中國與德國風區雷暴活動變化對比

1. 中國雷暴分布與主要風區的關系

1.1 什么是雷電

雷電(閃電)是一種正常的大氣放電現象，雷暴云是閃電的主要產生源，按照Winn et al(1974)的探空結果，當云中局部電場超過約400 kV/m 時，就能發生閃電放電。據統計，全球每天約有44000 個雷暴發生，平均每分鐘約有2000-4000 個雷暴在活動，其影響面積占全球面積的1%。按照目前對雷電的分類，可以將雷電分為：云閃和地閃兩類。而對于雷電在進行細化則可分為：云內閃、云際閃和地閃，此外還的閃電類型，如球形閃電、蛛狀閃電和天電(紅色精靈等)。目前隨著全球氣候變暖等問題的出現，全球雷暴活動近年來呈逐年活躍趨勢。2008 年7 月24 日中國四川監測到一次正閃+304.2kA， 隨著單次雷電流的不斷增加對于風力發電機組的影響也將日趨嚴重。

1.2 我國雷暴特點

我國的雷暴總體呈南多北少的特點，雷暴活動多發地集中在華南、西南南部以及青藏高原中東部地區，年雷暴日數在70 天以上，其中云南、海南、廣西3 省(區)的部分地區超過100 天，相當于一年有接近1/3 天數都有雷電活動，可見云南、海南、廣西是我國雷暴發生的地方。雷暴活動中等的地區主要集中在江南、西南東部、西藏、華北北部、西北部分地區，年雷暴日數在40~70 天之間。東北、華北、江淮、黃淮、江漢、西北東部及內蒙古中部和東部的雷暴活動較少，年平均20~40 天，西北地區大部、內蒙古中西部更少，不足20 天。

圖 1 我國雷暴分布

1.3 我國風資源豐富地區的雷暴活動

我國風能資源的分布與天氣氣候背景有著非常密切的關系，從我國風能資源分布圖上可以清楚看出(圖2)，我國風能資源豐富和較豐富的地區主要分布在三北(東北、華北、西北)地區豐富帶和沿海及其島嶼地豐富帶。

圖 2 中國風資源分布

結合風資源分布圖和全國雷暴分布圖可以看出，在三北地區的雷暴活動水平較低，而沿海風區和青藏高原風區的雷暴活動還是非常活躍的。據不統計，目前我國風電機組累計裝機量已經2,580萬 kW

隨著中國海上特許權等項目的開發，東部沿海地區的海上風力發電廠將得到迅速發展，而雷電對于海上風機的影響也將逐漸顯現。

表 1 全國典型風場雷暴日與雷擊密度

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1.4 近年我國雷暴活動趨勢

近年來受全球厄爾尼諾現象的影響，全球范圍雷暴活動水平呈逐年上升趨勢。直接反映雷暴活動的幾個個參量：雷暴日和雷擊密度還有雷暴時都被大眾所關心。在我國，雷暴活動也是跟隨全球變化的，總體上雷暴活動越來越強，按照中國氣象局公布的相關資料表明，全國雷暴日每一年都有變化，有增有減;但這并不能說明雷暴活動在減弱，只是說明不能再單純的用雷暴日來判斷雷暴活動的水平了。在IEC 62305 和GB 50057 的修改稿中都分別對雷擊密度和雷擊密度與雷暴日的計算做出了調整，從標準的變化也可以看出，雷擊密度逐漸的被重視，采用雷擊密度或者雷暴時將能夠更為準確的表示雷暴活動水平。表1 中顯示了我國主要風區的雷暴日和雷擊密度，表1 的雷擊密度的計算就是參考的標準規定計算的，那么怎樣來說明我國的雷暴活動正在增加呢?圖3-6顯示了我國2004-2007 年四年間的雷擊密度活動變化。

圖 3 2004年雷擊密度分布圖

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圖 4 2005 年雷擊密度分布圖

圖 5 2006 年雷擊密度分布圖

圖 6 2007 年雷擊密度分布圖

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從四張雷擊密度分布圖中不難發現，雖然雷暴活動的主要活動區域變化不大，但是單位區域的雷擊密度活動變化還是非常大的。2004 年采用的大尺度觀測結果表明，雷擊密度的地區是福建、安徽、湖南、湖北、東部沿海地區、華中部分地區還有內陸山脈地區，到了2007 年采用了標準的雷擊密度觀測單位后雷擊密度的高發區域發生了較大變化：河南、江蘇、廣東、廣西、云南、四川及華北、東北北部城市都成了雷擊密度較高的地區。圖7 顯示了自1998 年以來截至到2004 年的不統計數據，我國雷電災害數量呈上升趨勢。雷電災害的平均增長率達到73.8%。在不同行業中，電力系統的雷擊災害占總量的24.7%，但不包括風電行業的雷擊數據。在國內風電場受雷電影響的是海南某風電場，其葉片的損壞率達到5.56 片/百片?年。這表明每33 臺機組一年中有5 片葉片因雷擊損壞，而由雷擊造成的潛在損壞并沒有在統計范圍內，如果把直接損壞與潛在損壞合并統計，損壞率應高于這個數據。

圖 7 1998-2004 全國雷電災害變化趨勢

2 德國雷暴活動分布與風區的關系

德國與中國黑龍江省的緯度相當，德國的中心緯度為北緯51°04′左右，哈爾濱的緯度為北緯45°04′左右，所以在雷暴活動上基本相當，全球雷暴活動主要活動范圍在40°N-40°S 之間，所以在40°N 線以北的地區雷暴活動性對都比較低。根據德國氣象局公布的資料顯示，德國全境的雷電分布主要集中在中西、西南部的山區，主要是由于西南地區屬于阿爾卑斯山脈及巴伐利亞阿爾卑斯山區，造成鋒面雷暴活動相對集中，而北部平原地區受到大西洋西風帶的影響，冷暖空氣對流較少，相對鋒面雷暴活動更低。這也說明了為什么德國及歐洲的主要風區集中在德國、英國、丹麥及挪威沿海地區。資料表明，德國全境年雷擊密度為5 個/km2a,而北部風區的雷擊密度更低，不超過3個/km2a，所以按照德國、丹麥的相關統計數據雷擊僅占機裝機總量的不足10%。這以數據與我國內蒙地區部分風場的雷擊(不統計)數據相持平;圖8 顯示了德國的雷擊密度分布，圖9 顯示了歐洲的風區分布。

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圖 8 德國1999-2006 年雷擊密度分布圖

圖 9 歐洲風資源分布圖

3. 結論

我國南北緯度跨度大，雷暴活動與德國的雷暴活動有著本質的區別。目前很多風力發電機組的防雷設計仍然參考德國或者丹麥的機組雷擊數據，從整體來講是不能滿足我國實際需要的，同樣的IEC 標準序列和我國風電相關標準中目前仍然沒有針對風力發電機組防雷設計的標準性文件，這對于我國風力發電機組的整機防雷和風場機組接地設計都存在一定的影響。筆者認為對于目前IEC61400-24 這一技術文件，不能過于依賴和照搬;比如鄰國日本在2008 年已經明確了要根據本國的實際情況，制定符合本國雷暴活動特點的風力發電機組技術標準，雖然日本與我國東北雷暴活動相當，但是日本具有全球為活躍的冬季雷暴，而這一特點對日本的風力發電機組造成的損壞成都相當嚴重。可見，制定符合本土實際情況的風電防雷標準對助力風電產業發展具有重要的意義。在某些程度上，基于地理及氣象活動特點而言，歐洲對風力發電機組的防雷設計并不是十分重視，這也導致了我國早期引入風力發電機組安裝在東部沿海地區時曾造成水土不服的狀況，例如江蘇、汕頭等地的風場，雷擊損壞率都較高。本文僅通過對國內重要風區的雷暴活動和全國雷暴活動趨勢的介紹，與德國雷暴活動情況的簡單對比，反映我國風區雷暴活動復雜的情況。

參考資料：

[1] 陳渭民 雷電學原理(第2 版) 中國氣象出版社2006 年6 月

[2] 2008 年四川省氣象公報 四川省氣象局

[3] 李俊峰 施鵬飛 高虎 中國風電發展報告2010 海南出版社

[4] 建筑物防雷設計規范 GB50057

[5] 中國氣象局大氣探測中心雷電監測產品

[6] 胡先鋒 等 1998—2004 年中國雷電災害特征分析 氣象與減災研究 2007 年 9 月 第30 卷 第3 期

[7] 趙海翔 等 風電機組的雷擊過電壓分析 電網技術 2004 年2 月第28 期

[8] key lightning starkes between 1999and2006 / Vds Meteo-Info

[9] 莊 嚴 風力發電廠雷電風險評估 風能 2010 年

[10] 中國風力發電網 網站資料

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