谷勝 言建文

1，湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068 2，南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412002

高原環(huán)境對(duì)風(fēng)電變流器的影響

谷勝1，2言建文2

1，湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068 2，南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412002

高原地區(qū)人煙稀少，風(fēng)資源豐富，是風(fēng)電發(fā)展的下一個(gè)熱點(diǎn)區(qū)域。變流器是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，迫切需要分析高原環(huán)境對(duì)風(fēng)電變流器的影響。文章首先介紹了高原環(huán)境的特點(diǎn)和氣候參數(shù)，提出高原環(huán)境對(duì)變流器影響的因素和解決的方法。

高原環(huán)境；風(fēng)電機(jī)組；變流器

引言

世界能源與環(huán)境問題日益突出。加強(qiáng)可再生能源開發(fā)利用，是解決日益嚴(yán)重的能源和環(huán)境問題的必由之路，也是人類社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。風(fēng)電是可再生能源中技術(shù)成熟、最具有商業(yè)化前景、發(fā)展最快的新能源。我國(guó)風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量不斷增大，2010年度風(fēng)電裝機(jī)容量新增約18928MW，累計(jì)裝機(jī)容量44733MW，近5年年均增長(zhǎng)77.5%，呈現(xiàn)“暴發(fā)式發(fā)展”的姿態(tài)。

但是，我國(guó)裝機(jī)分布很不均勻，至2010年止，累計(jì)裝機(jī)超過4000MW的有內(nèi)蒙古、甘肅、河北和遼寧四個(gè)省區(qū)。隨著風(fēng)資源豐富、易于安裝、調(diào)試地區(qū)裝機(jī)的飽和，需要尋找新的風(fēng)機(jī)安裝地區(qū)實(shí)現(xiàn)可再生能源的持續(xù)發(fā)展。高原地區(qū)人煙稀少，風(fēng)資源豐富，是風(fēng)電發(fā)展的下一個(gè)地區(qū)。變流器是風(fēng)電機(jī)組的核心部件之一，迫切需要分析高原環(huán)境對(duì)變流器的影響。

1 高原地區(qū)的特點(diǎn)及氣候參數(shù)

高原氣候的特點(diǎn)是氣壓低、年平均氣溫低、日溫差大、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大等。

1.1 高原空氣密度狀況

氣壓、空氣密度與海拔高度關(guān)系密切。在地球引力的作用下, 空氣依附在地球周圍并形成大氣壓, 具有一定的重量, 離地球表面越遠(yuǎn)即海拔越高, 氣壓越低, 空氣密度越小。在1～5km范圍內(nèi), 氣壓的遞減率一般為10kPa/km。在同一高度上的大氣壓又隨地理緯度的增加而降低。大氣壓、空氣密度與海拔高度的關(guān)系如下表。

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大氣壓、空氣密度與海拔高度的關(guān)系

高原地勢(shì)高, 氣壓隨高度下降很快, 年均氣壓在652.5 kPa 以下, 不足海平面的2/3, 空氣密度0.57～0.89 kg/m3。在溫度相同的情況下, 空氣密度與氣壓成正比, 高原空氣密度只有平原地區(qū)的75%～80%。

1.2 高原大氣溫度的變化情況

溫度隨高度增加而降低是對(duì)流層的特征, 根據(jù)平均觀測(cè)記錄, 可認(rèn)為豎直溫度梯度值為0.6 ℃/100 m。氣溫與海拔高度的關(guān)系見下表。

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氣溫與海拔高度的關(guān)系表

海拔越高，氣溫越低。海拔2500 m左右地區(qū), 平均氣溫在16℃以上, 極端最高氣溫可達(dá)30～33 ℃; 在海拔3500～4000m地區(qū)，年平均氣溫為7～8 ℃, 極端最高氣溫27～29 ℃; 到海拔4500 m 以上的地區(qū), 年平均氣溫下降到- 21 ℃, 極端最高氣溫僅22 ℃, 最低氣溫可達(dá)- 40 ℃以下。

1.3 年平均氣溫低

按氣溫劃分季節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)，海拔4500 m以上地區(qū)四季皆冬, 如那曲年平均氣溫為-2.1 ℃, 拉薩年平均氣溫只有7.5 ℃。

1.4 年較差小、日較差大

氣溫的年較差是指一年當(dāng)中最熱月平均氣溫與最冷月平均氣溫之差; 氣溫的日較差是指一天中最高氣溫與最低氣溫之差。拉薩、林芝、日喀則等地的平均日較差為15℃左右。

2 低氣壓的影響

低氣壓對(duì)風(fēng)電變流器的影響主要表現(xiàn)在變流器的絕緣性能下降和溫升增加。

2.1 絕緣的影響

風(fēng)電變流器是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，其中間電壓等級(jí)高達(dá)1000V甚至更高，應(yīng)優(yōu)先考慮絕緣問題, 絕緣水平對(duì)風(fēng)電變流器的安全運(yùn)行至關(guān)重要。隨著海拔高度的增加, 變流器的絕緣放電電壓會(huì)相應(yīng)降低,影響變流器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外形尺寸大小。高海拔的影響實(shí)際是大氣參數(shù), 主要是空氣密度和濕度的影響, 絕緣會(huì)隨著空氣密度的減小和濕度的降低而降低。當(dāng)海拔在1000米上時(shí), 高度每升高100米, 外絕緣校正1%。

2.2 對(duì)溫升的影響

輸配電設(shè)備在運(yùn)行中要消耗一部分電能變?yōu)闊崮? 導(dǎo)致溫度升高, 稱為溫升。溫升隨大氣壓的降低而增加, 隨海拔高度的增加而增加。一般來說,海拔高度每升高100米, 變流氣溫升升高0.4℃，環(huán)境溫度降低約0.5℃。變流器是高發(fā)熱電氣設(shè)備，海拔高度每升高100米，溫升升高2.0℃。

3 日溫差大對(duì)變流器的影響

日溫差大、風(fēng)沙大, 引起熱脹冷縮變化劇烈,使設(shè)備密封不易保持, 密封材料老化快, 產(chǎn)生滲漏。由于低溫、晝夜溫差大, 使儀表中的線性元件特性發(fā)生線性變化, 測(cè)試儀表包括電壓傳感器、電流傳感器、壓力表、流量計(jì)等普遍存在精度降低、重復(fù)性差, 零點(diǎn)漂移嚴(yán)重等。

絕緣、橡膠密封件經(jīng)低溫試驗(yàn)表明, 隨著溫度的下降, 其硬度、扯斷強(qiáng)度及伸漲率三項(xiàng)機(jī)械性能均表現(xiàn)出不同程度的下降趨勢(shì)。

由于晝夜溫差大, 溫度變化快, 變流器外絕緣表面容易產(chǎn)生凝露, 在低氣壓、污穢等綜合作用下,絕緣強(qiáng)度急劇下降, 極易產(chǎn)生運(yùn)行電壓的絕緣閃絡(luò)事故。

4 雷暴對(duì)變流器的影響

4.1 雷擊危害

雷擊是影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全的一個(gè)重要因素。據(jù)德國(guó)風(fēng)電部門對(duì)該國(guó)風(fēng)電機(jī)組故障情況的統(tǒng)計(jì), 風(fēng)電場(chǎng)每年每百臺(tái)風(fēng)機(jī)的雷擊率為10%左右, 在所有引發(fā)風(fēng)電機(jī)組故障的外部因素( 如風(fēng)暴、結(jié)冰、雷擊及電網(wǎng)故障等) 中, 雷擊約占25%。對(duì)風(fēng)電機(jī)組損害最大的是峰值較低的雷電流，這些快速變化的雷電流將產(chǎn)生暫態(tài)磁場(chǎng), 它通過感應(yīng)和輻射對(duì)周圍的電子系統(tǒng)造成危害，影響風(fēng)電變流器的正常運(yùn)行。這種影響開始可能是潛在性的, 但在風(fēng)電變流器未來的運(yùn)行中可能會(huì)引發(fā)事故。

4.2 高原地區(qū)的雷暴情況

高原地區(qū)海拔高、氣壓低、空氣干燥,夏天多夜雨, 雷暴日數(shù)多。高原地區(qū)的雷暴日數(shù)比我國(guó)同緯度平原地區(qū)多出2～10 倍,成為同緯度地帶雷暴日數(shù)的多發(fā)地。

4.3 解決措施

加強(qiáng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)防雷接地設(shè)施的研究與開發(fā), 做好防雷設(shè)備的保養(yǎng)與維修。

5 其他因素對(duì)風(fēng)力變流器的影響

除上述影響風(fēng)力變流器性能的因素外,日照強(qiáng)度、空氣濕度、流沙塵埃、地形等對(duì)風(fēng)電變流器性能也有一定的影響, 需給予必要的重視。

5.1 太陽(yáng)輻射的影響

高原地區(qū)日照強(qiáng)烈, 紫外線強(qiáng)度大, 太陽(yáng)直曬機(jī)艙外殼, 使機(jī)艙內(nèi)空氣溫度升高,會(huì)促使絕緣材料老化加快, 特別是有機(jī)絕緣材料, 會(huì)加速油漆涂層的老化和龜裂。因此，高原地區(qū)變流器應(yīng)選擇耐高溫的材料，特別是大功率的電線電纜和控制電纜。

5.2 空氣濕度的影響

變流器位于室外高空的機(jī)艙內(nèi), 雖然封閉,但并不十分嚴(yán)密, 機(jī)艙外的風(fēng)、雨、霧、沙等可能漏泄入機(jī)艙。由于高原地區(qū)氣候變化迅速, 雨季明顯, 使機(jī)艙經(jīng)常處在云霧中, 艙內(nèi)濕度很大, 因此, 要求絕緣材料耐濕熱性較好。

6 結(jié)語(yǔ)

由于高原環(huán)境的特殊條件, 對(duì)風(fēng)電變流器帶來了一系列不利的影響。因此, 對(duì)某一高原地區(qū)的風(fēng)電建設(shè), 需要全面調(diào)查和統(tǒng)計(jì)當(dāng)?shù)氐臍鈮?、空氣密度和濕? 并開展風(fēng)電設(shè)備，特別是變流器等關(guān)鍵部件的外絕緣、溫升、材料老化的相關(guān)研究, 全面評(píng)估存在的影響, 開發(fā)高原型適應(yīng)性風(fēng)電變流器, 才能保證風(fēng)電設(shè)備和系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.065