电力电子变压器是实现未来能源网络柔性互联、灵活转换与优化调度的关键装备,其绝缘材料的介电性能直接影响了装备向高电压等级、大容量和紧凑型发展。与传统交直流电力装备相比,电力电子变压器绝缘承受高重复频率、高幅值类正弦、方波波形的特殊电应力作用,并进一步引起绝缘介电损耗与温升现象,运行环境较为恶劣。特别地,聚酰亚胺包覆绝缘直接承受变压器金属绕组侧的特殊电热耦合应力,其介电性能直接决定了装备绝缘系统的实际运行性能。在高频高压的特殊电应力作用下,聚酰亚胺绝缘易出现放电发展与过早失效等问题,但目前对造成这些现象的微观机理尚不清楚,其关键在于引起材料内部局部电场严重畸变与劣化问题的空间电荷演化机制尚不清晰,而现有针对直流与工频交流的电荷测试方法难以直接应用于特殊电应力下的电荷测试研究。为解决上述问题,本文综合利用微观仿真与实验观测手段,针对特殊电应力下的双极性载流子输运特性、空间电荷高精度测试方法以及不同条件下的空间电荷演化现象开展系统研究,可为电力电子变压器的聚酰亚胺绝缘优化设计和性能评估提供理论依据和有效方法。针对特殊电应力条件存在的瞬变特征,研究了双极性载流子输运模型中的空间电荷双向迁移行为,分析了以往直流肖特基电荷注入原理在特殊电应力下的适用性,提出了低电场电荷注入阈值设定原则以提高模型计算的准确度;针对模型自洽方程组的高精度计算问题,基于注入阈值设定对比研究了对流传导方程与泊松方程的不同求解算法,建立了联用对流传导方程差分加权非振荡算法与泊松方程边界元法的高精度模型求解方法;进一步利用新模型与算法研究了单/双极性方波、正弦等特殊应力条件下试样陷阱与界面特性对绝缘空间电荷演化的影响。结果表明,单极性应力下电荷的积聚与迁移受试样陷阱深度、界面势垒和电荷迁移率等多因素的耦合作用,而双极性条件下电荷演化则主要由注入势垒与电荷迁移率决定。为构建适用于特殊电应力条件的电声脉冲（Pulsed electro-acoustic,PEA）测试方法,基于电荷弹性波与分布参数传输线中电压波的数学表征,提出了 PEA系统的等效传输线模型,基于模拟结果与理论分析的一致性验证了模型的适用性,并据此给出了硬件系统的设计方案;进一步结合特殊极化应力对试样承受电压和系统元件的耦合影响,提出了适配特殊电应力条件的测试系统改进设计方案,建立了受电应力频率影响的测试范围评定准则,指出PEA法存在一定的应用频率上限。针对测试系统的声阻抗匹配问题,利用电荷弹性波在各个测试环节的传变过程,推导建立了测试信号衰减系数与电压-电荷转换系数的改进计算方法,针对聚酰亚胺绝缘的电荷测试结果表明,改进算法可提高33.5%的信号恢复精度。利用改进设计的PEA系统,在20～60 kV/mm场强、10～500 Hz频率以及25～80℃温度的测试范围内,研究了正/负极性方波、半波正弦与全波正弦条件下聚酰亚胺绝缘的空间电荷演化规律,结合双极性载流子输运过程的模拟分析,指出不同电应力波形条件下的积聚电荷来源于不同侧的电极注入。方波的正负极性决定了正极性积聚电荷的所处频率范围,而低频段半波正弦与全波正弦条件下的空间电荷则主要来源于上电极,同时,高温条件将促进高频电应力下的空间电荷积聚与演化过程。特殊电应力的极性、波形、频率等条件会引起聚酰亚胺绝缘陷阱与势垒特性的改变,进而影响空间电荷的演化机制。针对空间电荷测试方法时空分辨性能的局限性,基于跳跃传导模型提出了空间电荷可被准确测试的判断准则,并利用电荷跳跃迁移概率与迁移时间的基本关系,建立了空间电荷测试方法时空分辨率影响下的陷阱深度计算方法,由此提出了评估方法可测范围的定量判据,指出以往方法仅能测试深度在0.68eV以上的深陷阱捕获电荷,并利用电流积分电荷测试结果验证了测试方法的可测电荷范围。在此基础上,融合弹光效应与椭圆偏振探测技术,探索提出了可实现纳米级空间分辨、微秒级快速响应和全光隔离结构的空间电荷光学测试方法,建立了含激励作用、信号传变到最终探测的测试全过程数学表征模型;进一步利用构建的椭圆偏振测试系统,实验和仿真研究表明,测试信号可在保持高信噪比的同时准确反映传感器上的弹性应力,而传感器的折射率变化可以追踪皮秒级脉宽的形变变化,验证了光学测试方法实现高时空分辨的可行性。上述研究可为高频特殊电应力下的聚酰亚胺绝缘空间电荷测试提供理论依据与有效方法。