我国正迎来直流输电线路建设的高峰期。当直流输电系统中电气设备金具表面场强高于某一临界值时,金具表面会产生电晕放电现象,电晕产生的空间电荷受到电场的作用持续运动,会充斥整个空间,导致离子流密度大大增加,引起电磁环境和合成电场问题。此外,空间电荷还会迁移并积聚至绝缘介质表面,导致绝缘表面的电位、电场分布发生变化,加剧绝缘介质的老化,使得表面憎水性不断减弱,失去其应有的耐污闪性能。目前,较大尺寸的均压金具电晕起始场强无法准确计算,且针对含有绝缘介质的复杂结构模型的合成电场数值计算方法研究较少。因此,开展高压直流电气设备绝缘表面及周围空间的合成电场数值计算,进而为其外绝缘结构的优化设计提供建议,具有重要的科学意义和经济效益。针对直流设备绝缘表面合成电场数值计算方法,本文从以下四个方面开展了研究。首先,介绍了合成电场的定义,导体上的电荷所产生的电场与带电离子产生的附加电场叠加形成合成电场;合成电场通常通过迭代的方式求得数值解,推导并证明了合成电场迭代求解过程中解的唯一性,基于法向场强模型和上流有限元法提出了带有绝缘介质结构的合成电场计算数学模型;揭示了合成电场数值计算方法的实质,计算关键在于准确计算导体起晕场强、提出合适的导体及绝缘介质表面电荷密度更新策略。其次,提出电晕起始电压(场强)预测模型作为合成电场数值计算的基础,借助支持向量机建立电晕起始电压(场强)与电场特征集的多维非线性关系,通过对直流导线和小尺寸球-板间隙的电晕起始电压的预测验证了模型的有效性,并预测了大直径屏蔽球的电晕起始电压,讨论了环境因素在预测模型中的应用。然后,基于静电探头测量法开展了球-绝缘片-板模型的电荷积聚试验,试验发现环氧树脂表面电位分布由中心向边缘递减,当间隙距离一定的情况下,提高球电极加载电压,环氧树脂表面电位也相应增大;计算与试验相同尺寸的平板型绝缘片模型合成电场,分析仿真结果,并与试验结果进行对比;提出当绝缘介质为曲面时法向场强的修正方式,计算了单片绝缘子模型的合成电场分布。最后,分析了高压直流电气设备的绝缘伞裙结构对空间电荷运动的遮蔽作用,提出适用于绝缘伞裙结构的合成电场数值计算方法;以换流站直流分压器模型为例,计算了该模型的静电场分布和合成电场分布,结果表明在远离高压电极的场域空间内,电场强度均有不同程度的增大,空间电荷的存在对直流分压器绝缘伞裙表面的电场分布具有一定的改善作用;编写模块化软件便于该合成电场数值计算方法的学习与应用。