随着风电机组容量的不断提升,大型风机的塔筒高度和叶片长度也显著增长,而在旋转过程中风机叶片总处于较高位置,容易遭受雷击。现有的风机防雷技术措施难以对旋转风机形成有效防护,主要缘于旋转叶尖附近空间电荷的分布特性尚不明确,致使雷击接闪机制仍不清晰,针对旋转风机接闪系统的优化设计缺少理论支撑。针对上述挑战,本文综合利用实验研究与仿真建模手段,对旋转风机的邻域空间电荷分布、雷击接闪特性和接闪系统雷击风险评估等问题开展系统研究,从防雷设计角度为风电机组的安全运行提供理论基础。为厘清叶片旋转对邻域空间电荷分布的影响机制,建立了雷云背景下大尺度旋转风机邻域的离子流旋转网格计算模型,获得了叶尖邻域空间电荷的分布特征及对空间电场的影响,并搭建缩比旋转风机开展叶尖电晕实验,验证了计算模型的有效性。研究结果表明,旋转叶尖邻域的空间电荷呈现“类椭圆”状分布特征,定义了电荷偏移系数来表征旋转叶尖电荷分布的偏移程度,发现随转速增加,叶尖邻域的空间电荷偏移程度增大。通过分析不同转速和空间角度下,受空间电荷分布影响的叶尖电场强度变化,获得旋转叶尖的动态起晕特性,进而发现叶尖起晕场强构成U形风险区域,在此基础上得到了不同雷云场强下风电机组的安全转速范围。搭建了旋转风机电晕放电观测实验平台,获得了正、负雷电极性下旋转风机的叶尖电晕放电特性,与静止风机的电晕随机脉冲放电模式不同,发现旋转风机的叶尖电晕呈周期性间隔放电丛模式。随着转速增加,电晕放电电流和重复率呈上升趋势,这主要缘于叶尖附近迁移区的电荷减少,对电晕电离区的屏蔽作用减弱,从而增强了电晕放电。对叶尖正、负电晕的放电图谱进行分析,界定了旋转风机正、负电晕的两种放电模式,即:正电晕呈强烈的周期性间隔放电丛模式,负电晕呈间隔放电丛叠加连续的微弱放电模式。结合旋转风机在不同极性雷云下的电晕特性,提出了旋转叶尖初始流注区的电势畸变系数计算公式,进而建立基于动态电势畸变系数的旋转风机上行先导起始模型。同时,通过建立分支通道电势加权的雷电流分流模型,模拟了雷电下行先导的三维随机发展过程。再进一步融合旋转风机上行先导的起始模型和雷电下行先导发展的数值计算方法,实现了旋转风机雷击接闪的全过程动态模拟。通过对不同转角下旋转风机雷击接闪的全过程进行模拟,发现随叶片转角增大,雷击距减小。相较于负极性情况,正极性雷电先导下的叶尖负先导起始难度增大,风机雷击距较小。针对125 m旋转风机的算例表明,随看转速增大,雷电击距增大,表明旋转风机更容易引雷,与实际风电场的观测数据对比,验证了模型的有效性。在实现旋转风机雷击接闪全过程模拟的基础上,提出了考虑空间电荷演化特性的旋转风机接闪系统雷击屏蔽失效率计算方法,可定量评估旋转风机叶片接闪系统的雷击屏蔽失效风险。考虑大气环境因素影响,随着空气相对密度和湿度增大,或者出现盐雾附着条件,都会增加叶片接闪系统的雷击屏蔽失效率。针对传统接闪系统易形成叶片表面带状风险区的缺陷,提出了金属网包覆式叶片接闪系统的优化设计方案,定量评估了雷击屏蔽失效率,并通过长间隙放电实验验证了该方案的雷击屏蔽有效性。上述研究为提升旋转风机在雷暴天气下的安全运行能力提供了理论支撑和有效方法。