特高压直流套管是特高压直流输电设备的重要高端设备,其安全可靠性对特高压直流输电系统的安全稳定运行有着重要的影响。特高压直流套管是结构复杂的绝缘系统,其内部电场分布十分复杂。运行过程中,设备绝缘积聚的空间电荷畸变了周围的电场,使得局部区域电场分布集中,易发生闪络或击穿放电,严重威胁特高压直流输电系统的安全运行。本文针对特高压直流套管绝缘结构分析与优化中遇到的关键基础性问题,重点开展强电场环境下考虑空间电荷影响的特高压直流高端设备的电场计算方法研究。特高压直流套管的复合绝缘介质具有明显的强场空间电荷累积效应,致使电场发生复杂畸变而给电场计算和绝缘结构优化带来困难。本文对空间电荷的产生机理进行了研究,得出了空间电荷与电场击穿的内在关系,建立了在极性反转与温度场两种特殊工况下的空间电荷模型。依据特高压直流套管设计结构,本文应用Infolytica公司Elecnet有限元软件建立了特高压直流套管电场计算的有限元模型,并将空间电荷模型加载到该电场计算有限元模型中。本文对特高压直流套管在极性反转和温度场这两种特殊工况条件下的电场电位分布进行了计算。针对极性反转工况,本文提出了一种计算极性反转瞬间电场强度的方法,给出了极性反转瞬间及反转后的电场和电位分布,并给出了关键部位随时间变化的电场和电位分布曲线。针对温度场对电场分布的影响,本文将温度梯度加载于特高压直流套管电场计算有限元模型中,分析了温度因素对特高压直流套管各关键部位的电场和电位分布的影响。结合对绝缘材料的分析,本文对铝箔、电极屏蔽、应力锥、均压球四个关键部位进行了绝缘分析,并且对极板和电极的尺寸进行了计算,对高压套管的内绝缘进行了优化设计。本文的研究工作为特高压直流套管的电场分布分析和绝缘结构优化设计提供了有效的依据,对发展特高压直流输电技术具有重要的学术意义和应用价值。