高原环境对风电变流器的影响

谷胜 言建文

1，湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430068 2，南车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412002

高原环境对风电变流器的影响

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1，湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430068 2，南车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412002

高原地区人烟稀少，风资源丰富，是风电发展的下一个热点区域。变流器是风力发电机组的关键部件之一，迫切需要分析高原环境对风电变流器的影响。文章首先介绍了高原环境的特点和气候参数，提出高原环境对变流器影响的因素和解决的方法。

高原环境；风电机组；变流器

引言

世界能源与环境问题日益突出。加强可再生能源开发利用，是解决日益严重的能源和环境问题的必由之路，也是人类社会实现可持续发展的必由之路。风电是可再生能源中技术成熟、最具有商业化前景、发展最快的新能源。我国风电机组装机容量不断增大，2010年度风电装机容量新增约18928MW，累计装机容量44733MW，近5年年均增长77.5%，呈现“暴发式发展”的姿态。

但是，我国装机分布很不均匀，至2010年止，累计装机超过4000MW的有内蒙古、甘肃、河北和辽宁四个省区。随着风资源丰富、易于安装、调试地区装机的饱和，需要寻找新的风机安装地区实现可再生能源的持续发展。高原地区人烟稀少，风资源丰富，是风电发展的下一个地区。变流器是风电机组的核心部件之一，迫切需要分析高原环境对变流器的影响。

1 高原地区的特点及气候参数

高原气候的特点是气压低、年平均气温低、日温差大、太阳辐射强度大等。

1.1 高原空气密度状况

气压、空气密度与海拔高度关系密切。在地球引力的作用下, 空气依附在地球周围并形成大气压, 具有一定的重量, 离地球表面越远即海拔越高, 气压越低, 空气密度越小。在1～5km范围内, 气压的递减率一般为10kPa/km。在同一高度上的大气压又随地理纬度的增加而降低。大气压、空气密度与海拔高度的关系如下表。

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大气压、空气密度与海拔高度的关系

高原地势高, 气压随高度下降很快, 年均气压在652.5 kPa 以下, 不足海平面的2/3, 空气密度0.57～0.89 kg/m3。在温度相同的情况下, 空气密度与气压成正比, 高原空气密度只有平原地区的75%～80%。

1.2 高原大气温度的变化情况

温度随高度增加而降低是对流层的特征, 根据平均观测记录, 可认为竖直温度梯度值为0.6 ℃/100 m。气温与海拔高度的关系见下表。

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气温与海拔高度的关系表

海拔越高，气温越低。海拔2500 m左右地区, 平均气温在16℃以上, 极端最高气温可达30～33 ℃; 在海拔3500～4000m地区，年平均气温为7～8 ℃, 极端最高气温27～29 ℃; 到海拔4500 m 以上的地区, 年平均气温下降到- 21 ℃, 极端最高气温仅22 ℃, 最低气温可达- 40 ℃以下。

1.3 年平均气温低

按气温划分季节的标准，海拔4500 m以上地区四季皆冬, 如那曲年平均气温为-2.1 ℃, 拉萨年平均气温只有7.5 ℃。

1.4 年较差小、日较差大

气温的年较差是指一年当中最热月平均气温与最冷月平均气温之差; 气温的日较差是指一天中最高气温与最低气温之差。拉萨、林芝、日喀则等地的平均日较差为15℃左右。

2 低气压的影响

低气压对风电变流器的影响主要表现在变流器的绝缘性能下降和温升增加。

2.1 绝缘的影响

风电变流器是风电机组的关键部件之一，其中间电压等级高达1000V甚至更高，应优先考虑绝缘问题, 绝缘水平对风电变流器的安全运行至关重要。随着海拔高度的增加, 变流器的绝缘放电电压会相应降低,影响变流器的内部结构和外形尺寸大小。高海拔的影响实际是大气参数, 主要是空气密度和湿度的影响, 绝缘会随着空气密度的减小和湿度的降低而降低。当海拔在1000米上时, 高度每升高100米, 外绝缘校正1%。

2.2 对温升的影响

输配电设备在运行中要消耗一部分电能变为热能, 导致温度升高, 称为温升。温升随大气压的降低而增加, 随海拔高度的增加而增加。一般来说,海拔高度每升高100米, 变流气温升升高0.4℃，环境温度降低约0.5℃。变流器是高发热电气设备，海拔高度每升高100米，温升升高2.0℃。

3 日温差大对变流器的影响

日温差大、风沙大, 引起热胀冷缩变化剧烈,使设备密封不易保持, 密封材料老化快, 产生渗漏。由于低温、昼夜温差大, 使仪表中的线性元件特性发生线性变化, 测试仪表包括电压传感器、电流传感器、压力表、流量计等普遍存在精度降低、重复性差, 零点漂移严重等。

绝缘、橡胶密封件经低温试验表明, 随着温度的下降, 其硬度、扯断强度及伸涨率三项机械性能均表现出不同程度的下降趋势。

由于昼夜温差大, 温度变化快, 变流器外绝缘表面容易产生凝露, 在低气压、污秽等综合作用下,绝缘强度急剧下降, 极易产生运行电压的绝缘闪络事故。

4 雷暴对变流器的影响

4.1 雷击危害

雷击是影响风力发电机组运行安全的一个重要因素。据德国风电部门对该国风电机组故障情况的统计, 风电场每年每百台风机的雷击率为10%左右, 在所有引发风电机组故障的外部因素( 如风暴、结冰、雷击及电网故障等) 中, 雷击约占25%。对风电机组损害最大的是峰值较低的雷电流，这些快速变化的雷电流将产生暂态磁场, 它通过感应和辐射对周围的电子系统造成危害，影响风电变流器的正常运行。这种影响开始可能是潜在性的, 但在风电变流器未来的运行中可能会引发事故。

4.2 高原地区的雷暴情况

高原地区海拔高、气压低、空气干燥,夏天多夜雨, 雷暴日数多。高原地区的雷暴日数比我国同纬度平原地区多出2～10 倍,成为同纬度地带雷暴日数的多发地。

4.3 解决措施

加强对风力发电机防雷接地设施的研究与开发, 做好防雷设备的保养与维修。

5 其他因素对风力变流器的影响

除上述影响风力变流器性能的因素外,日照强度、空气湿度、流沙尘埃、地形等对风电变流器性能也有一定的影响, 需给予必要的重视。

5.1 太阳辐射的影响

高原地区日照强烈, 紫外线强度大, 太阳直晒机舱外壳, 使机舱内空气温度升高,会促使绝缘材料老化加快, 特别是有机绝缘材料, 会加速油漆涂层的老化和龟裂。因此，高原地区变流器应选择耐高温的材料，特别是大功率的电线电缆和控制电缆。

5.2 空气湿度的影响

变流器位于室外高空的机舱内, 虽然封闭,但并不十分严密, 机舱外的风、雨、雾、沙等可能漏泄入机舱。由于高原地区气候变化迅速, 雨季明显, 使机舱经常处在云雾中, 舱内湿度很大, 因此, 要求绝缘材料耐湿热性较好。

6 结语

由于高原环境的特殊条件, 对风电变流器带来了一系列不利的影响。因此, 对某一高原地区的风电建设, 需要全面调查和统计当地的气压、空气密度和湿度, 并开展风电设备，特别是变流器等关键部件的外绝缘、温升、材料老化的相关研究, 全面评估存在的影响, 开发高原型适应性风电变流器, 才能保证风电设备和系统的安全经济运行。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.065