高频电力变压器(High Frequency Power Transformer, HFPT)是一种实现电能灵活变换与传输的新型智能输变电装备,在柔性直流输电领域具有广阔的应用前景。因与大功率电力电子拓扑配合使用,高频电力变压器一般工作在高频类正弦模式下,且强弱电单元之间高度耦合,正常工况下局部温升要远高于工频模式的电力设备,使其聚酰亚胺(Polyimide, PI)绝缘在频变电-热应力作用下容易形成电、热类缺陷甚至放电击穿,严重威胁其工作可靠性。目前已有的研究中,关于频变和温升效应对绝缘劣化和放电现象的作用机理并不清晰,使得HFPT的绝缘结构优化设计以及运行故障诊断缺少理论支撑,一定程度上制约了其向高压大容量化发展。因此,有必要以HFPT的实际运行工况为依据,研究正弦频变-温升效应下PI绝缘的气隙局部放电、界面沿面放电以及高频致热作用下的分子裂解机理,揭示频变电-热应力对高频绝缘的耦合作用机制。本文建立了最高频率40kHz、最高温度200℃的高频绝缘电热联合实验系统,采用大功率高频电压源、信号放大器、电-热联合加热箱体等设备模拟HFPT承受的频变电-热复合应力。采用高频脉冲电流传感器进行泄露电流-放电数据采集,并引入sym8小波基对放电电流信号进行8层分解降噪,应用定点开窗、极性判别、分段密度统计等技术实现采集信号的重构和统计分析,以有效提取高频正弦电压下的放电信号。建立的高频局部放电信号处理平台可保证高频放电数据处理的准确度和可靠性。利用所建实验平台,采用球-板电极模型研究了不同温度(30℃～200℃)和频率(200Hz-40kHz)下HFPT气-固绝缘系统的局部放电变化规律,通过对不同工况下放电数据与放电形态的统计分析,发现了几个典型局放特征参量如平均放电次数、平均放电幅值、最大放电幅值等在频变效应下的“拐点”变化现象,以及在温升效应下的单调变化规律。随着电应力频率的升高,平均放电次数和平均放电幅值等特征参量具有先升高后降低的发展趋势,而在10kHz左右呈现拐点变化；随着温度升高,放电特征参量提升明显,但变化速率有所不同,局部放电的频率拐点向低频段迁移。为阐释上述现象,本文分析了频变电-热应力下场助热电子发射特性的变化机制；基于高频下的离子迁移率方程和介质电导率测试,研究了半周波内的电荷积聚与耗散行为,以及其对残余电场的影响；并通过P1绝缘介电频率谱与温度谱的测试,分析了介电特性-空间电荷的交互作用机制,以及频率-温度的协同作用机制。进而从上述三个层面揭示了频变和温升效应基于空间电荷和介电特性对局部放电特征参量的耦合作用机制。采用针-棒电极模型对频变电-热应力下PI介质沿面放电的发展过程进行了模拟研究,统计分析了频率20kHz～40kHz和温度30℃～120℃下不同放电发展阶段的放电形态、放电特征参量变化情况以及绝缘表面的损伤情况,从放电数据和放电物理现象层面获得了频变和温升效应影响下绝缘沿面放电的发展演化规律。在传统放电特征参量(平均放电次数,平均放电幅值,最大放电幅值)统计的基础上引入峭度指标、偏斜度指标和脉冲指标三个无量纲特征参量,并基于其随放电发展变化的特征百分比及特征阈值,初步提出了频变和温升效应作用下高频电力变压器绝缘沿面放电严重程度的诊断方法。根据各放电特征参量的变化规律以及绝缘表面白斑的发展规律,结合场助热电子发射、电荷积聚/耗散效应、附着入陷/激发脱陷作用以及电荷碰撞/光电离作用等理论分析,揭示了频变电-热应力在不同阶段对沿面放电发展及流注通道形成的影响机理。本文还从微观物理与化学层面探索研究了高频致热效应对PI介质裂解过程的影响机制。引入基于ReaxFF (Reactive Force Field)力场的反应分子动力学模拟方法,构建了聚合度为4的PI单链及10链分子模型。采用快速升温法,对低温下PI分子进行初始裂解仿真,分析了其初始断键类型以及初始产物形成种类。并依据其分解速率分三个阶段对高温下PI介质的裂解过程的微观动态反应路径以及主要产物的形成过程进行了模拟分析,获得了CO2、CN与CO等裂解产物随温度和时间的变化规律。应用电子对理论分析了主要产物CO2和CN的形成机制,并基于元素标记法表征了其微观形成路径。进一步,分析了PI介质的宏观物理特性(表面形貌与局部放电特性)与微观反应过程的交互影响,并指出其可以作为绝缘劣化程度的物理表征。通过上述分析,本文从原子层面揭示了PI介质在高频致热作用下的失效机理,以及温度变化对裂解产物的作用机制。