ITER极向场变流器具有极高的输出功率、与等离子体有强耦合的超导电感负载以及复杂的运行工况，这些都给过电压保护工作带来很大的挑战。本文主要研究和分析了换相过电压、操作过电压、雷击过电压、等离子体破裂过电压的产生机理，针对每一种过电压不同的特点提出了相应的过电压保护优化设计方案。　　首先，本文对多并联晶闸管换相过电压保护进行了重点分析，首次提出了并联晶闸管换相过电压RC阻尼电路系统化设计方法。该设计方法主要是通过建立多并联晶闸管关断暂态模型、开通暂态模型及换相过电压模型，围绕限制过电压的峰值、限制过电压的最大上升率、减少换相功耗、满足晶闸管开通电流应力要求这四个目标对换相过电压RC阻尼电路参数进行优化设计，推导出阻尼电阻功耗计算公式，并根据阻容器件的具体工况完成其优化选型。仿真和实验结果证明，该设计方法可为大功率变流器多并联晶闸管换相过电压的分析和保护方案的设计提供理论依据和工程指导。　　其次，本文还对变流器操作过电压保护进行了深入分析，建立了分闸过电压暂态分析模型，完成了该过压保护方案的设计优化。另外，针对变流系统的特点，通过建立变流器空载合闸静电耦合过电压暂态模型，对传统的阻尼电容保护方案进行了优化设计。上述过电压分析方法及相应保护方案的的优化设计较传统保护方案更加全面准确、具有较好的工程应用价值。　　最后，根据ITER极向场变流系统具体工况完成了雷击过电压保护器件的选型;针对等离子体电流破裂过电压能量巨大的特点，并提出了一种将金属非线性氧化物电阻、旁通、机械短路开关三者相结合的直流侧过电压保护策略。