换流变压器是直流输电系统的核心设备,其阀侧主绝缘在实际工况中不仅承受交/直流电压作用,还会受到高次谐波等复杂电应力的影响,极易引发绝缘失效故障。现有研究多集中于交直流复合电压下的绝缘特性,很少考虑谐波分量的影响,无法准确评估换流变的真实运行绝缘状态。因此本文以叠加谐波分量的实际承受电压下换流变油纸绝缘局部放电和空间电荷特性为对象,研究电压频率、直流分量和波形陡度等对油纸绝缘局放和电荷积聚的影响,探究电荷动态行为与绝缘性能的相互关联机制,以期望提高换流变局部放电故障诊断准确率,同时可为其阀侧绝缘设计优化提供理论与实验基础。本文首先搭建±800 kV特高压直流输电系统模型和换流变压器二维全尺寸电-热耦合模型,仿真分析阀侧绕组实际承受电压成分及主绝缘电场分布情况。发现高低端阀厅不同联结型式下阀侧电压中交流含量基本相同,其中交流50 Hz与直流分量比值分别为1:7、1:5、1:3和1:1,阀侧电压谐波成分主要以150 Hz、250 Hz、300 Hz和350 Hz为主;实际承受电压下主绝缘场强分布介于直流电压和交流电压之间,电场变化率较大。其次搭建局部放电试验平台,研究交直流叠加谐波电压下油纸绝缘典型缺陷的局部放电特性。发现电压频率对气隙缺陷起始放电电压影响不大,局放脉冲主要分布在电压上升沿,随频率升高局放谱图由“山峰状”向“兔耳状”发展,最大放电量、平均放电量和放电重复率均随之增大,频率的增加促进了局部放电的发生;直流分量的存在抑制了高频交流对局部放电的促进作用,导致局放谱图呈现明显的不对称性;搭建空间电荷测量平台,研究交直流复合电场及叠加谐波电场下空间电荷动态分布特性。发现不同相位处界面电荷累积主要与极化电压波形有关,油纸内部空间电荷为同极性电荷注入,并随着极化时间的增加累积量逐渐增大;空间电荷密度随着谐波频率的增加而升高,油纸内部电荷累积导致场强畸变,同时频率的增加促进了电荷复合过程,能量的释放破坏油纸绝缘的微观结构,加速油纸绝缘侵蚀老化速率,使得局部放电现象更为剧烈。最后,研究了阀侧绕组实际承受脉动方波电压下油纸绝缘局放及电荷特性,探究波形陡度对换流变压器阀侧主绝缘性能的影响。发现谐波含量的增加使得外施电压波形陡度增大,电压变化率dU/dt越大,局部放电特征参量均随着谐波含量的升高而增大,波形陡度对局部放电起到促进作用。另外波形陡度增加使得界面电荷积累造成反向电场增大,对原有电场起到增强作用。谐波分量的存在改变了外施电压波形陡度,结合局部放电和空间电荷试验结论提出换流变压器现场局部放电试验最佳考核电压可采用直流、工频交流和3次谐波叠加的复合电压进行等效。