摘要：提出一种风机外部防雷系统电气隔离的新方法，解决风机上外部防雷系统与电气装置无法保证物理电气隔离距离的问题，以保证风机机舱内的设备安全可靠地运行。本文将通过原理介绍、引下线做法对比、实验验证以及实际应用案例四个方面的分析，来介绍一种具有等效隔离功能的DEHN HVI耐高压绝缘引下线，以此来解决风力发电机组外部防雷系统电气隔离的问题。
风能，作为一种清洁而稳定的新能源，得到各国政府、机构和企业等的高度关注，风电也成为近年来世界上增长最快的能源之一。但是风电机组海拔高、位置空旷、尖端金属物、电气设备集中，这些因素导致风机遭受雷击并受其影响的风险较高，雷电已经成为了影响风机安全运行的重要威胁之一。
在IEC 62305-3（雷电防护-第3部分：建筑物的实体损害和生命危险）中关于外部防雷部分明确提出，外部雷电防护装置（以下称外部LPS）与金属装置、内部系统或者与需保护建筑物相连的外部导电部件、管线可能会出现危险火花。通俗的讲，就是当外部LPS泄放雷电流时，外部LPS表面可能会出现爬电现象，与临近电气设备距离过近时，会发生空气击穿，也就是我们通常所说的闪络现象，闪络会造成设备的损坏，甚至威胁到人身安全。针对这一情况，IEC 62305-3中提出的解决方法是外部LPS、建筑物等电位连接的导电部件之间应保持合适的隔离距离，并给出了具体的隔离距离计算方法[1]。
通过与一些整机厂商的交流以及走访一些风电场客户，并对部分风力发电机机型进行现场勘查,了解到在风机外部防雷设计中往往不会考虑外部LPS与电气设备之间的隔离距离要求。我们也常听到很多客户提出抱怨：虽然机舱外气象设备安装了接闪装置，但是设备还是会被雷击损坏；虽然安装了电涌保护器，但是有些临近引下线的设备还是损坏了。设备损坏意味着风机需要暂停运转进行检修，因此造成了潜在损失不可估计。对于风机外部防雷系统，一般不会采用隔离做法，因为风机机舱外平台空间小，而机舱内设备众多，布设引下线时无法保证必要的隔离距离。
DEHN HVI耐高压绝缘导线由内导体、耐高压的绝缘材料、半导体层和外护套组成。内导体为铜材，外层覆盖较厚的绝缘材料，半导体层采用特殊设计，使由雷电引起的高冲击电压按照规定的路径泄放，从而防止导线表面出现沿面闪络。DEHN HVI耐高压绝缘引下线能满足IEC 62305标准的电气技术要求。能够耐受一次直接雷击的比能量（也就是整个雷击过程中雷电流值平方的时间积分），其主要决定因素是导线的机械强度和耐热强度，HVI耐高压绝缘引下线在这方面完全没有问题。等级最高的DEHN HVI Power耐高压绝缘引下线整体系统的测试所使用的雷电流为200kA (10/350μs) ，符合IEC 61400-24中对风机雷电防护的要求，且适用于所有类别的雷电防护系统。
图1 DEHN HVI耐高压绝缘引下线的构成
我们将传统引下线、普通绝缘引下线以及DEHN HVI耐高压绝缘引下线进行对比：
1）普通引下线没有任何绝缘屏蔽措施，当雷电流经过引下线，因与临近金属设备隔离距离过近，会有雷电火花闪络至金属管线，金属管线连接至机舱内的其他设备，造成设备的损坏。
2）普通绝缘引下线，内部导体包裹着一层绝缘层，闪络现象可以得到缓解，但是因为绝缘层表面未做特殊处理，当雷电流流过引下线时，引下线表面会发生爬电现象，当距离电气设备过近，也会存在雷电火花闪络的风险。
3）DEHN HVI耐高压绝缘引下线，包括三层结构，内部导体、绝缘层以及外表面的半导体层，当雷电流流过引下线时，引下线能够把雷电流牢牢锁在半导体层内部，保证不会有雷电火花闪络的风险，给电气设备的安全运行提供了安全保障。
图2 引下线对比
对于具有等效隔离功能的DEHN HVI耐高压绝缘引下线的实验验证，在IEC TS 62561-8（雷电防护系统组件——隔离LPS组件的要求）里有明确说明。最关键的两项测试内容就是雷电流耐受能力以及等效隔离功能验证[2]。
IEC 61400-24 风力发电机组雷电防护规定，除非风险分析有其他结论，否则所有子部件都应该按照LPL I（雷电防护等级）进行保护，LPL1是最高等级，意味着需要外部LPS必须耐受200kA、10/350μs的雷电流冲击[3]。
这个测试按照下图给出的测试布置来执行的。为了测试绝缘引下线的等效隔离距离而采用对比验证装置。这个对比验证装置使用了在一个2m×2m的接地网上方布置两根交叉的金属棒（导体直径8±0.5mm、长度不小于2m），它们之间保证一个电气距离Sc，接地网上的接地极的最小长度应该大于1.5m。对比验证装置与样品之间的距离应至少保持2m。
图3 DEHN HVI耐高压绝缘引下线耐高压及等效隔离距离功能测试
说明：
1.高压脉冲发生器
2.高压脉冲分压器
3.冲击测试装置
4.对比验证装置
5.测试样品（DEHN HVI耐高压绝缘引下线）
图4 样品测试描述
说明：
1.DEHN HVI耐高压绝缘引下线
2.金属管
3.根据生产厂家的安装说明进行连接（外表面等电位连接）
4.内导体
5.连接至高压脉冲发生器
图5 实验室布置图
图6 实验室测试过程
在这个对比实验中，对比测试装置之间的电气距离Sc可以设置为生产厂家声称的DEHN HVI耐高压绝缘引下线的等效隔离距离。使用脉冲电压发生器模拟720kV，0.45/2.7μs的测试冲击电压，测试结果显示对比验证装置之间发生了放电现象，而无任何沿面放电通过DEHN HVI耐高压绝缘引下线（结果如下图）。
测试冲击电压：-720kV
结果：无沿面放电通过耐高压绝缘引下线
图7 无沿面放电通过DEHN HVI耐高压绝缘引下线
某风电场位于云南省曲靖市，由25台某品牌1.5MW风机组成，经过技术人员现场勘查，发现位于风机机舱顶部的接闪针与风速风向仪未保证必须的隔离距离（如下图所示）。风速风向仪连接着机舱内的设备，一旦接闪针接闪，将会有雷电流闪络至邻近的风速风向仪及其信号线路的风险，轻则造成设备的损坏，重则人身安全受到威胁。由于风机机舱平台面积很小，若要在其上安装传统物理隔离型接闪器，在保护范围达标的前提下，通常无法满足标准所要求的隔离距离的要求，一般国内风机的外部防雷设计会忽略这个隔离距离问题。这会存在潜在的风险，导致雷电流通过气象设备的信号线路直接进入机舱，从而对机舱内设备造成损坏甚至威胁到人身安全。
图8 云南某风电场风机现场勘查照片
所以对于风机机舱上的雷电保护系统，安装非物理隔离型接闪装置是个很好的选择。DEHN HVI耐高压绝缘引下线套件，则可以很好地解决这一问题：耐高压绝缘导线自身具有一定的等效隔离距离，即使安装在待保护设备近旁，亦不会有雷电流通过引下线闪络至设备内。传统引下线在传导雷电流的过程中，在隔离距离不足的情况下极易与附近的设施设备产生闪络，从而造成设施设备的损坏。设计将风机机舱上现有的外部防雷系统替换为DEHN HVI耐高压绝缘引下线，无须保持物理隔离，即可达到IEC 62305-3 2010中所要求的安全隔离距离“S”的要求，有效防止闪络等事故影响机舱内的设备运行安全。
图9 云南某风电场风机DEHN HVI引下线改造完成
使用具有等效隔离距离功能的DEHN HVI耐高压绝缘引下线，可以很好的解决风机外部防雷系统因物理空间不足无法与内部电气设备保持必要电气隔离距离的问题，并保证了引下线可以完全承受200kA、10/350μs的雷电流的冲击，既为风机机舱内的设备及人员人身安全提供了安全保障，也间接地减少了客户的经济损失。
此外，DEHN HVI耐高压绝缘引下线不仅适用于风电行业，在很多领域的外部防雷系统中都是理想的解决方案。如民用建筑、工业建筑、光伏系统、沼气发电、信号发射塔以及工业流程中产生的爆炸危险区域（如天然气压缩站、石油钻塔）等。