随着远海风电的开发与建设，交联聚乙烯电缆被逐步应用于低频输电，然而其在低频电压下的绝缘老化特性尚不明确，因此本文对交联聚乙烯在低频老化后的绝缘特性及老化机制进行研究。首先对交联聚乙烯开展20、35、50 Hz电压频率的加速老化实验，然后对老化后的试样进行理化及电气性能测试，最后探究电压频率对交联聚乙烯电老化的影响机制。结果表明：随着电压频率的降低，交联聚乙烯的结晶度下降，空间电荷积聚量和电导率上升，交流电气强度下降，即电压频率降低使老化程度显著提高。结合红外光谱和结晶度分析，电压频率降低使得电荷入陷形成热电子的概率更大，电子和空穴复合引起的电致发光效应更强，从而引起聚合物分子链断链裂解程度增加，进而降低其电气强度。

随着电网容量和电压等级的提升，环氧复合绝缘材料的绝缘性能对电气设备的安全稳定运行至关重要，长期的高温高湿状态会导致材料的绝缘性能严重下降。本文基于介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge，DBD）的等离子体技术对纳米SiO₂进行氟化改性（F-SiO₂），成功将含氟基团接枝在纳米SiO₂表面，并通过湿热老化实验模拟高温受潮状态，对不同老化阶段的试样进行沿面闪络、电荷消散特性和陷阱分布特性测试。探究了掺杂F-SiO₂对环氧复合材料耐湿热老化性能的影响，并结合MD仿真模拟从分子尺度揭示了F-SiO₂对水分侵入的抑制机理。实验结果表明：掺杂F-SiO₂使环氧复合材料的饱和吸湿量降低了16.16%，沿面闪络电压提升了13.06%，且在湿热老化后能继续保持较高的绝缘性能。仿真结果表明：F-SiO₂可以降低环氧树脂的自由体积分数和水分子的均方位移，增强了环氧复合材料对水分的阻隔作用。等离子体技术可以将氟元素接枝到纳米SiO₂表面，有效抑制水分的侵入，提升环氧复合材料在受潮状态下的表面绝缘性能。

为研究氧化铝（Al₂O₃）构筑的填料网络对聚丙烯（PP）复合材料导热性能和介电性能的影响规律，本文通过构建Al₂O₃颗粒随机填充的有限元模型，系统研究了填料填充体积分数、填料粒径以及二元填料的尺寸匹配等因素对Al₂O₃/PP复合材料热导率和介电常数的影响。结果表明：增加填料的填充体积分数可以显著地桥接Al₂O₃填料，协同构建互联的导热网络和电位移通路，从而显著提升Al₂O₃/PP复合材料的热导率和介电常数。对于单一粒径Al₂O₃/PP复合材料，调控Al₂O₃填料尺寸不能有效提高复合材料的热导率和介电常数。引入多尺度填料后，在最佳二元填料 （40 μm、10 μm）比例为70∶30下，整体的导热和电位移网络呈现出大尺寸填料的主导骨架和小尺寸填料的桥接分支特征，协同促进Al₂O₃/PP复合材料达到最优热导率（0.54 W/(m·K)）和介电常数（5.6）。

绝缘皱纹纸是变压器和互感器及高压电缆等电力设备必须的绝缘材料，目前超（特）高压电力设备用高性能皱纹纸全部依赖进口，为实现高端电力设备用皱纹纸国产化以及提升皱纹纸长期可靠性，亟需开展皱纹纸理化特性及性能提升技术研究。本文开展了不同厂家皱纹纸理化性能测试与对比分析，提炼出影响皱纹纸性能的关键理化参数。通过接枝改性技术向皱纹纸纤维素体系中引入3种官能团，利用Materials Studio软件对改性前后纤维素体系的电、热、力学性能进行分析，探究了不同官能团对纤维素体系各项性能的影响。结果表明：苯环对纤维素体系热性能的提升最为明显，亚甲基长链能提高纤维素体系的绝缘性能，苯环能够提高纤维素体系的力学性能。

为了研究聚乙烯（PE）材料在热应力作用下微观结构和介电性能的变化规律，本文将PE试样在90℃下进行加速热老化试验。采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、差示量热扫描分析（DSC）、X射线衍射分析（XRD）、强场电导测试（HFC）、等温表面电位衰减测试（ISPD）等手段对热老化PE试样的微观结构和电荷输运特性进行表征。结果表明：PE试样的热老化过程可分为重结晶阶段和热氧降解阶段，在重结晶阶段，试样结晶度增大，晶体结构趋于完善，深陷阱密度和深陷阱能级增大，载流子迁移受限，空间电荷注入阈值场强提高；在热氧降解阶段，试样结晶度减小，晶体结构出现劣化，深陷阱密度和深陷阱能级下降，载流子迁移率增大，空间电荷注入阈值场强下降。通过不同温度、不同场强下电导特性的表征，得到了Steven Boggs电导率函数中A、B、φ 3个参数的变化规律，φ和A随老化时间的增加先增大后减小，而B先减小后不变，其中材料系数A对热老化最为敏感。

通过双层共挤工艺制备0.6/1 kV双层绝缘结构电缆线芯，研究不同挤出温度对双层绝缘结构线芯表面质量、偏心度、微观结构和力学性能的影响规律，并对制备的双层绝缘结构线芯进行多项性能测试和耐热寿命评定。结果表明：随着挤出温度从温度I升高至温度II时，制备的双层绝缘结构线芯表面平整，光亮度较好且内外绝缘层偏心度较小（≤15%），此时双层绝缘结构线芯断裂伸长率从109%增加至221%。当挤出温度从温度II升高至温度III时，制备出的双层绝缘结构线芯表面质量恶化，绝缘线芯形状出现扭曲和收缩，且纵截面可观察到许多大小不一的气孔，此时双层绝缘结构线芯抗张强度和断裂伸长率分别下降至10.7 MPa和140%。通过挤出温度II制备的双层绝缘结构线芯经电子辐照交联后，其20℃绝缘电阻常数、老化前后抗张强度和断裂伸长率、热延伸性能显著优于JG/T 442—2014标准中规定值，表明该双层绝缘结构线芯绝缘性能、力学性能、老化性能和热延伸性能较为优异。此外，双层绝缘结构线芯经165℃/168 h老化后，其断裂伸长率保留率达到98%，表明该双层结构的绝缘线芯具有较好的耐热寿命。

为探索电机绝缘结构在高温下的热机械应力分布，本文以有机硅体系绝缘结构为研究对象，测试其在不同温度下的热膨胀系数及弹性模量，分析不同温度下的热应力参数对有机硅绝缘系统热机械应力的影响。结果表明：在温度为-50～200℃内，绝缘结构的热膨胀系数随着温度的升高先增大后减小再增大，其值为0.8×10^-5～1.7×10^-5 K^-1；弹性模量随着温度的升高呈先增大后减小的趋势，其值为0.2×10³～3×10³ MPa。绝缘结构承受的热机械应力随着热膨胀系数、弹性模量的增加线性增大，绝缘结构的热机械应力随着温度的升高先增大后减小，取决于不同温度下热膨胀系数和弹性模量的大小。通过线棒和电机整机应力测试，验证了测试参数及仿真分析的可行性，仿真值与测试值的偏差在15%以内。仿真分析结果显示：在120℃下，电机绝缘最大热机械应力点位置位于槽口绝缘处，最大值为11.37 MPa，灌封后槽口绝缘最大热机械应力值可降低45%左右。

复合绝缘子被广泛应用于输电线路中，但其老化与断裂问题不容忽视。为研究复合绝缘子断裂故障成因和电热力老化机理，设计了电热力老化试验平台，对复合绝缘子芯棒短样进行多场耦合老化试验。结果表明：老化绝缘子芯棒样品出现了断裂现象。芯棒断裂过程中，宏观特征表现为裂纹和断裂面的扩大、高压电极附近出现放电痕迹等；微观特征表现为环氧分解、玻纤出现微裂纹并断裂、玻纤-环氧界面失效等。同时，依据单元断开率建立了电热力多场耦合断裂失效评估模型，揭示了单元断开率与能量势垒的反比关系。在给定的电、热和机械应力条件下，该模型可根据断裂面积比率实现复合绝缘子芯棒老化程度评估，能够为多应力协同作用下的复合绝缘子芯棒老化失效分析提供参考。

水轮发电机定子线棒端部主绝缘在长期运行过程中因温升及局部放电的高能粒子轰击极易发生热老化，劣化绝缘性能，加剧局部放电强度。文中根据水电站F级定子线棒绝缘结构设计制作了3种端部典型缺陷模型，在170℃环境条件下进行加速热老化；通过扫描电子显微镜和拉曼光谱分析仪对不同老化周期下的主绝缘试样进行形貌结构和分子结构分析，揭示主绝缘材料——环氧玻璃粉云母带的热老化机理；搭建局放试验平台，采用脉冲电流法和臭氧检测法测量老化前后放电量和放电次数及臭氧浓度的变化情况，并挖掘其对端部缺陷局部放电特性的影响规律。结果表明：加速热老化周期与主绝缘材料绝缘结构变化成正比，老化时间越长，试样表面越粗糙；热老化会破坏环氧玻璃粉云母带的分子链结构，苯环等芳香族和碳环上的C-C键及C=C键特征峰变化与绝缘电阻具有相关性；热老化对内部气隙放电量和放电次数的影响较小，对防晕层脱落缺陷的低放电量次数影响较大；不同绝缘缺陷模型臭氧的饱和浓度和饱和时间存在较大差异，热老化前不同放电类型的臭氧浓度变化具有阶段性，而热老化后臭氧浓度无明显的阶段性增长特征。

油纸绝缘作为油浸式电力设备的主绝缘材料，长期复杂工况下油纸绝缘的老化将严重影响设备的使用安全，因此准确评估油纸绝缘老化状态至关重要。本文制备了多组不同老化程度的油纸绝缘模型，在不同测试激励幅值下开展宽温-宽频介电响应测试，并基于Dissado-Hill弛豫模型，提取表征油纸绝缘老化程度的特征参数。结果表明：随着油纸绝缘老化程度的增加，全频段介质损耗因数曲线出现两个特征频段，分别与材料电导特性、转向极化及界面极化过程有关。根据拟合计算结果发现，油纸绝缘老化后，由于纤维素结构被破坏，介质内的杂质离子数增多，微观上表现为介质内“簇”间运动增强而“簇”内运动削弱，因而模型中的特征频率点向高频移动。为准确获得油纸绝缘的老化状态，本文在消除测试温度及激励幅值的影响下，构建了模型特征参数与绝缘老化程度的量化表征关系，研究成果可为基于频域介电响应现场检测技术的油浸式电力设备绝缘老化状态评估方法提供理论支撑。

气隙缺陷是GIS盆式绝缘子内部常见的缺陷之一，气隙会引起电场畸变，而介电功能梯度材料的引入可以优化盆式绝缘子的局部电场，但在气隙缺陷与介电功能梯度材料共同作用下，其电场特性尚未可知。因此，本文建立具有均匀介质和介电功能梯度材料（ε-FGM）的GIS盆式绝缘子电场仿真模型，讨论气隙的存在及气隙位置对于均匀介质和ε-FGM盆式绝缘子电场分布的影响。结果表明：引入的介电功能梯度材料的调控效果较为理想。当均匀介质盆式绝缘子中掺杂气隙时，靠近高压导体、绝缘子中部、靠近接地外壳3个气隙位置的场强均有明显的增加，电场增加率分别为85.32%、78.10%和68.69%。气隙缺陷对ε-FGM盆式绝缘子电场特性影响趋势基本和对均匀介质盆式绝缘子的影响趋势一致，但从具体数值上看，气隙缺陷对ε-FGM盆式绝缘子电场特性影响与对均匀介质盆式绝缘子的影响仍有一定的差异性。气隙缺陷对于介电功能梯度材料绝缘子电场值的影响更大，在设计介电功能梯度材料绝缘子时，应尤其注意对介质中气隙缺陷的抑制。

为分析直流电缆中间接头多层复合介质绝缘界面气隙缺陷及受潮对其电场分布的影响，本文在建立±320 kV直流电缆中间接头仿真模型的基础上，基于有限元法计算了电缆中间接头在多层复合介质界面区域存在气隙、水膜缺陷时的电场分布，分析了空载与负载两种运行条件下缺陷对中间接头电场分布的影响，并进一步讨论了缺陷在交/直流电场作用下电缆接头电场分布的差异。结果表明：在直流电场作用下，气隙、水膜缺陷均会导致直流电缆中间接头在复合介质界面处的电场发生显著的畸变，气隙在空载、负载时的场强畸变倍数分别为9.6倍、1.7倍，水膜缺陷内场强在两种运行条件下均急剧缩减为原来的99.9%以上；电缆中间接头存在气隙缺陷空载时的场强畸变倍数要大于负载时的场强畸变倍数，接头内外存在的温度梯度起到了一定的均匀电场作用；界面受潮在负载运行时的温度场促进了接头内空间电荷积累，从而引起水膜缺陷处的场强畸变倍数较空载时的场强畸变倍数更大；相比于交流电缆，直流电缆中间接头存在缺陷导致的场强畸变倍数更大。

高压电缆是供电系统的重要组成部分。缓冲层烧蚀会导致电力电缆故障，近年来出现多起由缓冲层烧蚀引发的电缆事故。为了解决以上问题，本文提出了一种基于缓冲层烧蚀特征气体和温度、气压变化的电缆烧蚀缺陷多参量检测方法。采用傅里叶变换红外光谱分析缓冲层中的CH₄、C₂H₆、C₂H₄浓度，采用电化学传感器测量缓冲层中的H₂浓度，采用温度传感器、压电式气压传感器测量缓冲层中的温度和气压。通过实验室缓冲层烧蚀实验和真型电缆检测实验测试系统的性能。结果表明：该系统的功能性和准确性满足要求，4种特征气体的浓度、温度、压强能够作为表征缓冲层烧蚀缺陷的特征参量。该系统的检测周期小于30 s，检测误差在±10%以内，在安全性、检测速度和准确性等方面具有优势，能够保障电力电缆的安全运行。

110 kV环氧树脂干式变压器，由于高压侧气孔通道处电场强度较高，存在气孔通道闪络现象。本文利用有限元仿真软件对变压器的高压侧线圈进行建模仿真，并施加标准雷电波进行雷电冲击验证，依据仿真结果，进行闪络原因分析和气道处场强分布的优化研究。结果表明：通过向环氧树脂内部相应区域添加绝缘介质的方法，改善了电场分布，同时通过改变介质的相对介电常数和位置的措施，在变压器内部场强的制约下，使气道处的最大场强降低了8.75%，满足了干式变压器高压侧气道抑制闪络的场强要求。

线路树障发生后线路重合闸难以成功，极容易造成线路停运，国内外已发生了多起因树障而导致的电网大停电事故，但不同树障类型的绝缘导线电场分布特性及放电机制尚不清晰。因此，本文基于有限元理论，建立不同树障类型的绝缘导线静电场模型，根据所得电场分布及气固放电理论揭示树障放电烧蚀机制。结果表明：绝缘导线树障类型主要分为4类，单侧楔形刺入缺陷、平切缺陷、双楔形刺入缺陷、木刺与缺陷临界接触的树障-导线类型；电场在树障缺陷处均发生了畸变，楔形刺入缺陷可导致树枝-绝缘导线处发生气体击穿放电，对绝缘导线表面及树枝的烧蚀危害最大。缺陷处场强受缺陷程度及气隙的影响，木刺深入绝缘层的最大电场强度比仅刺入屏蔽层的增加了2.64倍；风吹扰动导致木刺与缺陷临界接触产生气隙，其电场相比无气隙情况下的5.65 kV/mm增加了2.54倍。研究结果对不同类型树障防御方法提供理论依据，避免了无差别砍伐树木的弊端。

绝缘油是电抗器内部重要的绝缘介质，击穿电压是评估其绝缘特性的关键指标，与绝缘油的品质状态密切相关。本文共选取155组电抗器绝缘油进行实验，分别进行击穿电压的测定和多频超声信号在油样中传播衰减后信号的采集，分析多频超声声学参数和击穿电压之间的幅频响应、相频响应之间的关系，并基于多频超声检测技术提出结合灰狼优化算法（grey wolf optimizer，GWO）优化随机森林算法（random forest algorithm，RF）的击穿电压预测方法。结果表明：GWO-RF绝缘油击穿电压预测模型的预测值与实际值的平均相对误差为4.04%，预测准确率达到95.96%，相较于优化前的RF绝缘油击穿电压预测模型准确率提升了20.25%。结合多频超声检测技术和GWO-RF建立的并联电抗器绝缘油击穿电压预测模型，对击穿电压的预测具有可行性。

为降低气体绝缘全封闭组合电器（GIS）中的盆式绝缘子的局部放电，减少绝缘故障的产生，提高GIS运行的安全稳定性，本文以252 kV盆式绝缘子作为仿真分析对象，采用Comsol软件对含接地屏蔽环（简称“地屏环”）和不含地屏环的盆式绝缘子进行仿真计算，并对不同尺寸的地屏环进行仿真对比分析，通过试验进一步验证盆式绝缘子的绝缘性能及力学性能。结果表明：盆式绝缘子增加地屏环可有效改善楔形气隙区域电场并显著降低盆式绝缘子的局部放电值。