一. 风力发电机遭受雷击的情况分析

统计数据表明，雷击相关事故占风电场所有自然灾害的60%以上。约三分之一的雷击相关事故导致风电机组直接损坏，三分之二的雷击事故是由感应雷电导致的电气设备损坏。叶片损坏占所有雷击事故的7%至10%，控制系统损坏占43%至51%，电气系统损坏占20%至32%。

总结：雷电对风力发电机的破坏占自然灾害的主要部分，1/3的直击雷会带来2/3的感应雷的损坏。消除直击雷可降低或消除感应雷。

二、风力发电机装机容量对雷击的影响

随着风电机组容量的增大，叶片尺寸也随之增大，这将加剧雷击问题。从 20 世纪 80 年代到现在，陆上风电机组叶尖高度由最初的 25.5 m 增加到 245 m，叶轮直径由15m增加到220m以上，海上风电机组的高度更是惊人，叶尖高度超过 300m，叶轮直径超过280m。

首先，风电机组尺寸的增大导致风电机组遭受雷击的形式发生变化，对于高度较低的风电机组，雷击以下行先导为主，而对于高度高于 100 m 的风电机组，雷击以上行先导为主。

其次，叶片尺寸的增加导致叶片材料的变化。例如，主梁从绝缘材料玻璃纤维增强聚合物（GFRP）变为相对导电的碳纤维增强聚合物CFRP，后者面临的雷击风险大大增加。这随后导致CFRP叶片的防雷系统（ LPS ）设计发生重大变化。

第三，适用于较小尺寸叶片的LPS是否仍然适用于较大尺寸的叶片也尚不明确。

三、传统接闪器无法避免叶片雷击的原因

1.雷击点不确定

这给接闪器的布置带来了难度，通常叶片上的接闪器分布在叶片上某一点或者几点。而雷击接闪点却分布广泛。中国电力科学研究院收集了云南、贵州、山西四省区4个风电场1332台风电机组3年的运行数据。静态数据显示，34%的雷击点位于叶尖1m以内，75%的雷击点位于2m以内，93%的雷击点位于4m以内。维斯塔斯公司进行了为期两年的现场观测，记录了236个39 m叶片的雷击事件。据报道，88%的雷击发生在距叶尖1 m以内，其余12%发生在距叶尖4 m以内。

2.叶片旋转增加雷击概率

叶片旋转与空气摩擦，导致电荷在叶片表面积聚，改变了叶片附近的电场分布。有理由相信，旋转将增加从风力涡轮机叶片引发上行先导的概率，这与通过火箭引雷人工引发闪电的情形非常相似。火箭引雷的机制是，它在火箭尖端引起电场的快速变化，从而以大约 200 m/s 的速度引发上行先导。风力涡轮机叶片尖端的速度（>100 m/s）与火箭引雷的速度（~200 m/s）相当。

现有的叶片接收器优化设计大多基于对静止叶片雷电附着特性的电气分析，没有考虑叶片旋转的影响。研究人员研究了高速飞机表面静电产生的机理，他们发现，飞机与空气中的冰晶等颗粒之间的摩擦会产生静电，静电会在飞机表面积聚。当表面静电荷达到一定阈值时就会发生放电，对飞行安全构成威胁。当叶片高速旋转时，它们和飞机一样，会与空气中的颗粒发生摩擦。

叶片倾斜角度在 15°~45° 时，雷击概率显著高于其他角度（尤其当下行先导偏移300米内）。另外，当下行先导位于风力发电机正上方时，叶片遭受雷击的概率最高，为97.6%。

3.装机容量的增大，增加了上行先导的概率

下行雷击时，峰值电流幅值较大，持续时间较短，电流峰值可达几十甚至几百kA，持续时间一般不超过几毫秒。上行雷击时，峰值电流幅值较小，持续时间较长，电流峰值通常在几kA到十几kA之间，持续时间可能超过几百毫秒。下行雷击单次云地闪的电荷量一般不超过100 C，而上行雷击持续时间比下行雷击长1～2个数量级，转移的电荷量要大得多。

日本电力中央研究所在4年监测期内获得的风力涡轮机雷击事件数据显示，所有记录到的上行雷击转移的电荷量都超过了100C，最高的达到了687 C。IEC61400-24建议风力涡轮机叶片可承受的阈值为300C。风力涡轮机叶片的损坏程度可能与雷击转移电荷量有直接关系。转移电荷量越大，雷弧持续时间越长，其影响也越强。对于转移电荷量相对较小的雷击，击中风力涡轮机叶片时，可能会造成叶片表面烧焦。然而，当转移的电荷量很大时，可能会导致叶片爆炸。