摘要：提出一種風機外部防雷系統(tǒng)電氣隔離的新方法，解決風機上外部防雷系統(tǒng)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(nèi)的設(shè)備安全可靠地運行。本文將通過原理介紹、引下線做法對比、實驗驗證以及實際應(yīng)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(fā)電機組外部防雷系統(tǒng)電氣隔離的問題。

關(guān)鍵詞：DEHN HVI耐高壓絕緣引下線、等效隔離、沿面放電、閃絡(luò)

風能，作為一種清潔而穩(wěn)定的新能源，得到各國政府、機構(gòu)和企業(yè)等的高度關(guān)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、電氣設(shè)備集中，這些因素導(dǎo)致風機遭受雷擊并受其影響的風險較高，雷電已經(jīng)成為了影響風機安全運行的重要威脅之一。

在IEC 62305-3（雷電防護-第3部分：建筑物的實體損害和生命危險）中關(guān)于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(nèi)部系統(tǒng)或者與需保護建筑物相連的外部導(dǎo)電部件、管線可能會出現(xiàn)危險火花。通俗的講，就是當外部LPS泄放雷電流時，外部LPS表面可能會出現(xiàn)爬電現(xiàn)象，與臨近電氣設(shè)備距離過近時，會發(fā)生空氣擊穿，也就是我們通常所說的閃絡(luò)現(xiàn)象，閃絡(luò)會造成設(shè)備的損壞，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、建筑物等電位連接的導(dǎo)電部件之間應(yīng)保持合適的隔離距離，并給出了具體的隔離距離計算方法[1]。

通過與一些整機廠商的交流以及走訪一些風電場客戶，并對部分風力發(fā)電機機型進行現(xiàn)場勘查,了解到在風機外部防雷設(shè)計中往往不會考慮外部LPS與電氣設(shè)備之間的隔離距離要求。我們也常聽到很多客戶提出抱怨：雖然機艙外氣象設(shè)備安裝了接閃裝置，但是設(shè)備還是會被雷擊損壞；雖然安裝了電涌保護器，但是有些臨近引下線的設(shè)備還是損壞了。設(shè)備損壞意味著風機需要暫停運轉(zhuǎn)進行檢修，因此造成了潛在損失不可估計。對于風機外部防雷系統(tǒng)，一般不會采用隔離做法，因為風機機艙外平臺空間小，而機艙內(nèi)設(shè)備眾多，布設(shè)引下線時無法保證必要的隔離距離。

1、耐高壓絕緣引下線

DEHN HVI耐高壓絕緣導(dǎo)線由內(nèi)導(dǎo)體、耐高壓的絕緣材料、半導(dǎo)體層和外護套組成。內(nèi)導(dǎo)體為銅材，外層覆蓋較厚的絕緣材料，半導(dǎo)體層采用特殊設(shè)計，使由雷電引起的高沖擊電壓按照規(guī)定的路徑泄放，從而防止導(dǎo)線表面出現(xiàn)沿面閃絡(luò)。DEHN HVI耐高壓絕緣引下線能滿足IEC 62305標準的電氣技術(shù)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(dǎo)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(tǒng)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，且適用于所有類別的雷電防護系統(tǒng)。

圖1 DEHN HVI耐高壓絕緣引下線的構(gòu)成

2、引下線對比

我們將傳統(tǒng)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屏蔽措施，當雷電流經(jīng)過引下線，因與臨近金屬設(shè)備隔離距離過近，會有雷電火花閃絡(luò)至金屬管線，金屬管線連接至機艙內(nèi)的其他設(shè)備，造成設(shè)備的損壞。

2）普通絕緣引下線，內(nèi)部導(dǎo)體包裹著一層絕緣層，閃絡(luò)現(xiàn)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(fā)生爬電現(xiàn)象，當距離電氣設(shè)備過近，也會存在雷電火花閃絡(luò)的風險。

3）DEHN HVI耐高壓絕緣引下線，包括三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部導(dǎo)體、絕緣層以及外表面的半導(dǎo)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(dǎo)體層內(nèi)部，保證不會有雷電火花閃絡(luò)的風險，給電氣設(shè)備的安全運行提供了安全保障。

圖2 引下線對比

3、實驗驗證

對于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(tǒng)組件——隔離LPS組件的要求）里有明確說明。最關(guān)鍵的兩項測試內(nèi)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(fā)電機組雷電防護規(guī)定，除非風險分析有其他結(jié)論，否則所有子部件都應(yīng)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的雷電流沖擊[3]。

這個測試按照下圖給出的測試布置來執(zhí)行的。為了測試絕緣引下線的等效隔離距離而采用對比驗證裝置。這個對比驗證裝置使用了在一個2m×2m的接地網(wǎng)上方布置兩根交叉的金屬棒（導(dǎo)體直徑8±0.5mm、長度不小于2m），它們之間保證一個電氣距離Sc，接地網(wǎng)上的接地極的最小長度應(yīng)該大于1.5m。對比驗證裝置與樣品之間的距離應(yīng)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.高壓脈沖發(fā)生器

2.高壓脈沖分壓器

3.沖擊測試裝置

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(jù)生產(chǎn)廠家的安裝說明進行連接（外表面等電位連接）

4.內(nèi)導(dǎo)體

5.連接至高壓脈沖發(fā)生器

圖5 實驗室布置圖

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(shè)置為生產(chǎn)廠家聲稱的DEHN HVI耐高壓絕緣引下線的等效隔離距離。使用脈沖電壓發(fā)生器模擬720kV，0.45/2.7μs的測試沖擊電壓，測試結(jié)果顯示對比驗證裝置之間發(fā)生了放電現(xiàn)象，而無任何沿面放電通過DEHN HVI耐高壓絕緣引下線（結(jié)果如下圖）。

測試沖擊電壓：-720kV

結(jié)果：無沿面放電通過耐高壓絕緣引下線

圖7 無沿面放電通過DEHN HVI耐高壓絕緣引下線

4、實際使用案例

某風電場位于云南省曲靖市，由25臺某品牌1.5MW風機組成，經(jīng)過技術(shù)人員現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)位于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）。風速風向儀連接著機艙內(nèi)的設(shè)備，一旦接閃針接閃，將會有雷電流閃絡(luò)至鄰近的風速風向儀及其信號線路的風險，輕則造成設(shè)備的損壞，重則人身安全受到威脅。由于風機機艙平臺面積很小，若要在其上安裝傳統(tǒng)物理隔離型接閃器，在保護范圍達標的前提下，通常無法滿足標準所要求的隔離距離的要求，一般國內(nèi)風機的外部防雷設(shè)計會忽略這個隔離距離問題。這會存在潛在的風險，導(dǎo)致雷電流通過氣象設(shè)備的信號線路直接進入機艙，從而對機艙內(nèi)設(shè)備造成損壞甚至威脅到人身安全。

圖8 云南某風電場風機現(xiàn)場勘查照片

所以對于風機機艙上的雷電保護系統(tǒng)，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(dǎo)線自身具有一定的等效隔離距離，即使安裝在待保護設(shè)備近旁，亦不會有雷電流通過引下線閃絡(luò)至設(shè)備內(nèi)。傳統(tǒng)引下線在傳導(dǎo)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(shè)施設(shè)備產(chǎn)生閃絡(luò)，從而造成設(shè)施設(shè)備的損壞。設(shè)計將風機機艙上現(xiàn)有的外部防雷系統(tǒng)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(luò)等事故影響機艙內(nèi)的設(shè)備運行安全。

圖9 云南某風電場風機DEHN HVI引下線改造完成

5、總結(jié)

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(tǒng)因物理空間不足無法與內(nèi)部電氣設(shè)備保持必要電氣隔離距離的問題，并保證了引下線可以完全承受200kA、10/350μs的雷電流的沖擊，既為風機機艙內(nèi)的設(shè)備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(jīng)濟損失。

此外，DEHN HVI耐高壓絕緣引下線不僅適用于風電行業(yè)，在很多領(lǐng)域的外部防雷系統(tǒng)中都是理想的解決方案。如民用建筑、工業(yè)建筑、光伏系統(tǒng)、沼氣發(fā)電、信號發(fā)射塔以及工業(yè)流程中產(chǎn)生的爆炸危險區(qū)域（如天然氣壓縮站、石油鉆塔）等。

參考文獻：

[1] 雷電防護第三部分：建筑物的實體損害和生命危險 IEC 62305-3 2010

[2] 防雷系統(tǒng)組件(LPSC) 第8部分絕緣雷電防護系統(tǒng)的要求 IEC TS 62561-8-2018

[3] 風力發(fā)電機組第二十四部分 雷電防護 IEC 61400-24:2010