高压直流输电在电力大规模远距离输送、可再生能源消纳、高效新型输配电网构建和能源互联网建设等方面表现出了显著的技术优势。本文以直流输电系统中重要的绝缘部件-套管和GIS盆式绝缘子为研究对象,针对其绝缘设计和运行中亟待解决的问题,采用数值模拟和实验测量结合的方法,从温度分布、电荷积聚和金属微粒附着角度分析不同因素作用对设备绝缘性能影响机理。本文研究成果可为直流套管和绝缘子设计、运行和维护提供理论和工程指导,主要开展了以下研究:(1)建立直流套管静电场、电流传导场和瞬态电场分析数学模型,分别计算不同形式电压载荷作用下套管各部位电位分布和电场强度分布,重点讨论极性反转电压作用过程中套管不同介质中电场强度变化趋势。考虑套管中固体绝缘材料电导率随温度的变化以及套管内气体介质在温差作用下的自然对流换热作用,建立套管二维轴对称流-热-电耦合分析数学模型,通过温升实验验证耦合模型的准确性。使用建立的多物理场耦合模型分析直流套管在不同电流载荷下各部位温度分布、气体介质自然对流换热效果,分析不同温度分布作用下芯子中电场强度变化趋势,对直流套管绝缘设计提出建议。计算结果表明,随电流升高套管芯子内温度梯度显著增大,场强逐渐由原本的“内侧高、外侧低”的趋势变为“内侧低、外侧高”,即发生了“电应力反转”现象。(2)建立盆式绝缘子三维流-热-电耦合数值分析模型,分析绝缘子在不同电流载荷下温升情况及其绝缘子表面电场分布的影响;建立盆式绝缘子表面金属微粒附着情况下三维电场数值分析模型,分析金属微粒对绝缘子电场的畸变程度;建立考虑气体介质中带电粒子迁移、扩散运动的绝缘子表面电荷积聚数学模型,分析长时间直流电压作用下,金属微粒对绝缘子表面电荷分布的影响以及对绝缘子电场的畸变作用。研究表明,当电流为5000A时绝缘子表面电场强度也出现了电应力“反转”现象;金属微粒和电荷积聚共同作用下,高压电极区域绝缘子表面场强明显增大,微粒端部场强最高,但表面电荷的存在一定程度上削弱了微粒的尖端效应,使端部场强畸变程度减弱。(3)搭建盆式绝缘子直流沿面闪络实验平台并制备环氧树脂复合绝缘材料盆式绝缘子样品。人为设置绝缘子表面附着线形金属微粒缺陷并进行盆式绝缘子直流闪络实验,实验中考虑微粒附着位置、微粒长度、气体压强和电压极性的影响,分析不同因素作用下绝缘子沿面闪络机理。结果表明,金属微粒的存在是否将显著影响绝缘子性能取决于微粒附着位置,只有当微粒位于表面“缺陷敏感区域”时,才会使绝缘能力大幅度降低。(4)进行金属微粒附着情况下的盆式绝缘子直流沿面闪络实验并使用分形维数理论对放电痕迹进行处理,从宏观角度分析沿面闪络对绝缘子材料的破坏情况。采用指形电极系统和平板形样品进行直流沿面闪络实验,使用扫描电镜测量闪络后绝缘子不同位置表面结构微观形态并测量表面元素含量变化,从微观角度分析沿面闪络中电弧能量对绝缘子材料的破坏机理。结果表明,随着微粒远离高压电极,放电痕迹低压区域分形维数逐渐降低,同时高压区域分形维数逐渐升高;闪络后绝缘子表面是否含有F元素可以作为判断绝缘子表面是否发生过闪络的一个定性指标,而F、Al元素的含量可作为判断烧蚀程度的量化指标。