次点击中国与德国风区雷暴活动变化对比
1. 中国雷暴分布与主要风区的关系
1.1 什么是雷电
雷电(闪电)是一种正常的大气放电现象，雷暴云是闪电的主要产生源，按照Winn et al(1974)的探空结果，当云中局部电场超过约400 kV/m 时，就能发生闪电放电。据统计，全球每天约有44000 个雷暴发生，平均每分钟约有2000-4000 个雷暴在活动，其影响面积占全球面积的1%。按照目前对雷电的分类，可以将雷电分为：云闪和地闪两类。而对于雷电在进行细化则可分为：云内闪、云际闪和地闪，此外还特殊的闪电类型，如球形闪电、蛛状闪电和天电(红色精灵等)。目前随着全球气候变暖等问题的出现，全球雷暴活动近年来呈逐年活跃趋势。2008 年7 月24 日中国四川监测到一次最大正闪+304.2kA， 随着单次雷电流的不断增加对于风力发电机组的影响也将日趋严重。
1.2 我国雷暴特点
我国的雷暴总体呈南多北少的特点，雷暴活动多发地集中在华南、西南南部以及青藏高原中东部地区，年雷暴日数在70 天以上，其中云南、海南、广西3 省(区)的部分地区超过100 天，相当于一年有接近1/3 天数都有雷电活动，可见云南、海南、广西是我国雷暴发生最多的地方。雷暴活动中等的地区主要集中在江南、西南东部、西藏、华北北部、西北部分地区，年雷暴日数在40~70 天之间。东北、华北、江淮、黄淮、江汉、西北东部及内蒙古中部和东部的雷暴活动较少，年平均20~40 天，西北地区大部、内蒙古中西部更少，不足20 天。
图 1 我国雷暴分布
1.3 我国风资源丰富地区的雷暴活动
我国风能资源的分布与天气气候背景有着非常密切的关系，从我国风能资源分布图上可以清楚看出(图2)，我国风能资源丰富和较丰富的地区主要分布在三北(东北、华北、西北)地区丰富带和沿海及其岛屿地丰富带。
图 2 中国风资源分布
结合风资源分布图和全国雷暴分布图可以看出，在三北地区的雷暴活动水平较低，而沿海风区和青藏高原风区的雷暴活动还是非常活跃的。据不完全统计，目前我国风电机组累计装机量已经2,580万 kW
随着中国海上特许权等项目的开发，东部沿海地区的海上风力发电厂将得到迅速发展，而雷电对于海上风机的影响也将逐渐显现。
表 1 全国典型风场雷暴日与雷击密度
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1.4 近年我国雷暴活动趋势
近年来受全球厄尔尼诺现象的影响，全球范围雷暴活动水平呈逐年上升趋势。直接反映雷暴活动的几个个参量：雷暴日和雷击密度还有雷暴时都被大众所关心。在我国，雷暴活动也是跟随全球变化的，总体上雷暴活动越来越强，按照中国气象局公布的相关资料表明，全国雷暴日每一年都有变化，有增有减;但这并不能说明雷暴活动在减弱，只是说明不能再单纯的用雷暴日来判断雷暴活动的水平了。在IEC 62305 和GB 50057 的最新修改稿中都分别对雷击密度和雷击密度与雷暴日的计算做出了调整，从标准的变化也可以看出，雷击密度逐渐的被重视，采用雷击密度或者雷暴时将能够更为准确的表示雷暴活动水平。表1 中显示了我国主要风区的雷暴日和雷击密度，表1 的雷击密度的计算就是参考最新的标准规定计算的，那么怎样来说明我国的雷暴活动正在增加呢?图3-6显示了我国2004-2007 年四年间的雷击密度活动变化。
图 3 2004年雷击密度分布图
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图 4 2005 年雷击密度分布图
图 5 2006 年雷击密度分布图
图 6 2007 年雷击密度分布图
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从四张雷击密度分布图中不难发现，虽然雷暴活动的主要活动区域变化不大，但是单位区域的雷击密度活动变化还是非常大的。2004 年采用的大尺度观测结果表明，雷击密度最高的地区是福建、安徽、湖南、湖北、东部沿海地区、华中部分地区还有内陆山脉地区，到了2007 年采用了标准的雷击密度观测单位后雷击密度的高发区域发生了较大变化：河南、江苏、广东、广西、云南、四川及华北、东北北部城市都成了雷击密度较高的地区。图7 显示了自1998 年以来截至到2004 年的不完全统计数据，我国雷电灾害数量呈上升趋势。雷电灾害的平均增长率达到73.8%。在不同行业中，电力系统的雷击灾害占总量的24.7%，但不包括风电行业的雷击数据。在国内风电场受雷电影响最高的是海南某风电场，其叶片的损坏率达到5.56 片/百片•年。这表明每33 台机组一年中有5 片叶片因雷击损坏，而由雷击造成的潜在损坏并没有在统计范围内，如果把直接损坏与潜在损坏合并统计，损坏率应高于这个数据。
图 7 1998-2004 全国雷电灾害变化趋势
2 德国雷暴活动分布与风区的关系
德国与中国黑龙江省的纬度相当，德国的中心纬度为北纬51°04′左右，哈尔滨的纬度为北纬45°04′左右，所以在雷暴活动上基本相当，全球雷暴活动主要活动范围在40°N-40°S 之间，所以在40°N 线以北的地区雷暴活动性对都比较低。根据德国气象局公布的资料显示，德国全境的雷电分布主要集中在中西、西南部的山区，主要是由于西南地区属于阿尔卑斯山脉及巴伐利亚阿尔卑斯山区，造成锋面雷暴活动相对集中，而北部平原地区受到大西洋西风带的影响，冷暖空气对流较少，相对锋面雷暴活动更低。这也说明了为什么德国及欧洲的主要风区集中在德国、英国、丹麦及挪威沿海地区。资料表明，德国全境年最高雷击密度为5 个/km2a,而北部风区的雷击密度更低，最高不超过3个/km2a，所以按照德国、丹麦的相关统计数据雷击仅占机装机总量的不足10%。这以数据与我国内蒙地区部分风场的雷击(不完全统计)数据相持平;图8 显示了德国的雷击密度分布，图9 显示了欧洲的风区分布。
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图 8 德国1999-2006 年雷击密度分布图
图 9 欧洲风资源分布图
3. 结论
我国南北纬度跨度大，雷暴活动与德国的雷暴活动有着本质的区别。目前很多风力发电机组的防雷设计仍然参考德国或者丹麦的机组雷击数据，从整体来讲是不能满足我国实际需要的，同样的IEC 标准序列和我国风电相关标准中目前仍然没有针对风力发电机组防雷设计的标准性文件，这对于我国风力发电机组的整机防雷和风场机组接地设计都存在一定的影响。笔者认为对于目前IEC61400-24 这一技术文件，不能过于依赖和照搬;比如邻国日本在2008 年已经明确了要根据本国的实际情况，制定符合本国雷暴活动特点的风力发电机组技术标准，虽然日本与我国东北雷暴活动相当，但是日本具有全球最为活跃的冬季雷暴，而这一特点对日本的风力发电机组造成的损坏成都相当严重。可见，制定符合本土实际情况的风电防雷标准对助力风电产业发展具有重要的意义。在某些程度上，基于地理及气象活动特点而言，欧洲对风力发电机组的防雷设计并不是十分重视，这也导致了我国早期引入风力发电机组安装在东部沿海地区时曾造成水土不服的状况，例如江苏、汕头等地的风场，雷击损坏率都较高。本文仅通过对国内重要风区的雷暴活动和全国雷暴活动趋势的介绍，与德国雷暴活动情况的简单对比，反映我国风区雷暴活动复杂的情况。
参考资料：
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[6] 胡先锋 等 1998—2004 年中国雷电灾害特征分析 气象与减灾研究 2007 年 9 月 第30 卷 第3 期
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[8] key lightning starkes between 1999and2006 / Vds Meteo-Info
[9] 庄 严 风力发电厂雷电风险评估 风能 2010 年
[10] 中国风力发电网 网站资料
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