[摘要]：根据GBT 20626.1-2006特殊环境条件高原电工电子产品的标准，当海拔高度超过1000m时，就要考虑环境气候参数变化对风力发电机组影响。随着海拔升高会对环境气候参数的大气压力、空气密度、气温、太阳辐射及雷暴频次等影响，进而影响风力发电机组运行工况，需要对风力发电机组功率特性、电气设备绝缘特性、防腐蚀技术及防雷可靠性等技术参数进行优化，以满足高海拔环境适应性。
[关键字]：高海拔 风力发电机组 环境气候参数
一、前言
随着煤炭、石油等石化能源的逐渐枯竭，我国对风力发电等可再生清洁能源越来越重视，风力发电装机容量占我国发电总装机容量比重也不断增加，随着风力发电行业的快速发展，风力发电项目已经走进云南、贵州、四川和青海等高海拔地区；但高海拔地区相对于平原地区环境气候差异较大，大气压力、空气密度和气温会随着海拔升高降低，太阳辐射及雷暴频次会随着海拔升高增加，这些环境气候参数对风力发电机组安全运行带来严峻考验，因此高海拔地区对风力发电机组性能要求更高。本文基于低海拔生产的风力发电机组在高海拔地区使用则需要对风力发电机组技术参数修正。
二、海拔升高对环境气候的影响
随着海拔高度的逐渐升高，大气压力和空气密度会随之降低，在温度相同的情况下，空气密度与大气压力成正比（
，
为空气密度kg/
、P为大气压力N/m、R为常数、T为温度℃）；高原空气密度只有平原地区75-80%，因为空气密度降低，太阳透光度增强，到达地面的辐射就越强，由表1-1可见海拔高度增加1000m,太阳直接辐射强度增加约60W/m2；在自由大气中，平均海拔高度每升高100m，气温约降低0.6℃，如海拔高度在3000m以上的川西高原，年平均气温仅为5℃；高海拔地区的云层较低，因而高度在60m以上的风力发电机组遇到雷击的几率大大提高，由于高原地区特殊的地理环境，高海拔地区的全年雷暴日要比平原地区多,如根据川西高原地区(平均海拔高度在3000m)的气象统计,该地区的年平均雷暴日达到55天，华北平原地区(平均海拔高度在80m)的气象统计，该地区的年平均雷暴日达到36.5天。
表1－1 不同海拔高度气候环境条件参数
注：海拔1000m以上不同地区的最低空气温度，若有实际测量值以实际测量为准。若无实际测量值。建议采用以下分档:5℃、-5℃、-15℃、-25℃、-40℃、-45℃共六档: +5C适用于户内，-5℃适用于热带，-15℃适用于云南、贵州、四川(川西除外)，-25℃适用于甘肃、宁夏、山西、陕西、川西、吉海东部、西藏东部、内蒙古西部、新疆南，-40℃适用于青海西部、西蒙古东部、新疆北部，寒冷地区为-45℃。
三、高海拔对风力发电机组的影响
1、高海拔对风力发电机组功率特性的影响
根据贝兹理论，理想叶轮从风源吸收的功率如下式所示：
注：
为空气密度kg/
， V为风轮的垂直风速m/s; s为叶片扫掠面的风速面积
。
在海拔3700 m以上的川西地区，空气密度只有0.804kg/
，标准空气密度为1.225kg/
，相同型号的风力发电机组在两种空气密度下所获得的功率比为
。由此可见，在高海拔地区空气密度对风力发电机组输出功率的影响较大，即相同型号风力发电机组输出功率随空气密度降低而下降，为保证风力发电机组安全可靠经济运行，根据国内某风机厂家计算及实验得出表1－2同一风机型号在不同空气密度的风速与功率关系，需对切入风速和额定风速修正，现场空气密度0.804kg/m3的切入风速修正为3m/s，额定风速修正为15m/s。
表1－2 不同空气密度的风速与功率关系
2、高海拔对电气设备的影响
绝缘强度：随着海拔高度的升高大气压力和空气密度会降低，电气设备外绝缘强度会降低。在标准海拔至4000m范围内，每升高1000m，平均气压降低7.7kPa~ 10.5kP，外绝缘强度降低8%~13%，并促使材料加速老化失效；在海拔不高于1000m的地点试验时，其试验电压应乘以海拔修正系数K，系数K按下式计算：
注：H：电气设备安装地点的海拔高度，单位m；
m:按下述取值:对于工频、雷电冲击和相间操作冲击电压，m=1；对于纵绝缘操作冲击电压，m=0.9;对于相对地操作冲击电压，m=0. 75；
电气间隙：由于电气间隙已固，随着大气压力和空气密度的降低，电气间隙的击穿电压也降低；为了保证低海拔地区设计的电气设备在高海拔地区使用有足够的耐击穿能力，必须增大电气间隙，表1－3为不同海拔高度电气设备的电气间隙修正表。
表1－3 电气间隙修正系数表
例：某高原型产品以海拔1000m为基准设计，使用于海拔3000m，其电气间隙应为常规型电气间隙乘以1.28系数。
工频耐压和雷电冲击：由于高海拔地区空气密度低，电气设备的外绝缘强度随之降低，如低海拔地区生产的电气设备，在高海拔地区使用则其出厂试验的工频耐压值和雷电冲击值必须提高，否则无法保证在高海拔地区通过工频耐压和雷电冲击试验。表1－4为不同海拔高度电气设备的工频耐压和雷电冲击修正表。
表1－4 工频耐压和雷电冲击修正系数
例：35kV箱变式变压器，使用地点海拔为4000米，试验地点为2000米，产品标准规定工频耐压值为85kV，则试验电压值应为85kV
1.25=106.25kV。
基于高海拔环境对电气设备电气间隙、绝缘强度、工频耐压和雷电冲击的影响，对于未按高原环境作特定设计的电气设备，在不满足绝缘和温升的条件下应降容使用，海拔每上升100m，降容1%。
3、高海拔对风力发电机组机械部件的影响
风力发电机组的机械部件受低温的影响是不同的。风电机组中的主轴、塔架等部件，承受冲击载荷，可能会发生低温的脆性断裂，针对此情况，应采取适当的热处理方法、表面冷作硬化工艺和提高材料的加工质量等措施，提高机件的抗冲击能力，还要避免机组在大风速或低温下的频繁投切启动、紧急制动等可能会产生较大冲击载荷的操作；同时低温下的风力发电机组使用的润滑油粘度大、流动性差，机组液压系统也会受到影响，在此情况下，需采取加热措施（如电加热器等）或选择低温型润滑油使油质维持在正常水平，使之具有良好的流动性。
风速仪、风向标及叶片表面受低温的影响而结冰，叶片气动性能下降，风力发电机组功率输出降低，结冰后尽快采取措施除冰，最大限度的降低经济损失，采用加热型机械式或超声波的风向标和风速仪，采用叶片疏水性涂层减少叶片表面结冰和叶片前缘贴加塑性加热片除冰等。
高海拔地区太阳辐射会加速外部部件的老化，如叶片、机舱罩、塔架等部件，应选用耐太阳辐射的材料，如耐候性塑料、锌洛膜涂料等。
风力发电机组处于旷野的高耸物体，对风力发电机组的防雷可靠性要求更高，重点在遭受雷击时如何迅速将雷电引入大地，故防雷保护系统:接闪器、引下线、接地系统、防雷击等电位连接、电涌保护、屏蔽等措施应遵循IEC 62305标准所规定的1级保护等级要求设计，尽可能地减少由雷电导入设备的电流，最大限度的保障设备和人员的安全，使损失降低到最小程度。
四、总结
本文对低海拔生产的风力发电机组在高海拔地区使用时，需要对风力发电机组的功率特性、电气设备绝缘特性、防腐蚀技术及防雷可靠性等技术参数进行修正，减少高海拔风力发电机组的故障率，提高风力发电机组可利用率，以满足高海拔地区的适应性。
参考文献：
[1]李德龙、李素奇高原型气候对电气设备的影响.《青海师专学报》2009年05期.
[2]GBT 20626.1-2006 特殊环境条件 高原电工电子产品 第1部分：通用技术要求.
论文作者:周岸威1,赵磊2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：地区论文; 密度论文; 海拔论文; 风力发电机组论文; 高海拔论文; 空气论文; 风速论文; 《电力设备》2018年第19期论文;