甘肃风电开发气象灾害因素研究

赵 斌，陈红宝，王嘉媛

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

甘肃省风能资源丰富，风能总储量居全国前列。截止2018年，已建风电场总装机规模1281.28万kW，全省14个市(州)中有8个已建设风电场。而甘肃省地形复杂多样，大致以黄河为界，分为河西、河东两部分。河西地区亦称河西走廊，主要是戈壁、沙漠，为温带大陆性干旱气候；河东地区，由甘南高原、陇南山地、中部黄土高原与丘陵组成，为亚热带季风气候、温带季风气候和高原山地气候。

经多年研究[1- 2]，影响风电场安全运行的气象灾害因素主要有沙尘暴、极端低温、雷电、积冰等。由于甘肃前期风电开发主要集中在河西地区，地形、气候情况单一，气象灾害较少发生，对灾害性天气的影响研究不多。随着风电开发延伸到河东地区，地形、气候情况变得多样，因此有必要对气象灾害因素进行特征分析，并结合实例对影响程度进行分析评估，总结经验及对策，为后续风电开发提供参考。

1 灾害性天气特征

1.1 沙尘暴

沙尘暴是甘肃最常见的一种灾害性天气，据多年长系列资料统计[3]，甘肃的沙尘天气主要出现在河西地区和兰州、白银等市，其中酒泉与武威是两个频发中心，省内其余地方发生较少。敦煌出现沙尘日最多，年平均46.5d，其次为武威44.6d、高台32.7d。最少的是甘南、陇南等地，年平均不足1d。

沙尘暴可能会对风机叶片造成磨损，影响风机出力或造成风机停机等。在风电机组设计时对防风沙有充分考虑：机舱有可靠的密封结构，阻止沙子进入；叶片表面设有耐磨层，防止风沙磨损。1997年玉门最早建成的4台风电机组，已正常运行23年。周边新疆、内蒙等地建设更早的风电场，也都经受了风沙的考验，未见因为沙尘暴影响风电机组安全的报道。

1.2 极端低温

一般情况下[4]，风电机组正常运行温度为-10℃～+40℃，生存温度为-20℃～+50℃。甘肃大部分地区为寒冷地区，根据气象站长系列观测数据统计，河西地区极端低温均低于-20℃，大部分在-30℃左右，最低的是马鬃山为-37.1℃，最高的是肃北为-25.5℃；河东地区的陇南、天水大部分区域极端最低温度高于-20℃，其余市州极端最低温度基本在-25℃左右，最低的是康乐为-32.2℃，次之是定西为-29.7℃。

甘肃境内风电场基本都存在极端低温低于正常要求的情况。极端低温对电气设备、结构材料性能影响较大，低温使油体粘度增大，进而影响轴承、液压系统等。针对极端低温情况，行业内已建立相关标准规范[5]，设计低温型风机，将运行极端温度降低到-30℃，生存温度降低至-40℃，并在设备、材料选择上采用适合低温的材料。

1.3 雷暴

甘肃为全国雷暴日数出现较少的区域，河西大部分地区雷暴日数小于10d，雷暴天数超过40d的只有甘南州的合作、碌曲、玛曲、卓尼、临潭以及定西岷县6个测站，最长的是合作为54.6d，其次为玛曲为51.8d。一方面，这些地方尚不具备风电场建设的资源条件；另一方面，目前已有完善的防雷接地措施，故雷暴对甘肃风电场安全运行影响不大。

1.4 积冰

积冰也称覆冰，是雨凇、雾凇或雪凇(也称湿雪)冻结在物体上形成的[6]。甘肃有8个气象站长时间观测积冰，积冰情况统计见表1。其中华家岭积冰最严重，乌鞘岭次之，再之为西峰，河西地区积冰出现几率很低。

表1 甘肃8个长期测站近30年电线积冰情况统计表

注：*未达到观测要求。

积冰会对风电场安全运行带来危害，也会影响发电效益。甘肃风电开发前期主要在河西地区，积冰灾害并不严重。但随着河东地区风电的开发，积冰问题逐渐显现，并且影响较大。下面结合工程实例，对其成因、影响及对策进行详细分析。

2 风电场积冰因素分析

甘肃某风电场位于乌鞘岭余脉的山区，场址地貌类型为侵蚀剥蚀低中山，地形起伏较大，冲沟发育，地面海拔高程2600～3050m之间，相对高差达400m。工程包括风电机组、架空集电线路、110kV升压站变电站等，2016年9月全部建成投产。

2.1 积冰情况

风电场自建成以来，每年入冬和倒春寒时均会发生较严重的积冰情况，具体统计数据见表2。

其中2017年4月初发生的一次积冰持续时间最长，也最为严重，架空集电线路冰冻严重。通讯光缆、导线积冰过厚导致坠地、断裂。铁塔绝缘子覆冰严重导致短路跳闸，塔身覆冰严重危害铁塔安全。铁塔上积冰最厚处超过200mm。导线积冰可测量处最大直径约120mm(含导线直径17mm)，积冰里侧近似毛玻璃，无空隙，较坚硬，厚度约11mm，为雨凇；外侧白色不透明，空隙较多，较松软，厚度约40mm，为雪凇。

表2 甘肃某风电场积冰日数统计表 单位：d

注：6—9月未发生积冰。

2.2 气象因素分析

2.2.1现场气象观测情况

2017年4月7日，风电场区域阴小雨，温度-7℃～5℃，风机处平均风速3.7m/s。8—10日雨夹雪，温度-8℃～4℃，风机处平均风速3.4m/s(9日晚风速仪冻结)，现场实测湿度大于92%。

2.2.2气象站观测情况

由于现场气象要素观测不完善，将风电场附近的乌鞘岭气象站观测资料作为重要参考，统计了2017年4月7日—10日的气象参数，见表3。

表3 乌鞘岭气象站气象参数表

2017年4月7日下午17时开始至4月10日，相对湿度均为100%，气温大部分在零度以下，风速在4.5m/s左右，并且有降水。

2.2.3气象因素与积冰

积冰的形成与气温、相对湿度和风速关系密切[7- 9]。一般认为北方地区气温在-10℃～0℃，相对湿度70%以上，平均风速≤6m/s最有利于冰冻的产生。在入冬和倒春寒，气温下降时遇大雾或小雨加雪，首先在导线上形成雨凇，若降水持续，气温继续下降，大概率形成湿雪，在粘结强度很高的雨凇冰面上迅速增长，积冰情况严重加剧。现场情况及气象站的资料也是验证了这一点。

2.3 地形因素分析

地形条件也会影响积冰[10]。相对高差较大的山地、风口和迎风坡，线路走向与风向大角度相交，都是影响积冰加剧的因素。本项目是山地风电场，风机都布置在山脊或山顶上，通过架空集电线路将风机串接连到山脚处的升压站。现场情况看，垭口、东西向山脊上(主风向为北风)的架空线路积冰明显比迎风坡处严重，背风坡及山脚处积冰最轻。

3 风电场积冰影响

3.1 对架空集电线路的影响

线路覆冰直接危害就是导线、金具和杆塔负载。在相同情况下，随着覆冰厚度的增大，杆塔所受的荷载也成比例增加[11]，甚至更高。

严重的覆冰会导致导线、电缆断裂，杆塔倒塌和金具损坏。在设计时需要加大导线截面，提高安全系数，减小杆塔档距，这将加大项目的投资。

杆塔绝缘子在覆冰后，容易被冰凌桥接引起绝缘子闪络。导线在覆冰后也容易弧垂增大，对地间距减小，两根导线或导线与地之间可能相碰，会造成短路跳闸等事故，造成线路不能正常运行而损失发电量。

3.2 对风电机组的影响

风机覆冰影响主要是对叶片，轻微的覆冰会增大叶片的重量，降低风电机组出力水平。严重的覆冰会使叶片上的冰载不尽相同，机组的不平衡载荷增大，为安全起见，一般只能选择停机。因此，风机覆冰会严重影响到风电场发电量。

3.3 积冰影响发电量统计

风电场受积冰影响损失发电量统计见表4，严重的积冰会对风电场收益产生较大影响。

表4 某风电场受冰冻损失发电量统计

4 风电场积冰对策思考

目前，甘肃乃至全国气象站对积冰的观测分布不均，不能满足风电场开发对积冰灾害性分析的需求。而积冰在很大程度上受到“微地形、微气候”的影响，气象站的观测资料有时并不能完全反映风电场的情况，统计乌鞘岭气象站2017、2018年积冰观测数据见表5，发现风电场发生冰冻的严重程度及日期与气象站的观测数据并不完全吻合。

表5 乌鞘岭气象站2017、2018年积冰观测数据统计表

甘肃河东地区是风能资源富集区，更多的是由地形因素形成的，如华家岭地区、乌鞘岭地区和环县北部地区，这些地区与周围相对高差较高，气流经过时爬坡加速，使得风速增大。而这种地形正好也是易积冰的因素，因此在风电场开发时更需要重视微地形的影响。

在项目前期不但要充分收集气象站的冰冻资料，还应加强现场踏勘，看是否存在易冰冻的微地形，也可选择入冬或倒春寒的时间去现场调研。在天水西秦岭山区的风电场踏勘时，就曾发现山顶有冰挂的情况，而附近的气象资料中并没有积冰的记录。

在架空线路设计时，可加强导线及杆塔结构设计，或者采用电缆直埋的方式，保证安全运行，但这也会增加项目的投资。叶片除冰，目前尚无有效的技术，只能通过风电场的运行去应对，轻微时降功率运行，严重时停机以保证风机安全。在建设前期发电量计算时要充分考虑这方面的折减，做好项目的经济可行性评价。

5 结语

甘肃常见的灾害性天气主要有沙尘暴、极端低温、雷电、积冰。在河西地区，沙尘暴、极端低温较为严重，在河东地区雷电、积冰情况较为严重。针对沙尘暴、极端低温和雷电影响，在风机制造、风场设计时已有成熟方案，在风电场建设时严格按气象参数选型，其危害性将得到有效控制。但积冰的影响，目前尚无有效的措施消除，项目建设时应充分考虑其危害性，避免出现安全运行事故或投资决策失误。