风力发电作为一种清洁的可再生能源发电方式,近年来在世界范围内获得了大规模迅速发展。然而,随着风机高度增高,装机容量增加,叶片长度增大,雷电灾害对风电机组的破坏也日益严重。由于自然界中90%的雷电为负极性,大多数防雷系统的研究以负极性雷电为研究对象,针对正极性下行先导的研究少之又少。但通常正极性雷电的雷电参数更大,造成的破坏更加严重,按照负极性防雷研究设计的防雷系统,在遭受正极性雷电时,可能由于保护裕度不足而造成雷击损害。因此,通过实验或仿真手段,研究风机叶片接闪过程中存在的极性效应,分析极性效应在风机防雷中的应用,对降低雷击灾害概率,促进风电场的安全稳定运行具有重要意义。本文在不同极性冲击电压下设计开展了实体风机叶片的长间隙放电实验,实验结果表明,放电具有明显的极性效应现象,正极性雷电放电路径分散性大,更易击中远离叶尖部位,接闪器拦截失效率高;叶片旋转角度,高压电极的侧面距离都会对接闪过程中叶片接闪点分布与接闪后放电通道产生影响,即叶片旋转角度越大,侧面距离越大时,接闪器拦截失效率越高,且对正极性影响更大。所得结论为针对不同极性,来自不同方向雷电的防雷设计提供了参考。结合自然界雷电先导的几何特征,利用分形理论建立了负极性雷电下行先导发展模型;以负极性模型为基础,根据雷电先导发展特性和极性效应,对先导临界击穿场强与分形系数进行修正,建立了正极性雷电下行先导发展模型;利用建立的正负极性雷电下行先导发展模型仿真模拟雷电发展路径,仿真结果与实验结果相符,验证了模型的有效性。文中建立的模型可以为风机叶片防雷系统设计的优化完善提供理论依据。基于长间隙放电实验总结了正负极性上行先导起始和发展过程,正极性雷电时,上行先导为不连续梯级发展的负极性先导;负极性雷电时,上行先导为连续发展的正极性先导;分析造成极性效应的原因为正极性时上行先导难起始,难发展,对下行先导的吸引力小,设计开展1:30缩比3MW风机模型的长间隙放电实验,验证了所得结论的正确性;为研究极性效应对风电场布置的影响,基于单风机的电气几何模型建立了多风机电气几何模型,给出了两风机间存在雷电屏蔽的判据公式;利用判据进一步研究表明,雷电为正极性时两风机间最大屏蔽距离较小,正极性雷击防护需采取更强的措施。本文的研究工作涉及了雷击风机叶片过程中许多普遍性问题,适应当前规模化风电场的发展需求。研究结果丰富了风机叶片接闪过程的基础理论,为风机叶片防雷系统设计的优化完善提供了理论基础和分析方法,为规模化风电场的布置提供了新的思路。