本文系统阐述了空间电荷形成机理及空间电荷效应，重点综述了填充无机纳米粒子、掺入小分子半导体和分子结构设计3种构建陷阱能级的方法，深入探讨了提高电介质材料储能性能的设计策略，并对高性能聚合物电介质材料的制备方法进行展望。

本文结合目前市场上的绝缘漆品种在牵引电机上的应用情况，综述了国内外牵引电机用绝缘漆的研发现状和发展趋势，从180级（H）的二苯醚体系到200级（N）的环氧酸酐体系，再到220级（R）的有机硅绝缘体系，说明牵引电机绝缘漆体系向着高耐热方向发展，未来的研发应用及发展趋势仍然是高耐热的绝缘漆体系。

为了改善两层型挠性覆铜板（2L-FCCL）中热塑型聚酰亚胺（TPI）对热固型聚酰亚胺（PI）薄膜和铜箔的粘接性，本文选用具有柔性结构的芳香二酐单体和芳香或脂环的二异氰酸酯单体通过一步反应制备得到TPI样品，然后将其直接涂覆在表面经过预处理的商品化热固型PI薄膜上得到复合膜，最后经过高温热压得到相应的2L-FCCL。通过观察所得TPI反应液的状态并进行DSC测试，选定了有机溶剂可溶且T_g为226.5℃的TPI-8；然后通过TGA、TMA和拉伸试验测得TPI-8的2%热分解温度（T_2%）为464℃、50～200℃的热膨胀系数（CTE）为64.25×10^-6℃^-1、拉伸强度为64.52 MPa、弹性模量为1.75 GPa、断裂伸长率为62%，并通过FTIR对其化学结构进行了确认；最后分别研究了两种热固型PI薄膜的碱水预处理时间对所得FCCL粘接性能的影响，发现其中SPI膜经60℃碱水处理1 min和3 min后得到的FCCL 90°剥离强度（90°PS）≥0.7 N/mm且最大值达到0.94 N/mm，而UPI膜经同样热碱水处理1～7 min后得到的FCCL 90°PS均≤0.6 N/mm。因此，采用本方法可一步快速简单的制备可溶解且热学性能、力学性能、尺寸稳定性较好的TPI，同时其对铜箔以及表面经过碱水预处理的SPI具有较好的粘接性能，满足FCCL相关标准的要求。

聚偏氟乙烯（PVDF）基聚合物在高储能密度、高脉冲储能领域具有广泛的应用前景。本文采用钛酸钡（BTO）纳米颗粒掺杂聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯（P(VDF-CTFE)）溶液，采用流延法制备P(VDF-CTFE)/BTO复合薄膜，探讨了不同BTO掺杂含量对复合薄膜微观结构、介电性能、储能特性的影响；采用多巴胺（DA）改性BTO以提升BTO与聚合物基体的相容性，改善复合薄膜的介电常数和电气强度；同时利用薄膜层间“击穿阻碍效应”制备层叠式结构复合薄膜以提升薄膜的储能特性。结果表明：使用DA改性BTO质量分数为10%的P(VDF-CTFE)/DA@BTO复合薄膜作为中间层、P(VDF-CTFE)作为外层制备的PV-BT-PV层叠式三明治结构复合薄膜，介电常数达到10.44，最大电气强度为362.25 kV/mm，在500 kV/cm电场强度下的充放电效率达到86.63%。

本文引入具备窄带隙的四氰基苯醌二甲烷有机小分子，通过溶液共混制备了聚乙烯/四氰基苯醌二甲烷复合材料，并考察四氰基苯醌二甲烷掺杂含量对复合材料直流击穿特性、高场电导及陷阱分布特性的影响。结果表明：复合材料的电气强度随着四氰基苯醌二甲烷掺杂含量的增加先升高后降低，四氰基苯醌二甲烷的掺入使聚乙烯的电气强度最大提高了约54%，且有效降低了电导率。陷阱分布测量与量子化学仿真证实四氰基苯醌二甲烷引入了电荷深陷阱，增强了对载流子的捕获作用，使聚乙烯的直流电气强度获得提升。

为了提高干式空心电抗器包封绝缘材料的抗开裂性能，需要在保证环氧复合材料良好电气性能的同时提高其韧性。本文通过向环氧玻璃纤维（EP/GF）复合材料中加入不同含量的端环氧基液体丁腈橡胶（ETBN）、不同含量和不同粒径的Al₂O₃粉体，得到一种兼顾良好力学性能和电气性能的环氧玻璃纤维复合材料，并对其结构形貌、力学性能和电学性能进行测试。结果表明：当添加质量分数为10%的ETBN、质量分数为30%的5 μm Al₂O₃和质量分数为3%的100 nm Al₂O₃时，复合材料的弯曲强度最高达到291.0 MPa，比未添加填料时提升了33.5%，电气强度为24.3 kV/mm，此时EP/GF复合材料综合性能最优。

室温硫化硅橡胶（PRTV）是目前电力系统中最常用的防污闪涂料，为了进一步提高PRTV材料的绝缘性能，选用硅烷偶联剂KH570对氮化硼（BN）纳米粒子进行改性，制备了BN/PRTV复合材料，并研究了BN掺杂含量对复合材料电气特性和疏水性的影响规律。结果表明：BN纳米粒子表面成功接枝偶联剂，随BN纳米粒子含量的增加，复合材料断面粗糙度增加且出现乳突结构。BN纳米粒子的引入降低了PRTV材料的介电常数，同时在PRTV内部引入了更多的深陷阱，抑制了电荷脱陷能力，提升了PRTV材料的闪络电压。当BN纳米粒子质量分数为5%时，复合材料的憎水性最佳，闪络电压最高。

分子链结构对硅橡胶的电气绝缘性能具有较大影响，本文通过实验与分子模拟相结合的方法，探究不同比例、不同种类的硅橡胶共混对复合硅橡胶电气性能的影响规律及机理。结果表明：苯基/乙烯基共混硅橡胶（PMVQ/MVQ）的电气强度提升明显，苯基硅橡胶质量分数为15%的PMVQ/MVQ复合材料体积电阻率为1.04×10¹⁶ Ω·cm，电气强度为106.87 kV/mm，与乙烯基硅橡胶相比分别提升了1.77倍和13.22%。三氟丙基/乙烯基共混硅橡胶（FMVQ/MVQ）的介电性能得到改善，三氟丙基硅橡胶质量分数为15%的FMVQ/MVQ复合材料介电常数为3.74，与乙烯基硅橡胶相比提升了40.07%。分子模拟结果表明，苯基/乙烯基共混硅橡胶的自由体积随苯基硅橡胶含量增大而减小，三氟丙基/乙烯基共混硅橡胶的自由体积随三氟丙基硅橡胶含量增大而增大，与复合硅橡胶击穿现象吻合。

为满足海拔高度为2 500 m的某大型水电站18 kV水轮发电机的防晕要求，本文从理论方面分析了目标海拔高度下的空气击穿场强及影响因素，并通过建立定子绕组端部三维仿真模型评估了端部电场特性，分析了间隙距离与绑扎结构对端部斜边电场的影响，确定了定子绕组端部斜边最小间隙距离控制在15 mm的方案。最后，在构建的大型高海拔环境模拟试验室完成了18 kV水轮发电机定子线圈和绕组的防晕性能进行测试验证。结果表明：该18 kV水轮发电机的防晕性能良好，满足在2 500 m海拔高度下的防晕要求。

为了研究热老化对表面划伤交联聚乙烯（XLPE）电缆直流局部放电发展过程的影响，本文采用实体10 kV电缆制作了表面划伤缺陷模型并进行不同时间的加速热老化处理，利用脉冲电流法研究了直流电压下缺陷电缆的局部放电特性。基于缺陷电缆局部放电量随加压时间的变化，提取出最大放电量、不同放电区间的平均放电量和放电重复率的统计图谱，然后基于电荷运输理论提出了局部放电和电荷输运模型对缺陷电缆局部放电结果进行解释。结果表明：缺陷电缆的局部放电起始电压随着老化时间的增加而增大，其放电量-时间图谱呈现“梳齿”状放电特征；随着热老化时间的增加，缺陷电缆在>100 pC区间的平均放电量和放电重复率逐渐减小，且其“梳齿”状放电特征在老化21天时彻底消失，表现出局部放电的自愈性。热老化过程中XLPE划伤缺陷表面氧化产生了电荷陷阱，由此产生了均匀密集的空间电荷层，使缺陷内部电场下降，从而削弱了缺陷电缆的局部放电。研究结果为XLPE电缆缺陷的直流局部放电研究提供了数据支撑。

直流电缆主要采用油纸及交联聚乙烯（XLPE）作为绝缘，两类材料的电导率特性不同，对电缆中电场分布的影响不同。本文基于500 kV典型直流电缆结构建立有限元模型，对油纸及XLPE绝缘电缆开展热-电耦合仿真分析，研究了两种绝缘在不同温度及温差下的场强分布特性，分析了绝缘电导率温度系数及电场系数对场强分布的影响，对比了相同温度及场强范围内油纸及XLPE绝缘的电导率变化特性。结果表明：在电场强度为10～25 kV/mm和温度为20～90℃的范围内，油纸绝缘中的电场分布受绝缘温差的影响，在确定温差下几乎不随绝缘温度而变化；而XLPE绝缘中的电场分布同时受绝缘温度和温差的影响。此外，油纸绝缘的电导率整体比XLPE绝缘高，随温度和场强的变化幅度大，这可能是油纸电缆绝缘中电场反转发生在更低温差下的原因。对于高压直流电缆中应用的绝缘材料，应控制电导率温度系数即减小温度敏感性。

动车组车顶环氧绝缘子在注射成型过程中，伞裙表面沿竖直方向会出现两条合模缝，凸起的棱边会畸变其附近的电场。本文对动车组车顶环氧绝缘子在湿润工况下合模缝对闪络路径的影响进行研究，通过喷淋闪络试验，比较合模缝处与伞裙其他部位的闪络概率，观察水滴在环氧树脂伞裙表面的运动特性，并通过仿真分析合模缝对水带形成、电场强度和电流密度分布的影响。结果表明：在合模缝处容易形成闪络通道，且在电场的作用下，合模缝附近的水带会拉伸甚至桥接相邻伞裙。高压端伞裙表面合模缝处水带的电流密度比伞裙其他部位的水滴电流密度高1倍以上；桥接伞裙的水带会畸变局部电场，缩小爬电距离和增加单位爬电距离承担的电压值。

金属化聚丙烯膜电容器具有工作可靠性高、可自愈、低介质损耗等特点，然而其在工作过程中需要长期承受强直流电场和高温热场的联合作用，致使聚丙烯电介质薄膜内部容易积累空间电荷，导致其电气绝缘性能退化失效。本文搭建了金属化聚丙烯薄膜自愈模型，通过金属层蒸发模型研究不同自愈发展时间和外施电压下自愈点的自愈面积变化，并利用双极性载流子输运模型研究不同自愈发展时间、外施电压和温度下放电通道内的空间电荷密度变化，以此探究金属化薄膜自愈的微观机理。结果表明：金属化膜金属层蒸发面积与自愈发展时间呈现线性关系；随着外施直流电压和温度的升高，放电通道内部的电荷迁移过程加强，放电通道内部的电子和空穴更容易发生迁移并与相反极性的电荷发生复合；并且随着自愈过程的进行，注入放电通道中的电荷数量逐渐增多，电荷向放电通道两端迁移的行为加剧，造成放电通道内部的电势分布不均匀，放电通道内会发生电场畸变。

高压电缆外护套的绝缘电阻是衡量高压电缆绝缘状态的重要参数，本文提出了一种基于金属护层环流的在线监测方法，以评估高压电缆外护套的绝缘电阻，从而实现高压电缆绝缘状态的实时监测。该方法分析了金属护层环流形成及其与外护套绝缘电阻之间的关系，推导出计算模型，并对单端接地和交叉互联接地的高压电缆开展了在线监测方法的现场应用。结果表明：所提出的在线监测方法与离线测量方法的误差在20%以内，且该方法对交叉互联接地高压电缆中间段的测量效果明显好于两边电缆段，对于高压电缆的状态监测和金属护层故障定位具有重要意义。

研究电缆的热解气体产生规律，可以为电缆火灾早期预警提供依据。本文针对常用电缆搭建了高温热解实验平台，分别对75、100、120、150℃下电缆PVC外护套的热解气体产生规律和185℃、225℃下电缆内部材料的热解气体产生规律进行了研究。结果表明：PVC电缆外护套材料在75℃时已经发生热解，热解气体组分为CO和CO₂；温度低于120℃时，热解气体组分只有CO和CO₂，所以CO和CO₂适合作为常用电缆火灾的早期特征气体组分；当温度为150℃时，热解气体中出现了CH₄、C₂H₄、C₃H₆和CH₃Cl等气体组合，所以CH₄、C₂H₄、C₃H₆和CH₃Cl可以作为常用电缆过热故障加剧的特征气体组分。

为提高线路瓷质绝缘子劣化带电检测的准确性，本文研究了布设方式和劣化程度对高压交流绝缘子串电压分布特征的影响。首先，建立交流220 kV瓷绝缘子串在不同布设方式下单电压分布的有限元仿真计算模型，并仿真分析绝缘子串电压分布的特征。然后，结合实际测量得到的山东省交流220 kV输电线路绝缘子串电压分布，验证仿真计算结果与实测结果的一致性。结果表明：输电电路杆塔塔型、绝缘子串片数及布置方式、劣化绝缘子位置及劣化程度等因素对绝缘子串电压分布特征及劣化判别有较大影响，其中不同塔型最大分布电压差可达到35%。不同布置方式最大分布电压差可达到18%，通过分布电压下降比例可判断不同位置绝缘子劣化情况。

通过COMSOL有限元仿真软件研究不同形貌特性的鸟粪对绝缘子闪络的影响。通过研究鸟粪的长度和黏度对闪络的影响以及鸟粪下落导致绝缘子闪络的过程，本文得出了不同黏度多段鸟粪构成的组合空气间隙击穿电压的计算方法。结果表明：鸟粪黏度越高，鸟粪的连续性越好，构成的空气间隙击穿电压越低，容易造成复合绝缘子闪络。因此若想提高防鸟罩对高黏度长鸟粪的防护能力，防鸟罩需具有减少鸟粪长度的能力。本研究在防鸟罩表面设计导流槽，将原本一段高黏度且长度较长的鸟粪通过导流槽分割成多段长度较短的鸟粪，通过减少鸟粪长度从而增加空气间隙长度，进而可以提高击穿电压，降低鸟粪闪络概率。