风力发电因其清洁无污染、可永续利用等优点在近数十年得到蓬勃发展,这种快速发展也伴随着日益严重的雷电灾害威胁。风电机组容量和规模的不断扩大增加了机组遭受雷击的风险,而风机叶片是最容易遭受雷击并发生损坏的部件。长度的增加、新型材料的使用更是为现代大型风机叶片的防雷保护提出诸多新的挑战。因此需要详细研究风机叶片的雷击特性,诸如叶片落雷点分布规律和雷击后暂态特性等为叶片接闪器布置、防雷分区和绝缘配合提供参考。文章分析了风机叶片遭受雷击后的损坏形式和损坏机理,讨论了现有叶片防雷措施及其不足之处;通过对现有风力发电机年预计雷击次数计算公式存在问题的分析,讨论提出改进计算方法;基于二维闪电先导随机模式,建立简化风机模型,对闪电先导与风机的连接过程进行了模拟。根据多次模拟结果分析闪电和风机连接过程形态,统计闪击距离和最后一条距离的区间分布,研究风机叶片落雷点分布规律。利用ATP-EMTP搭建风机叶片模型,分别计算叶片内嵌引下线、电缆线和采用碳纤维层压板时的暂态过电压和内部电场强度。研究得到的主要结论如下:叶片遭受雷击后产生破坏主要由于雷电流热效应和机械效应作用。风机叶片的旋转可能导致的回击雷和“Swept stroke”现象、对风机电晕放电可能产生影响、叶片表面污染导致的沿面闪络等进一步增加了叶片防雷的难度。现有IEC关于风机年雷击次数公式无法考虑风机转动过程中最高点的变化,也无法给出具体上下行雷击次数。本文提出的改进计算方法考虑风机转动最高点的周期性变化和上行雷击事件,计算结果与实际观测数据较为接近。当风机安装在山体上时,需要用风机等效高度替代其结构高度。二维闪电先导随机模式能够较好反映闪电发展和风机叶片接闪过程。闪电与风机的连接形态呈现多样性特点。闪击距离和最后一跳的距离区间分布跨度较大,除90°情况外,其余7种最后一跳距离主要集中区间一致,与雷电流幅值相关。风机叶片落雷点主要集中在距叶尖4m以内的范围,占所有雷击总数的98.50%,这也与实际观测数据相吻合。风机叶片旋转角度对落雷点分布存在一定影响,总的趋势是随着旋转角度的增大,落雷点越往叶尖部位集中。叶片遭受雷击后,引下线承受电位降可达MV量级;内部电缆线感应产生的电流幅值较小,但其与引下线间电位差沿叶片纵向衰减,二者间电场强度达几千kV/m,极易产生内部电弧;引下线和碳纤维层压板在叶片尖端和根部相连方式下电位差和电场强度远小于仅在叶片根部相连方式,电场强度减小至几kV/m。当叶片内部敷设电缆线时,需要尽可能拉大引下线和电缆线间距离;采用碳纤维层压板时可在叶片尖端和根部将其与引下线相连。