换流变压器作为高压直流输电系统中最关键的核心设备之一,其运行可靠性问题一直是电力行业工程技术人员关注的热点。油纸绝缘系统作为换流变压器阀侧出线装置的主绝缘,内部易积累空间电荷,空间电荷会畸变电介质内部电场,从而加速变压器的绝缘老化,最终引起绝缘击穿事故。因此,有必要对油纸中的空间电荷与直流击穿特性进行分析。数值模拟是分析油纸绝缘空间电荷与击穿现象的一个有效工具。目前,分析电荷输运的数值模型主要是双极电荷输运（BCT）模型和杂质离子输运（IIT）模型,分析直流击穿特性的数值模型主要有电击穿、热击穿、自由体积击穿（FVB）模型等。然而,上述几种模型存在两个问题,一是普适性较差,不能完全解释多物理场耦合作用下油纸绝缘介质的实验结果;二是准确度不高,有必要对空间电荷的输运和击穿的数学模型做进一步的探索。为了解决上述问题,本文所做的工作及取得的创新性成果如下:（1）针对传统电荷输运模型的准确度较低的问题,首先在BCT模型和IIT模型的基础上引入载流子动态平衡方程、Arrhenius电导率方程与热传导方程,考虑温度和不均匀电导率对电荷传输的影响。提出一种考虑杂质离子的载流子动态平衡输运（ICDET）模型,与传统的BCT模型相比,ICDET模型得到的仿真结果更符合实验结果,因此证明了模型的可靠性。（2）为了研究不同因素对油纸电荷输运以及直流击穿特性的影响,在ICDET模型的基础上通过引入电、热击穿理论建立了一个考虑载流子动态平衡的电-热复合击穿模型,与电击穿、热击穿模型相比,改进的直流击穿模型仿真结果更贴近实验结果。然后通过引入Poole-Frenkel方程与Maxwell-Wagner极化理论,将ICDET模型拓展到双层油纸中,并基于拓展的ICDET模型研究了单层与双层油纸下的温度梯度效应。最后研究含水率和油纸厚度对异极性电荷积聚以及直流击穿强度的影响。（3）由于电荷包行为不能用BCT模型来描述,其适用性受到限制。因此在BCT模型和FVB模型的基础上,通过引入空间电荷包理论和陷阱下降理论,提出一种考虑负微分载流子迁移率的改进电荷传输和分子位移击穿（MCTMD）模型,仿真结果显示与实验结果有很好的一致性。然后利用MCTMD模型研究了分子链位移、陷阱深度、陷阱密度与相对介电常数等因素对电荷包迁移和直流击穿特性的影响。最后讨论了纳米粒子改性对油纸绝缘空间电荷与直流击穿的抑制机理。本文的工作有助于辅助实验进一步了解油纸绝缘的空间电荷与直流击穿现象,进而采取相应的抑制措施,提高绝缘材料的寿命。该研究有望优化换流变压器油纸绝缘设计,为聚合物材料的纳米改性提供理论依据。