随着风电产业的不断发展，风电机组的叶片越来越长，雷电对风机叶片等部件损伤事件也不断增多。由于风机叶片造价高，维修费用大，一旦雷击损毁会造成巨大经济损失，因此需要对叶片进行合理的雷电防护设计。

本文提出了一种风机叶片接闪器布局方式，并通过仿真方法进行了验证。仿真模型设计如图1所示，将高压棒电极放置到叶尖接闪器与叶身接闪器中点正上方H处，模拟雷击过程中第一个叶身接闪器与叶尖接闪器的接闪情况。理论上电极距离叶片越近，雷电路径越难偏向，考察条件也越严酷，因此设定H=2m布置电极。由实际经验可知叶片与地面的夹角越大，叶片上的高电势区域越靠近叶尖，雷电路径越易于偏向叶尖。因此水平情况下的仿真模型是最严酷的情况。

图1：叶片与地面夹角为0度时模型设计

由于仿真计算出的电势结果无法直接衡量雷击接闪情况，本文根据大量试验的统计结果和理论分析，得出雷击路径系数的经验公式如下：

其中，K为雷击路径系数，U1为电极的电势，U2为与电极正对的叶片表面电势，H为电极与叶片表面的垂直距离，D为电极与接闪器之间距离。

K值是衡量雷击至接闪器还是雷击至叶片的路径系数。K值越大，雷电路径偏向接闪器的概率越大，即雷电击中接闪器的概率越大；K值越小，雷电路径偏向叶片表面的概率越大，即雷电击中叶片的概率越大。

结合仿真与试验结果，得出K=0.796为临界雷电路径系数。当K>0.796，雷电击中接闪器；当K<0.796时，雷电击中叶片。

本文以一款59m长叶片为例，说明该叶片接闪器布局设计的具体流程。

首先考察叶尖接闪器和第一个叶身接闪器的间距。令H=2m，计算接闪器间距分别为2m、3m、4m和5m雷电路径系数K。计算结果如图2所示。

图2：H=2m时不同接闪器间距的雷电路径系数

从图2可以看出，当H=2m时，要满足K>0.796，叶尖接闪器和叶身接闪器的间距需要小于2.7m，见图2中红点处。

通过同样的计算方法，计算H分别为2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m和9m时，不同叶片间距的雷电路径系数，将计算结果绘制成图3。

图3：不同接闪器间距的雷电路径系数

从图3可以看出，H越小，要满足K>0.796，接闪器间距越小；H越大，接闪器需要间距越大。

由于叶片与地面的夹角越大，叶片上的高电势区域越靠近叶尖，雷电路径越易于偏向叶尖。在接闪器间距设计时，接闪器越靠近叶尖，叶片与地面的夹角考察越小；接闪器越远离叶尖，叶片与地面的夹角考察的可以放大。本文在考察叶尖接闪器和第一个叶身接闪器时叶片角度为0度，考察第一个叶身接闪器和第二个叶身接闪器间距时叶片角度为5度，考察第二个叶身接闪器和第三个叶身接闪器间距时叶片角度为10度。

由上文已知叶尖接闪器和第一个叶身接闪器间距为2.7m。当叶片和地面夹角为5度时，第一个叶身接闪器距地的距离抬高了4.9m，对应的电极的距离也抬高了4.9m，依据图3可知5度时第一个叶身接闪器和第二个叶身接闪器的间距应为7.5m左右。当叶片和地面夹角10度时，第二个叶身接闪器距地的距离抬高了8.47m，对应的电极的距离也抬高了8.47m，依据图3可知10度时第二个叶身接闪器和第三个叶身接闪器的间距应为14m左右。

对以上设计结果进行验证，计算布局有叶尖接闪器和三个叶身接闪器的电势分布，并求出所有接闪器之间的雷击路径系数。叶尖接闪器和第一个叶身接闪器、第一个叶身接闪器和第二个叶身接闪器、第二个叶身接闪器和第三个叶身接闪器之间的雷击路径系数分别为0.81、0.805和0.802，都大于0.796。因此设计间距都在合理范围之内。

本文给出了一种风机叶片接闪器设计方法，以某型号59m叶片为例进行分析说明，最终通过仿真方法对设计结果进行了验证。结果表明该设计方法合理有效，可以对叶片的接闪器布局提供依据。