特高压直流套管是特高压直流工程建设的关键设备，目前成为制约我国直流工程建设和设备国产化的瓶颈。特高压直流套管在运行和试验过程中除了承受工作电压外，还会承受极性反转电压及故障闭锁形成的电压陡变。环氧复合材料作为特高压直流套管电容芯体的主绝缘材料，在高温、高场下的空间电荷输运与低频介电弛豫会对套管极性反转前后的电场分布产生较大影响。然而国、内外对于特高压直流套管用环氧复合材料在高温、长时电场和极性反转条件下的空间电荷输运机理与影响的研究尚少。因此，围绕特高压直流套管用环氧复合材料在极性反转电压下的空间电荷分布特性，开展不同条件下电荷产生、迁移、复合、畸变电场等机理研究，对提升特高压电力设备国产化的技术水平具有重要意义。
本文针对特高压直流套管用环氧及环氧浸渍纸复合材料，应用电声脉冲法空间电荷测量系统，测量了高温、高场和极性反转电压下的空间电荷分布特性，研究了不同温度、长时电场和极性反转条件下的环氧复合材料空间电荷输运机理；测量了环氧复合材料的低频介电特性，研究了温度、浸渍、水分等因素对环氧浸渍纸复合材料低频介电弛豫的影响机理；分析了空间电荷输运和低频介电弛豫对环氧复合材料在极性反转电压下空间电荷特性的影响。主要取得了以下研究进展：
1）建立了环氧材料在高温、长时电场下的空间电荷输运模型。研究了环氧材料在高温、长时电场作用下的空间电荷积聚、迁移和消散特性，基于跳跃电导理论分析了高温、高场下阴极正电荷积聚时间随温度、场强的变化关系，并拟合得到了陷阱深度、平均单次跳跃距离等模型参数；基于肖特基效应、双极性载流子输运、隧道效应等多种理论，揭示了高温、长时电场对环氧材料空间电荷输运过程的影响机理；应用Dissado空间电荷消散模型分析了环氧材料空间电荷的消散特性，获得了其内部陷阱能级分布随极化场强的变化规律。
2）建立了环氧材料在极性反转电压下的空间电荷输运模型。改变温度、极化时间和场强，研究了环氧材料在极性反转电压下的空间电荷动态分布规律，发现温度≤60℃时电导载流子弥散效应影响了极性反转前后电极表面电荷分布；得到了温度≥80℃时空间电荷分布和电场畸变随场强、极化时间和极性反转次数增加的变化规律；基于普尔-弗兰凯尔效应、隧道效应等理论，揭示了温度、场强等对极性反转电压下环氧材料空间电荷输运过程的影响机理。
3）建立了特高压直流套管用皱纹绝缘纸、环氧浸渍纸复合材料的低频介电弛豫模型。综合运用多种介电特性分析方法和模型，研究了皱纹绝缘纸、环氧及环氧浸渍纸复合材料在不同温度和湿度条件下的低频介电特性，得到了复合材料中纤维素σ极化、环氧/浸渍纸界面极化的弛豫强度、弛豫时间、活化能等介电特性参数，揭示了温度、浸渍、水分对环氧浸渍纸复合材料低频介电弛豫的影响机理。
4）研究了环氧浸渍纸多层结构中声波的传播过程，排除了界面声波折反射对空间电荷分布测量的干扰；改变温度、场强和极性反转时间，获得了环氧浸渍纸试样在极性反转电压下的空间电荷分布，分析了界面电荷密度随温度、时间的变化规律，研究了不同极性反转时间下的空间电荷和电场分布，揭示了浸渍纸σ极化、环氧/浸渍纸界面极化、空间电荷输运、极性反转时间对极性反转电压下环氧浸渍纸复合材料空间电荷特性的影响机理。
本文的研究成果可为解释极性反转电压下环氧复合材料的空间电荷特性变化机理，以及特高压直流套管的设计和研制提供重要的理论支撑。