摘要：随着风电场的大量兴建，气象灾害对于风电场安全的影响问题受到越来越多的关注，气象灾害会使风电场内设备受损，发电效益降低。主要论述的气象灾害包括：台风、雷电、低温冰冻、暴雨、沙尘暴、高温等相关灾害，简单分析气象灾害对风电场各划分单元（风电机组、集电线路、升压站、建筑、道路）的影响程度和分类。通过近十几年来国内外气象灾害对风电场影响相关文献的综述，分析发现台风大风对风电场造成较大的机械破坏；雷电造成风机和电网损坏；低温冰冻引发设备覆冰、机械故障及发电量损失；暴雨诱发山洪，冲毁风电场内建筑和道路，引发内涝淹没地面设备；沙尘暴主要影响在于大风破坏和沙尘撞击叶片等敏感设备；高温引起电器设备温度升高，引发火灾爆炸；台风、暴雨引起的滑坡泥石流、高温干旱引发山林草原火灾等次生灾害危害风电场。
关键词：风电场；气候灾害；影响
引言
近年来，中国政府把风电行业放在优先发展的位置。中国具有世界级的风力资源，总技术潜力资源估计为250GW。我国的风电事业有很大的发展空间。截止到目前，我国已发展了百余家风电场，但尚没有我国自主研发的大型风力机组。运行的大多数机组是由国外进口的，由于地区的差异，这些机组很难适应我国的特殊气候条件，造成较高故障率。
1气象灾害
1.1台风
热带气旋是发生在热带或副热带洋面上的低压涡旋，是一种强大而深厚的热带天气系统，其中最大风力达到12级的称为台风。台风对风力发电机组的破坏机理主要体现在对设备结构施加的静载荷和动载荷叠加效应。风电设备所受风压静载荷与空气密度和风速有关，与风速的平方成正比。台风风速可高达70m/s，空气密度很大，极易超过设计载荷极限，破坏风机设备。风压动载荷主要由湍流引起，湍流强度越大，对风机的破坏性越强，湍流对设备结构形成周期性激荡，若湍流产生的周期恰好与风机固有振动周期相同，设备结构就产生横向的共振，导致风机被毁。湍流强度突变也会影响风机正常运行。台风对风电机组的主要破坏有：叶片出现裂纹或被撕裂，偏航系统受损，风向仪、尾翼等设备被吹毁等。在高风速的情况下（大于25m/s），机械制动器会使涡轮机停止旋转以减少负荷。Hong等[15]研究发现，若机械制动失效，叶片转速达到超速度时，叶片结构无法承受极端负荷，最终导致叶片弯曲、损坏或脱落。台风可直接造成偏航系统的机械损害，也可能破坏风电场电网系统从而使偏航系统故障。偏航系统可以根据风速风向控制轮毂和叶片的角度，它可以使转子远离突出的风向以减少负荷。台风期间会出现持续几个大风方向作用在风电机组的情况，当偏航系统失效，风机将无法调整对风，台风风速超过设计极限时，会发生叶片损毁甚至风机倒塌等事故。叶片在强风作用下产生极大扭转力矩，超出高速轴刹车盘与刹车片摩擦承载能力，刹车盘强行转动，产生持续高温，产生火花引燃高速盘侧易燃物引起火灾。
1.2低温及结冰影响
在我国东北、华北、西北地区，风能资源非常丰富。目前全国约75％左右的风机装机容量在“三北”（东北、华北、西北）地区。这些地区冬季温度较低，低温成为影响风电场安全运营的重要因素，而较低的温度会影响这一地区的风电机组出力特性的变化。这是因为，低温时空气密度增大，导致风电机组特别是失速型风电机组的额定出力增加，出现过载现象；同时也会引起风轮叶片产生空气弹性振动，导致叶片后缘结构失效而产生裂纹，因为叶片失速后气动阻尼会变为负值而结构阻尼会下降。研究表明，几乎所有的金属材料的疲劳极限都随温度的降低而提高，因此在风机设计中，一般当环境温度低于30℃时，风机将自动停机。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆此外，风电机组所使用的润滑油受温度的影响也较大，因为：温度越低，油的黏度越大，其流动性变差，需要润滑的部位可能得不到充分的油量供应，从而危及设备的安全。为了在低温下使风电机组正常运行，在一些关键部件可增加加热器，进行温度调控。积冰也对风电场安全影响很大。在东北，春初短时季节气候变化频繁、温差幅度较大，处于临界状态的雨雪、雾、露遇到低温的设备体和金属结构体表面时会结冰。风轮叶片表面结冰引起许多问题，如：结冰改变叶片的气动外形进而降低风能利用系数，减小出力，严重时机组无法气动；由于失速的推迟而过载，由于冰载荷的不平衡而增加机组零部件的疲劳，当叶片上冰的厚度较大时，冰块会脱落，可能带来意外伤害和损坏，同时使粗糙度增大，从而降低机翼的气动性，影响机组的正常运行。另外，风机自带测风仪结冰，将使测风数据不准，风向出现偏差会影响风机主动偏航，风速不准影响风机正常发电。输电线积冰，会因电线增加负重导致电线断裂，影响电力送出。
2相关防范应急措施
2.1热带气旋（台风）问题
为减少台风对风电机组尤其是对叶片造成的损伤，可以采取以下措施：针对主梁与翼壳之间粘结强度不够问题，采取对叶片后翼连接加设铆固装置等，对叶片局部构造改进。目前日本已设计出智能偏航控制装置，用以降低强风所增加的机组载荷。该装置的应用可使强风来临时叶片和塔架负载分别降低25％和30％，从而提高风力机的可靠性。目前国内已有一项相关专利——一种能抗台风的风力发电机。对台风破坏和抗台风设计问题进行了分析研究，但目前只针对定桨距风电机组。
2.2低温和结冰问题
针对低温和结冰问题对风电机组产生的不利影响，可以采取以下方法来加以解决：①利用特殊的阻尼材料来提高复合材料叶片的结构阻尼；②改变翼型局部形状来改变翼型的气动性能；③在叶片内部安装阻尼器和减振器来降低叶片的振动；④安装局部加热系统(如叶片、齿轮箱、发电机、控制柜等加热系统)，其中叶片加热系统可以在叶片表面附近加入碳纤维成分来达到目的；⑤研制一种能除冰、抗冰的装置；⑥在尽可能靠近叶片尖端部位安装先进的传感器来对叶片结冰情况进行监测分析，并采取相应措施(如在叶片内部通入热的空气)来使冰融化等。应从提高风力机用材料的性能着手，进行技术上的改进,而不仅仅停留在对国外机组的简单改进层面上。另外，要尽快研究适用于低温环境条件的风电机组技术标准和设计规范，从设计的源头做起，降低技术风险。
结语
本文主要讨论台风、大风、雷暴、低温冰冻、暴雨、沙尘暴、高温以及诱发的次生灾害对风电场的影响。台风主要考虑叶片出现裂纹或被撕裂，风向仪、尾翼等设备被吹毁，偏航系统受损等机械破坏问题，除了台风，其他大风灾害（龙卷风、寒潮大风等）也会危害风电场安全；雷电主要是直击雷引起的热效应、机械效应和冲击波对叶片和内部结构造成的危害，电磁感应、电磁脉冲造成的间接危害，电火花可能引发火灾；低温冰冻导致长时间停机造成发电量损失，覆冰对风电场表现在可能对叶片、导线等其他设备造成危害，低温使润滑油黏稠影响设备运行，影响电子元件性能，积冰掉落引发安全问题；暴雨诱发山洪，冲毁风电场内建筑和道路，引发内涝淹没地面设备，雨水会侵蚀叶片、阻碍叶片运行；沙尘暴主要影响在于大风破坏和沙尘撞击叶片等敏感设备，沙尘积累在叶片，使得风机功率输出降低；高温要注意电子设备安全，防止产生火灾、爆炸，注意工作人员安全。一次灾害发生后还要继续关注次生灾害的发生，注意台风、暴雨引起的滑坡、泥石流，以及高温干旱引发山林草原火灾等次生灾害危害风电场。
参考文献
[1]刘常青,祁永辉,曹荣泰,等.青海地区输电线路风灾原因分析.电力勘测设计,2016,(S2):146-150.
[2]高榕.中国龙卷风特性统计分析及灾后建构筑物调查研究.北京交通大学,2018.
论文作者:姜锐
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第05期
论文发表时间:2019/7/15
标签：叶片论文; 台风论文; 机组论文; 风机论文; 灾害论文; 风电论文; 设备论文; 《当代电力文化》2019年第05期论文;