交联聚乙烯（XLPE）海底电缆是中远距离岛屿输电、海上风光新能源发电等柔性低频输电场景中的关键输电装备。本文在低频电压下对XLPE绝缘电缆进行电热联合老化试验，研究老化电压频率对XLPE绝缘电气性能、力学性能和微观结构的影响。结果表明：老化电压频率为10～50 Hz时，XLPE老化试样的交流电气强度、体积电阻率、断裂伸长率随着老化电压频率的增大先升高后降低，经频率为20 Hz、30 Hz电压老化的XLPE试样电气性能优于其他频率电压老化的试样。XLPE老化试样的结晶度随老化电压频率的变化趋势与电气性能一致，较低电压频率下的热老化有助于XLPE绝缘材料重结晶，而较高电压频率下的热老化则会破坏材料的晶区结构，增大材料非晶区的比例。研究结果可为低频输电技术中XLPE绝缘电缆的适用性提供参考。

脱气热处理是交联聚乙烯电缆生产过程中耗时最长的工艺环节，减少脱气时间是提升电缆生产效率的重要途径。本文针对高压电缆用交联聚乙烯绝缘材料中残留副产物的迁移问题，建立了基于浓度梯度驱动的交联副产物扩散模型，通过实测320 kV直流电缆脱气后绝缘内的副产物浓度，将仿真与实验结果进行对比，并研究了温度和副产物初始浓度对脱气过程的影响。结果表明：针对320 kV直流电缆脱气后甲烷和苯乙酮两种副产物的浓度分布，仿真与实测结果基本一致，验证了模型的正确性；更高的温度可加快副产物的脱气过程，在65～75℃温度范围内，温度每提升5℃，甲烷脱气时间缩短约30%、苯乙酮脱气时间缩短约72 h；降低副产物初始浓度也可缩短电缆脱气时间。合理地调控副产物初始浓度和脱气温度是优化电缆脱气过程、提高企业效益的重要途径。

为获取交联聚乙烯（XLPE）在电、热等因素下不同阶段分解产生的特征气体以判断其劣化程度，本文通过热重-红外（TG-IR）测试、高能放电产气实验，结合基于反应力场（ReaxFF）的分子动力学（MD）模拟，系统研究了XLPE在热场和电场作用下的分解产气特性。结果表明：热场作用下，XLPE主要分解生成乙烯、丙烯及长链烃类物质，并伴随一氧化碳、二氧化碳等氧化产物；而在电场作用下，特征气体以乙炔、丙炔为主，且在高能放电下红外谱图中出现明显的丙炔吸收峰。通过分子动力学模拟进一步揭示了电、热场作用下XLPE的分解路径差异，热场下以端基断裂为主，而电场加速了自由基反应，生成高不饱和度物质。最后通过密度泛函理论（DFT）计算构建了归一化的特征气体红外谱图库。按照热重曲线转折温度、气体红外光谱峰谱变化温度、分解过程的分子动力学模拟轨迹时间将热解产气过程划分为不同阶段。本研究明确了XLPE电/热分解的特征气体及产气机制，可为基于气体红外光谱的XLPE电缆故障检测提供理论基础。

首先通过柠檬酸交联改性制备新型交联网状纤维素绝缘纸，并测试绝缘纸改性前后的介电常数和介质损耗因数，然后开展了改性前后绝缘纸与矿物绝缘油复合绝缘体系的局部放电和电寿命试验。结果表明：与未改性绝缘纸相比，新型交联网状绝缘纸的介电常数和介质损耗因数分别降低了15.40%和29.78%，电寿命指数提升了37.94%。新型交联网状绝缘纸-绝缘油复合绝缘体系具有更低的放电重复率、放电能量、平均放电量和最大放电量。

为研究变压器用多层Nomex绝缘纸在热老化过程中的性能劣化特性，本文首先对多层油浸Nomex绝缘纸进行加速热老化试验，然后搭建频域介电谱测试平台和表面电位测试平台，获得不同老化时间下油浸Nomex绝缘纸的介质损耗因数和表面电位衰减曲线，并计算和分析不同老化程度油浸绝缘纸的表面陷阱分布特性。结果表明：随着热老化程度的增加，油浸Nomex绝缘纸试样全频段的介质损耗因数明显增大，双层和三层油浸绝缘纸试样的介质损耗因数明显大于单层油浸绝缘纸试样，且三层油浸绝缘纸试样的介质损耗因数增幅更大。随着热老化程度的增加，油浸绝缘纸试样的表面初始电位逐渐降低，表面电位衰减率随老化时间的增加而增加，且随着绝缘纸层数的增加，相同老化周期下的表面电位衰减率逐渐降低。油浸绝缘纸的浅陷阱密度随老化程度的增加而增大，深陷阱密度则下降，且双层油浸绝缘纸的深陷阱密度和能级的下降速率小于单层油浸绝缘纸，而其浅陷阱密度和能级的增大速率大于单层油浸绝缘纸。研究结果可为变压器油纸绝缘的设计提供一定的参考。

为评估环保型聚丙烯材料在高压电缆附件中的应用潜力，本文系统研究新型聚丙烯绝缘材料与硅橡胶在典型工况下的电气性能，包括电气强度、空间电荷分布及极化电流等，以评估两者的耐压能力、电荷积聚情况以及准稳态极化电流。同时，利用有限元仿真软件建立了110 kV电缆接头仿真模型，模拟了接头处电场分布，以探讨聚丙烯/硅橡胶复合绝缘在高压交流电缆接头中的应用表现。结果表明：新型聚丙烯具有优异的电气强度，虽然电气强度随温度升高有所下降，但在90℃下仍保持在88.80 kV/mm；聚丙烯/硅橡胶复合绝缘的电气强度主要受硅橡胶影响，但表现出良好的热稳定性，在30～90℃内其电气强度保持在39.70～47.01 kV/mm。空间电荷测试显示，聚丙烯在20 kV/mm下仍具有显著的电荷抑制能力，能有效改善复合界面的电场畸变。基于仿真模型的计算表明，应用该复合绝缘的110 kV电缆接头内部电场分布合理，聚丙烯/硅橡胶界面处的最大电场强度仅为5.7 kV/mm，远低于其电气强度。研究证实新型聚丙烯/硅橡胶复合绝缘结构的可靠性满足高压电缆接头运行要求。

针对电缆中间接头绝缘层硅橡胶热老化的评价问题，本文提出了一种基于非线性超声信号表征的评估方法。通过建立硅橡胶老化超声检测仿真模型，并对200℃下热老化不同时间段的真型电缆接头试样进行试验，采用楔块耦合的方式在典型位置开展非线性超声检测，验证老化时间与超声非线性系数的关联性并对其机制进行探究。结果表明：在透射波信号的时域和频域特征参量变化趋势方面，试验与仿真结果保持高度一致，即随着老化时间增加，基波幅值和二次谐波幅值均逐渐减小，超声非线性系数逐渐增大。在实际老化时间为480、720、960 h的情况下，将试验所得的非线性超声系数代入拟合关系式倒推得到的硅橡胶老化时间与实际老化时间的相对误差分别为1.58%～5.66%、2.57%～6.66%、0.85%～4.75%，拟合结果与实际老化时间的一致性较好，验证了非线性超声检测方法在评估硅橡胶热老化损伤中的有效性。

为研究脱气处理对直流电缆绝缘中电树枝生长与放电演化的影响，明确其在电树枝临界击穿过程中的作用机制，本文以不同脱气时间的交联聚乙烯（XLPE）样品为研究对象，基于局部放电实验数据，结合导数分析与自适应阈值法，量化电树枝生长速率与放电量的动态演化过程，并通过统计突变点识别击穿临界特征。结果表明：脱气处理可显著延缓电树枝生长，降低放电活跃性，并提高XLPE的击穿阈值。短时脱气样品中电荷更易快速积累并即时触发电树扩展，电树枝生长与放电演化呈同步性；而脱气充分时，陷阱捕获电荷与能量积累过程更突出，放电对电树枝扩展表现为明显滞后，并以阶段性积累—释放方式驱动临近击穿的快速演变。本研究所提出的分析方法可有效提升击穿点识别精度，为直流电缆的绝缘优化与健康监测提供理论依据。

本文探究了电缆附件交联聚乙烯-硅橡胶绝缘界面在不同放电故障类型下的特征气体生成规律，并以此提出了电缆附件界面放电类型的气体诊断判据。首先搭建电缆附件绝缘界面放电产气实验平台，通过高频电流互感器法区分不同放电故障类型，进一步通过气相色谱法分析绝缘界面放电故障的逸出气体特性。然后搭建真型电缆附件放电故障产气平台，对界面放电故障下的特征气体生成规律进行实验验证。最后，基于特征气体生成规律提出电缆附件放电故障的诊断判据。结果表明：电缆附件绝缘界面在低能放电（局部放电）下主要生成H₂、CO₂、CO、CH₄和C₂H₆，在高能放电（电弧放电）下则额外产生C₂H₄和C₂H₂。基于此提出了综合性气体诊断判据：当CO和CO₂浓度比为0.10～0.69时为低能放电，大于0.70时为高能放电；气体组分中仅含前5种气体对应低能放电，同时检出C₂H₄和C₂H₂则对应高能放电。量化指标显示，高能放电中不饱和烃占比为0.07～0.16，不饱和烃与H₂的浓度比为0.08～0.30。

随着海上风电向深远海发展，高压直流（HVDC）海缆稳态载流量的精确计算至关重要。现有研究多忽略洋流对海底多孔介质传热以及海缆敷设条件的影响，导致载流量评估存在偏差。本文基于COMSOL Multiphysics建立三维热-电-流耦合模型，系统研究了垂直洋流下沉积物渗透率和孔隙率以及海缆敷设条件对HVDC XLPE海缆温度场及载流量的影响机制。结果表明：海水流速是影响载流量的决定性因素，设置沉积物孔隙率为0.4，渗透率为10³ d，当流速从2 cm/s增大至50 cm/s时，载流量提升111 A，其核心在于显著增强了沉积层的对流传热效率；设置沉积物渗透率为10³ d，海水流速为50 cm/s，当沉积物孔隙率从0.2增大至0.6时，载流量提升了5.60%，这是由于孔隙网络扩展提升了等效导热系数；沉积物渗透率与海水流速存在显著协同效应，当渗透率超过10² d时，在高速流场下可诱发二次对流换热；设置沉积物孔隙率为0.4，海水流速为50 cm/s，沉积物渗透率为10³ d相比于10² d时，流动流体可额外贡献1.6%的载流量增益；双极系统在洋流下存在显著热耦合效应，导致两极温差随流速增大而增大；设置沉积物孔隙率为0.6，渗透率为10³ d，当流速为50 cm/s时，两极温差增幅达1 283.3%，引发高达136 A的载流量差异；敷设参数中，敷设间距对载流量的影响大于敷设深度。

本文旨在研究双组份聚脲材料在提升输电线路导线间隙绝缘强度方面的应用效果。首先对双组份聚脲材料的理化性能及电气特性进行系统表征，在此基础上，搭建了模拟输电线路导线间隙的试验平台，系统分析在50 Hz交流电压作用下，涂层厚度和间隙距离对导线间隙击穿特性的影响规律。结果表明：双组份聚脲材料的玻璃化转变温度为152℃，热稳定性良好；特征电气强度达26.21 kV/mm，拉伸强度为20.2 MPa，断裂伸长率达515.2%，并表现出良好的抗紫外老化性能。当聚脲涂层厚度较薄（1 mm和2 mm）时，对输电线路导线间隙击穿电压的提升效果有限；而当涂层厚度增大至3～5 mm时，导线间隙击穿电压显著提高。特别是当间隙距离为20 cm时，随着聚脲涂层厚度从0 mm增大至4 mm，导线间隙的特征击穿电压由138.43 kV提高至160.94 kV，提升效果显著；当涂层厚度达到4 mm及以上时，即使耐压最小间隙距离缩短至3 cm以下，聚脲涂层仍未发生击穿，展现出优异的耐压性能。

针对盆式绝缘子的金属悬浮颗粒缺陷问题，基于电致发光原理，在环氧树脂（EP）中填充硫化锌基材料（ZnS:Cu），制备了ZnS:Cu/环氧树脂发光复合涂层，并对其性能进行表征；通过棒-板电极探究该涂层的发光规律，并在盆式绝缘子上模拟缺陷实验，探究ZnS:Cu/环氧树脂涂层在缺陷自诊断方面的可行性。结果表明：随着ZnS:Cu含量的增加，ZnS:Cu/环氧树脂复合涂层的沿面闪络电压提高，介质损耗因数增大。复合涂层存在一定的发光阈值，当ZnS:Cu的质量分数为10%～30%、涂层厚度为0.1～0.3 mm时，其发光强度随电场强度、ZnS:Cu含量和涂层厚度的增大而提高。此外，在盆式绝缘子上喷涂ZnS:Cu/环氧树脂涂层后，可以通过发光判断缺陷所在处，达到缺陷诊断的目的，为电力绝缘设备的缺陷识别诊断提供了新的思路。

为研究混合瓷绝缘子的界面老化特性，对混合瓷绝缘子与A类、B类复合瓷绝缘子开展1 000 h水煮老化试验，测量了老化样品的泄漏电流、红外温升和粘接性，并通过瓷块模拟分析了混合瓷绝缘子的界面粘接机理。结果表明：混合瓷绝缘子水煮过程中泄漏电流变化较小，且未出现温升现象，粘接性为CC-5级，界面抗老化性能较好。模拟试验表明，浸涂硅烷偶联剂后，瓷件的表面粗糙度增大821.4%，Ti-O-Si化学键合的形成增强了其与硅橡胶的物理啮合；同时瓷件表面出现更多-OH基团，可以更好地与硅橡胶发生化学键合，达到良好的界面粘接效果。

针对直流输电系统中绝缘子劣化引发的电场畸变与异常温升问题，基于多导体系统理论构建了分布电导矩阵，通过电场仿真研究了U550BP/240T型瓷绝缘子串在直流电压下的分布电导特性和电场分布；通过热-电耦合模型及直流带电实验，揭示了绝缘子串的发热机理。结果表明：正常绝缘子间的分布电导基本相等，约为15×10^-10 S/m，零值绝缘子金具间的电导值骤增至约108×10^-10 S/m，金具-导线、金具-地间的分布电导随空间距离的增大而减小，绝缘子串的电压呈“U”形分布，零值绝缘子分压降至总电压的1.4%～1.6%，其轴向场强峰值衰减至正常值的5.5%～7.1%，导致其邻位绝缘子的场强与分压显著上升；通过120 kV直流带电实验验证，沿绝缘子串的发热曲线与电压的“U”形分布曲线趋势相近，验证了电压对绝缘子发热起主导作用。零值绝缘子铁帽发热均匀，正常绝缘子铁帽中下部温升显著，仿真与试验所得绝缘子串的发热特征曲线相关系数大于0.95，最大误差为12.38%，验证了分布电导对绝缘子电场分布及发热的决定性作用，可为直流系统绝缘子的状态监测提供理论依据。

换流站在运换流变压器网侧1 100 kV套管普遍采用油浸纸电容式套管技术，异常产气问题突出，易发生渗漏油和内部放电故障。为提升1 100 kV网侧套管的安全性与可靠性，本文设计了一种换流变压器网侧1 100 kV环氧树脂浸纸电容式套管。首先，对套管的绝缘材料、绝缘结构、绝缘配合及制作工艺等展开研究；然后，完成套管电容芯子的理论设计，并运用有限元方法对设计产品进行仿真分析；最后完成了样机制作并开展型式试验。结果表明：新研制的1 100 kV环氧树脂浸纸电容式套管的电场分布、热点温度及机械应力仿真结果均满足应用要求，其中电场安全裕度提升了3%。该套管已顺利通过国内外标准的型式试验，各项考核指标符合预期。

首先对进口带电作业操作杆进行尺寸测量及材料性能表征，明确其力学、电学性能参数；然后基于进口产品参数，在已有带电作业操作杆制造工艺基础上，开展仿真设计及工艺优化，最后通过引拔工艺制备了带电作业操作杆并对其进行力学与电学性能测试。结果表明：基于力、电物理场仿真与系统试验验证，本研究成功研制了国产轻量化带电作业操作杆，其最大挠度差值不超过13.2 mm，经过9次干燥状态下的耐压测试后操作杆未出现击穿、闪络和过热现象。此外，相较于普通国产带电作业操作杆，所制备的带电作业操作杆单位质量减轻了29.9%。

针对变压器寿命预测模型拟合度低且忽略运行状态影响的问题，提出基于鹈鹕算法（POA）优化随机森林（RF）模型的剩余寿命预测模型（POA-RF模型）。以预防性试验、在线监测、缺陷报告和台账数据为对象构建由变压器本体、油质和油中溶解气体健康指数等组成的变压器健康指数体系，考虑运行状态对剩余寿命的修正作用，以健康指数体系相关参量为输入，采用鹈鹕算法优化随机森林模型，解决其过拟合问题，提升预测准确性。以收集的变压器实例数据进行实验，验证模型的准确性。结果表明：对于测试样本中的8组报废样本，POA-RF模型预测的剩余寿命平均绝对误差为1.187 0年，比RF模型的预测值和健康指数理论的计算值分别减小了20.52%和49.02%；对于所有测试样本，和其他常用机器学习算法对比，POA-RF模型的相关性能指标均为最优，优化效果明显，能够较好地预测变压器的剩余寿命。