هل من المعقول استخدام الثنائيات TVS للحماية من الصواعق في أنظمة طاقة الرياح؟

1، تحليل متعدد الأبعاد لمخاطر الصواعق في أنظمة طاقة الرياح
غالبًا ما يتم بناء توربينات الرياح في مناطق -عالية الخطورة مثل الحقول المفتوحة وقمم الجبال، والتي يزيد ارتفاعها عن 150 مترًا. من المرجح أن يجذب المجال الكهربائي الديناميكي الناتج عن دوران الشفرات البرق. يمكن تقسيم الصواعق إلى نوعين: الصواعق المباشرة والصواعق المستحثة. تؤثر ضربات البرق المباشرة بشكل مباشر على الشفرات أو الأبراج، وتطلق على الفور عشرات الآلاف من الأمبيرات من التيار، مما قد يتسبب في تشقق طبقة ألياف الكربون على الشفرات وانهيار عزل المولدات؛ يولّد البرق التعريفي آلاف الفولتات من الجهد الزائد العابر في دائرة التحكم من خلال الاقتران الكهرومغناطيسي، مما يتسبب في احتراق المكونات الدقيقة مثل محولات التردد وأجهزة الاستشعار. لنأخذ مزرعة رياح في ألمانيا على سبيل المثال، في عام 2024، حدثت 85% من الأعطال الكهربائية نتيجة لارتفاع الجهد الناتج عن البرق المستحث في عام 2024.

يعتمد نظام الحماية من الصواعق التقليدي على نظام حماية ثلاثي-يتكون من مانعات الصواعق وشبكات التأريض وأجهزة الحماية من زيادة التيار (SPD). ومع ذلك، لا يمكن لقضبان الصواعق الدفاع إلا ضد ضربات البرق المباشرة وتكون عاجزة ضد البرق المستحث؛ على الرغم من أن مكثفات أكسيد الفلز (MOVs) يمكن أن تمتص بعض الطاقة المفاجئة، إلا أن وقت استجابتها يمكن أن يصل إلى مستوى ميكروثانية، مما يجعل من الصعب التعامل مع النبضات العابرة بمستوى النانو ثانية. وفي هذا السياق، أصبحت الثنائيات TVS عنصرًا رئيسيًا في سد فجوة الحماية نظرًا لمزايا أدائها الفريدة.

2 ، الخصائص التقنية والقدرة على التكيف مع الحماية من الصواعق لثنائيات TVS
تكمن الميزة الأساسية لثنائيات TVS في آلية انهيار الانهيار الجليدي وقدرتها على الاستجابة على مستوى النانو ثانية. عندما تتجاوز الفولتية الزائدة العابرة جهد الانهيار (VBR) في الدائرة، يمكن لـ TVS تقليل المعاوقة من ميغا أوم إلى ميلي أوم خلال 1 نانو ثانية، مما يشكل قناة تفريغ ذات مقاومة منخفضة أثناء تثبيت الجهد ضمن نطاق آمن. على سبيل المثال، تستخدم وحدة توربينات الرياح بقدرة 1.5 ميجاوات سلسلة SM8S TVS في مسار التوصيل من مانع الشفرات إلى المحور. بفضل قدرة معالجة الطاقة القصوى البالغة 6000 واط تحت شكل موجة 8/20 ميكرو ثانية، يمكنه التعامل بشكل فعال مع تأثير زيادة 4 كيلو فولت المحدد في معيار IEC 61000-4-5، مما يقلل الجهد المتبقي من 4000 فولت إلى أقل من 50 فولت ويحمي وحدة IGBT للعاكس من التلف.

فيما يتعلق بمطابقة المعلمات، يجب أن يتبع اختيار TVS مبدأ "تبديد تدرج الطاقة":

مشبك الجهد: حدد الطراز الذي يكون جهد المشبك (VC) أقل من الحد الأقصى لجهد التحمل للجهاز المحمي. على سبيل المثال، اختيار TVS مع VC أقل من أو يساوي 14 فولت لوحدة التحكم التي تعمل بـ 12 فولت يضمن أن الجهد يقتصر على نطاق آمن تحت شكل موجة البرق 10/350 ميكرو ثانية.
سعة الطاقة: وفقًا لمعيار IEC 61000-4-5، يتطلب مستوى ضربة البرق من الفئة 4 أن تتمتع أجهزة التلفاز بحد أدنى لتحمل طاقة النبض قدره 5000 وات. يعتمد مشروع معين لطاقة الرياح البحرية سلسلة TVS 5KP، والتي تبلغ قدرتها القصوى 5000 واط تحت شكل موجة 10/1000 ميكروثانية ويمكنها تحمل تيار متصاعد قدره 3 كيلو أمبير تحت شكل موجة 8/20 ميكروثانية.
زمن الاستجابة: يجب أن يكون زمن استجابة TVS أقل من زمن الارتفاع العابر. على سبيل المثال، بالنسبة لنبضات التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) بمستوى النانو ثانية، يتم تحديد واقي التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) ذي استجابة مستوى البيكو ثانية للعمل جنبًا إلى جنب مع TVS لتشكيل شبكة حماية متعددة-المستويات.
3، سيناريوهات التطبيق النموذجية لـ TVS في أنظمة طاقة الرياح
نظام وميض الشفرة: قم بتركيب جهاز وميض من الفولاذ المقاوم للصدأ عند طرف الشفرة وقم بتوصيله بالمحور من خلال كابل موصل مقاس 70 مم². لمنع الانحناء الثانوي الناتج عن تيار البرق أثناء التوصيل، يتم توصيل مجموعة TVS بالتوازي عند الاتصال بين الكابل والمحور، ويتم تثبيت الجهد العابر أقل من 600 فولت لحماية هيكل شفرة ألياف الكربون من تآكل القوس.
حماية العاكس: العاكس للمولد المتزامن ذو المغناطيس الدائم ذو الدفع المباشر هو مكون أساسي حساس للصواعق. تعتمد الوحدة بقدرة 2 ميجاوات نظام حماية ثلاثي المستويات-:
المرحلة الأمامية: يمتص أنبوب تفريغ الغاز (GDT) الطاقة الرئيسية، بقدرة تدفق تصل إلى 20 كيلو أمبير؛
المستوى المتوسط: TVS مسؤول عن المعالجة الدقيقة للجهد المتبقي، وتثبيت الجهد في حدود 100 فولت؛
المرحلة الخلفية: دائرة تشغيل IGBT لحماية مجموعة TVS المثبتة على السطح، وقت الاستجابة أقل من أو يساوي 1ns.
يعمل هذا المخطط على تقليل معدل فشل الصاعقة لمحول التردد من متوسط ​​3 مرات سنويًا إلى الصفر.
حماية واجهة الاتصال: تكون واجهات الاتصال مثل RS485 وناقل CAN لتوربينات الرياح عرضة للتداخل الناجم عن البرق. من خلال اعتماد مجموعة SRV05-4 TVS، يمكن لتصميم الحماية الكاملة للوضع المشترك/الوضع التفاضلي قمع ± 15 كيلو فولت من التفريغ الكهروستاتيكي وزيادة 5 كيلو فولت تحت شكل موجة 10/700 ميكروثانية، مما يضمن معدل خطأ في الاتصال أقل من 10 ⁻⁷.
4، التحقق الاقتصادي والموثوقية لنظام الحماية من الصواعق TVS
من منظور تكلفة دورة الحياة (LCC)، يتمتع نظام TVS بمزايا كبيرة. خذ مزرعة رياح بقدرة 50 ميجاوات كمثال:

الحل التقليدي: باستخدام مجموعة MOV + GDT، تبلغ تكلفة الحماية من الصواعق لوحدة واحدة حوالي 8000 يوان، ولكن متوسط ​​التكلفة السنوية لصيانة الأعطال هو 120000 يوان؛
خطة TVS: زادت تكلفة الحماية من الصواعق لوحدة واحدة إلى 12000 يوان، ولكن بسبب زيادة سرعة الاستجابة بمقدار 1000 مرة، انخفض متوسط ​​التكلفة السنوية لصيانة الأعطال إلى 20000 يوان.
وفي غضون دورة مدتها 5 سنوات، يمكن لحل TVS توفير تكلفة إجمالية قدرها 340000 يوان وزيادة توفر النظام من 98.2% إلى 99.5%.
فيما يتعلق بالتحقق من الموثوقية، فإن وضع فشل TVS هو بشكل أساسي دائرة مفتوحة، والتي لا تشكل خطر حدوث ماس كهربائي. تُظهر البيانات المقاسة لمدة 10-سنوات لـ TVS في مشروع معين لطاقة الرياح البحرية أن معدل فشلها أقل من 0.001%، وهو أفضل بكثير من معدل فشل 0.1% لـ MOV. بالإضافة إلى ذلك، فإن خصائص درجات الحرارة المنخفضة لـ TVS (نطاق درجة حرارة التشغيل -55 درجة إلى +150 درجة) تمكنها من التكيف بشكل مثالي مع البيئة القاسية لطاقة الرياح البحرية.