高压套管为变压器的引流装置及引出线的绝缘支撑装置,负责将电能从变压器内部引出到电力线路上,60 k V及以上输变电设备广泛采用油纸电容式套管。然而运行中的油纸套管局部放电故障依然频发,若套管局部放电得不到有效抑制,其绝缘将逐渐劣化失效引起绝缘损坏。为了优化油纸套管绝缘结构,抑制套管主绝缘电容芯子的局部放电现象,本文以60 k V油纸电容套管为对象进行主绝缘结构优化设计,并采用等裕度设计方法对电容芯子绝缘结构进行了优化。针对套管油纸绝缘性能的研究,本文制备了纤维素纸板样品,制作了芯子等效模型,并采用纳米Ti O2进行改性。文中研究了改性绝缘油纸样品的介电特性和电荷陷阱特性,以及纳米改性芯子模型的局部放电特性,综合分析了等裕度优化和纳米改性对油纸套管主绝缘电容芯子局部放电性能的优化效果。主要研究内容和结论如下:（1）采用轴向场强不变的设计方法对电容芯子极板进行设计、均匀场强分布、缩短套管尺寸。计算了芯子台阶长度、极板长度和极板半径,得到了60 k V油纸套管等电容芯子的结构和电气参数。通过分析等电容和等厚度设计,介绍了芯子等裕度优化设计思想,在不改变芯子整体尺寸下调整极板参数,使每层绝缘的局部放电裕度相同,提高套管局部放电起始电压。优化计算结果和电场仿真结果表明,在等电容的基础上采用等裕度设计后,油纸套管的局部放电起始电压提高了12.36%,其场强峰值降低至2.61 k V/mm。（2）制作了20kV油纸套管电容芯子等效试验模型,并利用纳米Ti O2流体进行了绝缘改性。制备了纳米Ti O2改性纤维素纸板样品,利用三电极和介电频谱测试平台对样品进行了介电特性试验,发现纳米Ti O2的添加能有效抑制纤维素分子的介电弛豫,降低介电损耗。通过扫描电镜图发现纳米粒子填补了纸板表面的缺陷使纤维素分子结合更紧密。为了分析纳米改性油纸绝缘的电荷陷阱特性,对样品进行电荷注入并测量其表面电位,得到陷阱能级分布图,结果表明纳米Ti O2的添加降低了油纸绝缘的陷阱密度,减少表面电荷累积。（3）对绕制的20kV电容芯子试验模型和改性绝缘油纸样品进行局部放电测试,同时依据试验测得的材料相对介电常数,建立该20 k V电容芯子物理模型进行有限元电场仿真分析。结果表明,纳米Ti O2粒子改性油浸绝缘纸的局部放电起始电压提高了17.1%,相比传统等电容芯子,等裕度优化的纳米Ti O2改性油纸套管主绝缘电容芯子的局部放电起始电压值提高了18.1%,工作场强峰值降低了13.7%。