آیا استفاده از دیودهای TVS برای حفاظت در برابر صاعقه در سیستم های برق بادی منطقی است؟

1، تجزیه و تحلیل چند بعدی خطر برخورد صاعقه در سیستم های قدرت بادی
توربین‌های بادی اغلب در مناطق پرخطر مانند زمین‌های باز و بالای کوه‌ها با ارتفاع بیش از 150 متر ساخته می‌شوند. میدان الکتریکی دینامیکی که در اثر چرخش تیغه ها ایجاد می شود، احتمال بیشتری برای جذب رعد و برق دارد. صاعقه را می توان به دو نوع تقسیم کرد: صاعقه مستقیم و صاعقه القایی. صاعقه مستقیم مستقیماً بر روی تیغه ها یا برج ها تأثیر می گذارد و بلافاصله ده ها هزار آمپر جریان آزاد می کند که می تواند باعث ترک خوردن لایه فیبر کربن روی تیغه ها و خرابی عایق ژنراتورها شود. رعد و برق القایی هزاران ولت اضافه ولتاژ گذرا در مدار کنترل از طریق کوپلینگ الکترومغناطیسی ایجاد می کند و باعث سوختن قطعات دقیق مانند مبدل های فرکانس و سنسورها می شود. با در نظر گرفتن یک مزرعه بادی در آلمان به عنوان مثال، در برخورد رعد و برق در سال 2024، 85 درصد از خطاهای الکتریکی ناشی از نوسانات ولتاژ ناشی از رعد و برق القا شده است.

طرح سنتی حفاظت در برابر صاعقه از یک سیستم حفاظتی سه سطح- متشکل از میله های صاعقه، شبکه های زمین و محافظ های برق (SPD) استفاده می کند. با این حال، میله های صاعقه فقط می توانند در برابر برخورد مستقیم صاعقه دفاع کنند و در برابر صاعقه القایی ناتوان هستند. اگرچه وریستورهای اکسید فلزی (MOV) می توانند مقداری انرژی موج را جذب کنند، زمان پاسخ آنها می تواند به سطح میکروثانیه برسد و مقابله با پالس های گذرا در سطح نانو ثانیه را دشوار می کند. در این زمینه، دیودهای TVS به دلیل مزایای عملکرد منحصربه‌فردشان به یک جزء کلیدی در پر کردن شکاف حفاظتی تبدیل شده‌اند.

2، ویژگی های فنی و سازگاری حفاظت از رعد و برق دیودهای TVS
مزیت اصلی دیودهای TVS در مکانیزم شکست بهمن و قابلیت پاسخگویی در سطح نانوثانیه نهفته است. هنگامی که اضافه ولتاژهای گذرا بیش از ولتاژ شکست (VBR) در مدار اتفاق می افتد، TVS می تواند امپدانس را از مگا اهم به میلی اهم در عرض 1 نانوثانیه کاهش دهد و یک کانال تخلیه امپدانس کم را تشکیل دهد در حالی که ولتاژ را در محدوده ایمن نگه می دارد. به عنوان مثال، یک واحد توربین بادی 1.5 مگاواتی از تلویزیون های سری SM8S در مسیر هدایت از برقگیر پره تا هاب استفاده می کند. با توانایی پردازش حداکثر توان 6000 وات تحت شکل موج 8/20 میکرو ثانیه، می تواند به طور موثری با ضربه افزایش 4 کیلوولت مشخص شده در استاندارد IEC 61000-4-5 مقابله کند و ولتاژ باقیمانده را از 4000 ولت به زیر 50 ولت کاهش دهد و از آسیب ماژول IGBT محافظت کند.

از نظر تطبیق پارامترها، انتخاب TVS باید از اصل "تلفات گرادیان انرژی" پیروی کند:

گیره ولتاژ: مدلی را با ولتاژ گیره (VC) کمتر از حداکثر ولتاژ مقاومت دستگاه محافظت شده انتخاب کنید. به عنوان مثال، انتخاب یک TVS با VC کمتر یا برابر با 14 ولت برای یک ماژول کنترلی که با ولتاژ 12 ولت تغذیه می شود، تضمین می کند که ولتاژ به محدوده ایمن تحت شکل موج رعد و برق 10/350 میکرو ثانیه محدود می شود.
ظرفیت توان: طبق استاندارد IEC 61000-4-5، سطح برخورد صاعقه کلاس 4 مستلزم داشتن حداقل تحمل توان پالس 5000 وات TVS است. یک پروژه خاص انرژی باد فراساحلی از تلویزیون‌های سری 5KP استفاده می‌کند که دارای حداکثر توان 5000 وات تحت شکل موج 10/1000 میکرو ثانیه است و می‌تواند جریان موجی 3 کیلو آمپر را تحت شکل موج 8/20 میکرو ثانیه تحمل کند.
زمان پاسخگویی: زمان پاسخگویی TVS باید کمتر از زمان افزایش گذرا باشد. به عنوان مثال، برای پالس‌های ESD سطح نانوثانیه، یک محافظ ESD پاسخگوی پیکوثانیه انتخاب می‌شود تا در ارتباط با TVS کار کند تا یک شبکه حفاظت چند{1}سطحی تشکیل دهد.
3، سناریوهای کاربردی معمول TVS در سیستم های قدرت بادی
سیستم چشمک زن تیغه: یک دستگاه چشمک زن از جنس استنلس استیل را در نوک تیغه نصب کنید و آن را از طریق یک کابل رسانا 70 میلی متر مربعی به هاب متصل کنید. برای جلوگیری از ایجاد قوس ثانویه ناشی از جریان صاعقه در حین هدایت، یک آرایه TVS به صورت موازی در اتصال بین کابل و هاب وصل می شود و ولتاژ گذرا زیر 600 ولت بسته می شود تا ساختار تیغه فیبر کربن را از فرسایش قوس محافظت کند.
حفاظت از اینورتر: اینورتر یک ژنراتور سنکرون آهنربای دائم درایو مستقیم یک جزء هسته حساس به رعد و برق است. یک واحد 2 مگاواتی از طرح حفاظتی در سه سطح استفاده می کند:
مرحله جلو: لوله تخلیه گاز (GDT) انرژی اصلی را با ظرفیت جریان تا 20 کیلو آمپر جذب می کند.
سطح متوسط: TVS وظیفه پردازش خوب ولتاژ باقیمانده را بر عهده دارد و ولتاژ را در 100 ولت فشار می دهد.
مرحله عقب: محافظت از آرایه TVS روی سطح مدار راه انداز IGBT، زمان پاسخ کمتر یا مساوی 1 ثانیه.
این طرح میزان شکست صاعقه مبدل فرکانس را از میانگین 3 بار در سال به صفر کاهش می دهد.
حفاظت از رابط ارتباطی: رابط های ارتباطی مانند RS485 و CAN باس توربین های بادی مستعد تداخل ناشی از صاعقه هستند. با استفاده از آرایه SRV05-4 TVS، طراحی حفاظت کامل حالت مشترک/حالت دیفرانسیل آن می تواند تخلیه الکترواستاتیکی ± 15 کیلو ولت و جهش 5 کیلوولت را تحت شکل موج 10/700 میکرو ثانیه سرکوب کند و نرخ خطای ارتباطی زیر 10-7 را تضمین کند.
4، تأیید اقتصادی و قابلیت اطمینان طرح حفاظت از صاعقه TVS
از منظر هزینه چرخه عمر (LCC)، طرح TVS دارای مزایای قابل توجهی است. یک مزرعه بادی 50 مگاواتی را به عنوان مثال در نظر بگیرید:

راه حل سنتی: با استفاده از ترکیب MOV+GDT، هزینه حفاظت از صاعقه یک واحد منفرد حدود 8000 یوان است، اما میانگین هزینه سالانه تعمیر و نگهداری خطا 120000 یوان است.
طرح TVS: هزینه حفاظت در برابر صاعقه برای یک واحد به 12000 یوان افزایش یافته است، اما به دلیل افزایش 1000 برابری سرعت پاسخ، میانگین هزینه سالانه تعمیر و نگهداری خطا به 20000 یوان کاهش یافته است.
در طی یک چرخه 5 ساله، راه حل TVS می تواند در هزینه کل 340000 یوان صرفه جویی کند و در دسترس بودن سیستم را از 98.2٪ به 99.5٪ افزایش دهد.
از نظر تأیید قابلیت اطمینان، حالت خرابی TVS عمدتاً مدار باز است که خطر اتصال کوتاه را ایجاد نمی کند. داده‌های اندازه‌گیری شده 10- ساله TVS در یک پروژه خاص نیروی بادی فراساحلی نشان می‌دهد که میزان شکست آن کمتر از 0.001 درصد است، به مراتب بهتر از نرخ شکست 0.1 درصد MOV. علاوه بر این، ویژگی‌های دمای پایین TVS (محدوده دمای عملیاتی -55 درجه تا{7}} درجه) آن را قادر می‌سازد تا کاملاً با محیط خشن نیروی باد دریایی سازگار شود.