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摘要：
提出一種風機外部防雷系統電氣隔離的新方法，解決風機上外部防雷系統與電氣裝置無法保證物理電氣隔離距離的問題，以保證風機機艙內的裝置安全可靠地執行。
本文將透過原理介紹、引下線做法對比、實驗驗證以及實際應用案例四個方面的分析，來介紹一種具有等效隔離功能的DEHN HVI耐高壓絕緣引下線，以此來解決風力發電機組外部防雷系統電氣隔離的問題。
關鍵詞：
DEHN HVI耐高壓絕緣引下線、等效隔離、沿面放電、閃絡
風能，作為一種清潔而穩定的新能源，得到各國政府、機構和企業等的高度關注，風電也成為近年來世界上增長最快的能源之一。
但是風電機組海拔高、位置空曠、尖端金屬物、電氣裝置集中，這些因素導致風機遭受雷擊並受其影響的風險較高，雷電已經成為了影響風機安全執行的重要威脅之一。
在IEC 62305-3（雷電防護-第3部分：建築物的實體損害和生命危險）中關於外部防雷部分明確提出，外部雷電防護裝置（以下稱外部LPS）與金屬裝置、內部系統或者與需保護建築物相連的外部導電部件、管線可能會出現危險火花。通俗的講，就是當外部LPS洩放雷電流時，外部LPS表面可能會出現爬電現象，與臨近電氣裝置距離過近時，會發生空氣擊穿，也就是我們通常所說的閃絡現象，閃絡會造成裝置的損壞，甚至威脅到人身安全。針對這一情況，IEC 62305-3中提出的解決方法是外部LPS、建築物等電位連線的導電部件之間應保持合適的隔離距離，並給出了具體的隔離距離計算方法［1］。
透過與一些整機廠商的交流以及走訪一些風電場客戶，並對部分風力發電機機型進行現場勘查，瞭解到在風機外部防雷設計中往往不會考慮外部LPS與電氣裝置之間的隔離距離要求。我們也常聽到很多客戶提出抱怨：雖然機艙外氣象裝置安裝了接閃裝置，但是裝置還是會被雷擊損壞；雖然安裝了電湧保護器，但是有些臨近引下線的裝置還是損壞了。裝置損壞意味著風機需要暫停運轉進行檢修，因此造成了潛在損失不可估計。對於風機外部防雷系統，一般不會採用隔離做法，因為風機機艙外平臺空間小，而機艙內裝置眾多，佈設引下線時無法保證必要的隔離距離。
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耐高壓絕緣引下線
DEHN HVI耐高壓絕緣導線由內導體、耐高壓的絕緣材料、半導體層和外護套組成。內導體為銅材，外層覆蓋較厚的絕緣材料，半導體層採用特殊設計，使由雷電引起的高衝擊電壓按照規定的路徑洩放，從而防止導線表面出現沿面閃絡。DEHN HVI耐高壓絕緣引下線能滿足IEC 62305標準的電氣技術要求。能夠耐受一次直接雷擊的比能量（也就是整個雷擊過程中雷電流值平方的時間積分），其主要決定因素是導線的機械強度和耐熱強度，HVI耐高壓絕緣引下線在這方面完全沒有問題。等級最高的DEHN HVI Power耐高壓絕緣引下線整體系統的測試所使用的雷電流為200kA （10/350μs） ，符合IEC 61400-24中對風機雷電防護的要求，且適用於所有類別的雷電防護系統。
圖1 DEHN HVI耐高壓絕緣引下線的構成
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引下線對比
我們將傳統引下線、普通絕緣引下線以及DEHN HVI耐高壓絕緣引下線進行對比：
1）普通引下線沒有任何絕緣遮蔽措施，當雷電流經過引下線，因與臨近金屬裝置隔離距離過近，會有雷電火花閃絡至金屬管線，金屬管線連線至機艙內的其他裝置，造成裝置的損壞。
2）普通絕緣引下線，內部導體包裹著一層絕緣層，閃絡現象可以得到緩解，但是因為絕緣層表面未做特殊處理，當雷電流流過引下線時，引下線表面會發生爬電現象，當距離電氣裝置過近，也會存在雷電火花閃絡的風險。
3）DEHN HVI耐高壓絕緣引下線，包括三層結構，內部導體、絕緣層以及外表面的半導體層，當雷電流流過引下線時，引下線能夠把雷電流牢牢鎖在半導體層內部，保證不會有雷電火花閃絡的風險，給電氣裝置的安全執行提供了安全保障。
圖2 引下線對比
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實驗驗證
對於具有等效隔離功能的DEHN HVI耐高壓絕緣引下線的實驗驗證，在IEC TS 62561-8（雷電防護系統元件——隔離LPS元件的要求）裡有明確說明。最關鍵的兩項測試內容就是雷電流耐受能力以及等效隔離功能驗證［2］。
IEC 61400-24 風力發電機組雷電防護規定，除非風險分析有其他結論，否則所有子部件都應該按照LPL I（雷電防護等級）進行保護，LPL1是最高等級，意味著需要外部LPS必須耐受200kA、10/350μs的雷電流衝擊［3］。
這個測試按照下圖給出的測試佈置來執行的。為了測試絕緣引下線的等效隔離距離而採用對比驗證裝置。這個對比驗證裝置使用了在一個2m×2m的接地網上方佈置兩根交叉的金屬棒（導體直徑8±0。5mm、長度不小於2m），它們之間保證一個電氣距離Sc，接地網上的接地極的最小長度應該大於1。5m。對比驗證裝置與樣品之間的距離應至少保持2m。
圖3 DEHN HVI耐高壓絕緣引下線耐高壓及等效隔離距離功能測試
說明：
1。高壓脈衝發生器
2。高壓脈衝分壓器
3。衝擊測試裝置
4。對比驗證裝置
5。測試樣品（DEHN HVI耐高壓絕緣引下線）
圖4 樣品測試描述
說明：
1。DEHN HVI耐高壓絕緣引下線
2。金屬管
3。根據生產廠家的安裝說明進行連線（外表面等電位連線）
4。內導體
5。連線至高壓脈衝發生器
圖5 實驗室佈置圖
圖6 實驗室測試過程
在這個對比實驗中，對比測試裝置之間的電氣距離Sc可以設定為生產廠家聲稱的DEHN HVI耐高壓絕緣引下線的等效隔離距離。使用脈衝電壓發生器模擬720kV，0。45/2。7μs的測試衝擊電壓，測試結果顯示對比驗證裝置之間發生了放電現象，而無任何沿面放電透過DEHN HVI耐高壓絕緣引下線（結果如下圖）。
測試衝擊電壓：-720kV
結果：無沿面放電透過耐高壓絕緣引下線
圖7 無沿面放電透過DEHN HVI耐高壓絕緣引下線
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實際使用案例
某風電場位於雲南省曲靖市，由25臺某品牌1。5MW風機組成，經過技術人員現場勘查，發現位於風機機艙頂部的接閃針與風速風向儀未保證必須的隔離距離（如下圖所示）。風速風向儀連線著機艙內的裝置，一旦接閃針接閃，將會有雷電流閃絡至鄰近的風速風向儀及其訊號線路的風險，輕則造成裝置的損壞，重則人身安全受到威脅。由於風機機艙平臺面積很小，若要在其上安裝傳統物理隔離型接閃器，在保護範圍達標的前提下，通常無法滿足標準所要求的隔離距離的要求，一般國內風機的外部防雷設計會忽略這個隔離距離問題。這會存在潛在的風險，導致雷電流透過氣象裝置的訊號線路直接進入機艙，從而對機艙內裝置造成損壞甚至威脅到人身安全。
圖8 雲南某風電場風機現場勘查照片
所以對於風機機艙上的雷電保護系統，安裝非物理隔離型接閃裝置是個很好的選擇。DEHN HVI耐高壓絕緣引下線套件，則可以很好地解決這一問題：耐高壓絕緣導線自身具有一定的等效隔離距離，即使安裝在待保護裝置近旁，亦不會有雷電流透過引下線閃絡至裝置內。傳統引下線在傳導雷電流的過程中，在隔離距離不足的情況下極易與附近的設施裝置產生閃絡，從而造成設施裝置的損壞。設計將風機機艙上現有的外部防雷系統替換為DEHN HVI耐高壓絕緣引下線，無須保持物理隔離，即可達到IEC 62305-3 2010中所要求的安全隔離距離“S”的要求，有效防止閃絡等事故影響機艙內的裝置執行安全。
圖9 雲南某風電場風機DEHN HVI引下線改造完成
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總結
使用具有等效隔離距離功能的DEHN HVI耐高壓絕緣引下線，可以很好的解決風機外部防雷系統因物理空間不足無法與內部電氣裝置保持必要電氣隔離距離的問題，並保證了引下線可以完全承受200kA、10/350μs的雷電流的衝擊，既為風機機艙內的裝置及人員人身安全提供了安全保障，也間接地減少了客戶的經濟損失。
此外，DEHN HVI耐高壓絕緣引下線不僅適用於風電行業，在很多領域的外部防雷系統中都是理想的解決方案。如民用建築、工業建築、光伏系統、沼氣發電、訊號發射塔以及工業流程中產生的爆炸危險區域（如天然氣壓縮站、石油鑽塔）等。
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