特高压换流变压器套管是特高压直流输电工程中的关键设备，对特高压换流站的安全运行起着至关重要的作用。特高压换流变压器套管在运行中，并非承受单一恒定的直流电压，而是承受着交、直流多波形电压的联合作用。同时换流变压器套管环氧浸渍纸绝缘材料还要耐受高温和高场强。因此，环氧/纸界面效应突出，易积聚空间电荷，会导致局部电场畸变，可诱发局部放电乃至击穿，严重影响特高压换流变压器及换流变压器套管的运行可靠性及长期使用寿命。目前国内外仅开展过直流电压作用下的环氧复合材料空间电荷特性研究，在换流变压器套管环氧浸渍纸复合材料多波形电压作用下的空间电荷特性研究较少。本文结合特高压换流变压器套管实际工况，开展多波形电压作用下环氧复合材料空间电荷分布规律、电荷注入机理及影响因素、绝缘破坏特性研究，为特高压换流变压器套管设计、制造、试验与运行提供理论和应用依据。
本文以特高压换流变压器套管用环氧复合材料为研究对象，测量分析了环氧浸渍纸复合材料的介电特性，通过编程分解重构了特高压换流变压器套管不同运行工况时的多波形电压，建立了适用于多波形电压联合作用的高温（≤110℃）强场（100kV/mm）电声脉冲空间电荷测量系统，测量分析了多波形电压作用下环氧浸渍纸复合材料空间电荷特性，深入研究了多波形电压下交-直流分量幅值比例、频率、水分、温度、场强对环氧复合材料空间电荷形成机理及分布特性的影响，探究了多波形电压作用后空间电荷对环氧浸渍纸复合材料击穿特性的影响。本文主要取得了以下研究成果：
首次建立了多波形电压与高温、强场联合作用的电声脉冲空间电荷测量系统。该系统可编辑生成交流、直流、交直流叠加、特高压换流变压器套管运行电压等任意电压波形；系统应用新型高居里温度点（≤135℃）P　(VDF-TrFE)压电薄膜传感器，实现了套管用环氧复合材料运行温度下的空间电荷分布测量；设计的电极与R-C脉冲耦合电路、放大器电路的隔离屏蔽结构，消除了高温及噪声对测量系统的影响。研究结果表明，该系统可应用于多波形电压、高温（≤110℃）、强场（100kV/mm）联合作用下复合绝缘材料空间电荷分布的测量。
基于热刺激去极化电流同步多峰分析法（SIMPA），分辨出了热刺激电流中隐藏在较强弛豫峰边缘的弱弛豫峰，获得了弛豫峰特征参数，并结合相对介电常数一阶导数改进差分进化算法的介电谱分析方法，建立了热刺激去极化电流（TSDC）与介电谱的对应关系，有效地分辨了环氧浸渍纸复合材料内的弛豫过程。通过介电谱与热机性能分析，研究了绝缘纸的引入对环氧复合材料中陷阱能级与密度的影响，探索了宏观介电性能所对应的微观结构机理。
通过对特高压换流变套管实际运行电压进行离散化和频谱分析（FFT），重构了不同电压等级（400kV、600kV、800kV）及不同连接型式（Y/Y、Y/Δ）时的特高压换流变干式套管多波形电压。利用搭建的多波形电压联合作用的高温高场空间电荷测量系统，测量得出了不同温度、不同场强、多波形电压作用下环氧浸渍纸复合材料空间电荷分布，研究了多波形电压中交-直流分量幅值比例、频率、温度、场强对环氧浸渍纸复合材料空间电荷密度、电场分布特性、载流子迁移率、材料陷阱能级的影响，得到了多波形电压作用下空间电荷注入机理，以及水分对环氧浸渍纸复合材料在多波形电压作用下空间电荷注入、界面电荷集聚、消散等特性的影响规律。
搭建了多波形预电压处理的高温击穿测试系统，开展了环氧复合材料试样施加重构的特高压换流变压器套管运行电压波形预处理后的击穿特性试验研究，分析了温度、正负多波形预电压处理后，干燥、未干燥的环氧浸渍纸中空间电荷积累对击穿特性的影响，得出了多波形预电压、温度、水分影响环氧复合材料击穿特性的规律，并结合多波形电压下环氧复合材料空间电荷特性，仿真得出了环氧复合材料在击穿试验电压下的电场分布，解释了多波形预电压、温度、水分对环氧复合材料击穿特性的影响机理。
本文的研究成果可为特高压环氧复合材料套管的空间电荷效应分析提供理论依据，对特高压换流变压器套管的设计制造和安全运行提供技术支撑。