs av 12V säkerställer att spänningen begränsas till ett säkert område under en blixtvågform på 10/350 μs.
Effektkapacitet: Enligt standarden IEC 61000-4-5 kräver klass 4 blixtnedslag att TVS har en minsta pulseffekttolerans på 5000W. Ett visst vindkraftsprojekt till havs använder sig av 5KP-serien TVS, som har en toppeffekt på 5000W under en 10/1000 μs vågform och kan motstå en överspänningsström på 3kA under en 8/20 μs vågform.
Svarstid: Svarstiden för TVS bör vara mindre än den transienta stigtiden. Till exempel, för ESD-pulser på nanosekundnivå, väljs ett ESD-skydd med pikosekundnivåsvar för att fungera tillsammans med TVS för att bilda ett fler-skyddsnätverk.
3, Typiska tillämpningsscenarier för TVS i vindkraftssystem
Bladblinksystem: Installera en blixtanordning i rostfritt stål vid spetsen av bladet och anslut den till navet genom en 70 mm ² ledande kabel. För att förhindra sekundär ljusbågsbildning orsakad av blixtström under ledning ansluts en TVS-array parallellt vid anslutningen mellan kabeln och navet, och den transienta spänningen kläms under 600V för att skydda kolfiberbladstrukturen från bågeerosion.
Växelriktarskydd: Växelriktaren till en direktdriven permanentmagnetsynkrongenerator är en blixtkänslig kärnkomponent. En 2MW-enhet använder ett skyddsschema på tre-nivåer:
Främre steg: Gasurladdningsrör (GDT) absorberar huvudenergin, med en flödeskapacitet på upp till 20kA;
Mellannivå: TVS ansvarar för finbearbetning av restspänning, klämmer fast spänningen inom 100V;
Baksteg: Ytmonterad TVS-arrayskydd IGBT-drivkrets, svarstid Mindre än eller lika med 1ns.
Detta schema reducerar frekvensomformarens blixtnedslagsfel från i genomsnitt 3 gånger per år till noll.
Kommunikationsgränssnittsskydd: Kommunikationsgränssnitt som RS485 och CAN-buss för vindturbiner är känsliga för blixtnedslag. Genom att använda SRV05-4 TVS-arrayen kan dess fulla skyddsdesign för common mode/differential mode undertrycka ± 15 kV elektrostatisk urladdning och 5 kV överspänning under 10/700 μs vågform, vilket säkerställer en kommunikationsfelfrekvens under 10 ⁻⁷.
4, ekonomisk och tillförlitlig verifiering av TVS blixtskyddssystem
Ur livscykelkostnadsperspektivet (LCC) har TVS-systemet betydande fördelar. Ta en vindkraftpark på 50 MW som exempel:

Traditionell lösning: med en kombination av MOV+GDT är kostnaden för åskskydd för en enda enhet cirka 8000 yuan, men den genomsnittliga årliga kostnaden för felunderhåll är 120000 yuan;
TVS-plan: Kostnaden för åskskydd för en enskild enhet har ökat till 12 000 yuan, men på grund av en 1000-faldig ökning av svarshastigheten har den genomsnittliga årliga kostnaden för felunderhåll sänkts till 20 000 yuan.
Inom en 5-årscykel kan TVS-lösningen spara en total kostnad på 340 000 yuan och öka systemtillgängligheten från 98,2 % till 99,5 %.
När det gäller tillförlitlighetsverifiering är TVS felläge huvudsakligen öppen krets, vilket inte utgör en risk för kortslutning. De 10-åriga uppmätta data från TVS i ett visst vindkraftsprojekt till havs visar att dess felfrekvens är mindre än 0,001 %, mycket bättre än 0,1 % felfrekvens för MOV. Dessutom gör TVS:s lågtemperaturegenskaper (driftstemperaturområde -55 grader till +150 grader ) det möjligt att perfekt anpassa sig till den hårda miljön för havsbaserad vindkraft.