中國與德國風(fēng)區(qū)雷暴活動變化對比

1. 中國雷暴分布與主要風(fēng)區(qū)的關(guān)系

1.1 什么是雷電

雷電(閃電)是一種正常的大氣放電現(xiàn)象，雷暴云是閃電的主要產(chǎn)生源，按照Winn et al(1974)的探空結(jié)果，當(dāng)云中局部電場超過約400 kV/m 時，就能發(fā)生閃電放電。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每天約有44000 個雷暴發(fā)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(jìn)行細(xì)化則可分為：云內(nèi)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(xiàn)，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(jiān)測到一次正閃+304.2kA， 隨著單次雷電流的不斷增加對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響也將日趨嚴(yán)重。

1.2 我國雷暴特點(diǎn)

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

圖 1 我國雷暴分布

1.3 我國風(fēng)資源豐富地區(qū)的雷暴活動

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

圖 2 中國風(fēng)資源分布

結(jié)合風(fēng)資源分布圖和全國雷暴分布圖可以看出，在三北地區(qū)的雷暴活動水平較低，而沿海風(fēng)區(qū)和青藏高原風(fēng)區(qū)的雷暴活動還是非?；钴S的。據(jù)不統(tǒng)計(jì)，目前我國風(fēng)電機(jī)組累計(jì)裝機(jī)量已經(jīng)2,580萬 kW

隨著中國海上特許權(quán)等項(xiàng)目的開發(fā)，東部沿海地區(qū)的海上風(fēng)力發(fā)電廠將得到迅速發(fā)展，而雷電對于海上風(fēng)機(jī)的影響也將逐漸顯現(xiàn)。

表 1 全國典型風(fēng)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(xiàn)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(guān)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(qiáng)，按照中國氣象局公布的相關(guān)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(jì)算做出了調(diào)整，從標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確的表示雷暴活動水平。表1 中顯示了我國主要風(fēng)區(qū)的雷暴日和雷擊密度，表1 的雷擊密度的計(jì)算就是參考的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定計(jì)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(fā)現(xiàn)，雖然雷暴活動的主要活動區(qū)域變化不大，但是單位區(qū)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(jié)果表明，雷擊密度的地區(qū)是福建、安徽、湖南、湖北、東部沿海地區(qū)、華中部分地區(qū)還有內(nèi)陸山脈地區(qū)，到了2007 年采用了標(biāo)準(zhǔn)的雷擊密度觀測單位后雷擊密度的高發(fā)區(qū)域發(fā)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(qū)。圖7 顯示了自1998 年以來截至到2004 年的不統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國雷電災(zāi)害數(shù)量呈上升趨勢。雷電災(zāi)害的平均增長率達(dá)到73.8%。在不同行業(yè)中，電力系統(tǒng)的雷擊災(zāi)害占總量的24.7%，但不包括風(fēng)電行業(yè)的雷擊數(shù)據(jù)。在國內(nèi)風(fēng)電場受雷電影響的是海南某風(fēng)電場，其葉片的損壞率達(dá)到5.56 片/百片?年。這表明每33 臺機(jī)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(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)，如果把直接損壞與潛在損壞合并統(tǒng)計(jì)，損壞率應(yīng)高于這個數(shù)據(jù)。

圖 7 1998-2004 全國雷電災(zāi)害變化趨勢

2 德國雷暴活動分布與風(fēng)區(qū)的關(guān)系

德國與中國黑龍江省的緯度相當(dāng)，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(dāng)，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(qū)雷暴活動性對都比較低。根據(jù)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(qū)，主要是由于西南地區(qū)屬于阿爾卑斯山脈及巴伐利亞阿爾卑斯山區(qū)，造成鋒面雷暴活動相對集中，而北部平原地區(qū)受到大西洋西風(fēng)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(fēng)區(qū)集中在德國、英國、丹麥及挪威沿海地區(qū)。資料表明，德國全境年雷擊密度為5 個/km2a,而北部風(fēng)區(qū)的雷擊密度更低，不超過3個/km2a，所以按照德國、丹麥的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)雷擊僅占機(jī)裝機(jī)總量的不足10%。這以數(shù)據(jù)與我國內(nèi)蒙地區(qū)部分風(fēng)場的雷擊(不統(tǒng)計(jì))數(shù)據(jù)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(fēng)區(qū)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(fēng)資源分布圖

3. 結(jié)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(zhì)的區(qū)別。目前很多風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷設(shè)計(jì)仍然參考德國或者丹麥的機(jī)組雷擊數(shù)據(jù)，從整體來講是不能滿足我國實(shí)際需要的，同樣的IEC 標(biāo)準(zhǔn)序列和我國風(fēng)電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中目前仍然沒有針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)性文件，這對于我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整機(jī)防雷和風(fēng)場機(jī)組接地設(shè)計(jì)都存在一定的影響。筆者認(rèn)為對于目前IEC61400-24 這一技術(shù)文件，不能過于依賴和照搬;比如鄰國日本在2008 年已經(jīng)明確了要根據(jù)本國的實(shí)際情況，制定符合本國雷暴活動特點(diǎn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，雖然日本與我國東北雷暴活動相當(dāng)，但是日本具有全球?yàn)榛钴S的冬季雷暴，而這一特點(diǎn)對日本的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組造成的損壞成都相當(dāng)嚴(yán)重?？梢姡贫ǚ媳就翆?shí)際情況的風(fēng)電防雷標(biāo)準(zhǔn)對助力風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)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(diǎn)而言，歐洲對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷設(shè)計(jì)并不是十分重視，這也導(dǎo)致了我國早期引入風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝在東部沿海地區(qū)時曾造成水土不服的狀況，例如江蘇、汕頭等地的風(fēng)場，雷擊損壞率都較高。本文僅通過對國內(nèi)重要風(fēng)區(qū)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(fēng)區(qū)雷暴活動復(fù)雜的情況。

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