换流变压器是特高压直流输电系统中最为重要的设备之一,与一般的电力变压器不同,其阀侧绕组(二次侧绕组)在运行中不仅承受交流电应力作用,同时承受直流电应力作用,其绝缘问题相当突出。本文以不同热老化程度的换流变压器油纸绝缘样品为研究对象,分别在直流电场、工频交流电场和交直流叠加电场下,基于自动均分移相原理,探索其空间电荷特性,并结合显微观测、红外光谱检测等理化实验和宽频介电谱检测、交流击穿等电性能实验,对其空间电荷所反映的信息进行研究分析,探索其绝缘老化特征与空间电荷特性间的关系,旨在为换流变油纸绝缘的综合绝缘状态评估方法提供理论基础。显微观测结果表明,随着热老化的深入,纤维素分子链逐渐断裂,纤维撕裂与剥落,并形成其它副产物,绝缘纸表面逐渐变得疏松零散。红外光谱检测结果表明,热老化并不会改变绝缘纸中的主要官能团;随着老化时间的延长,绝缘纸在热老化过程中各官能团都受到了一定程度的破坏。宽频介电谱检测结果表明,介质损耗曲线反映了热老化对油纸介电性能的影响;推测在热老化早期,热老化作用尚不明显。交流击穿实验结果表明,不同热老化程度样品的交流击穿场强随着热老化时间的延长而下降,热老化对油纸绝缘的击穿性能有明显的影响。空间电荷研究表明,在直流电场下,油纸绝缘样品空间电荷的注入场强较低,上电极电荷峰随着极化时间的延长往样品内部偏移,热老化96 h样品的偏移量最大;由短路时的波形可以看出,油纸样品两极均积累异极性电荷,且电荷量随着加压时极化场强的增大而增大;短路过程中试样内部空间电荷逐渐衰减;在较高极化场强(50 kV/mm)下,不同老化程度油纸样品内部均有非常严重的同极性空间电荷积累,且在短路1800 s后,试样内部仍有大量电荷没有消散,以热老化96 h样品最为严重。在工频交流电场下,空间电荷的积累场强明显高于直流电场,且相同电场下空间电荷的注入量较小,20 kV/mm及以下电场强度下,样品内部没有明显的空间电荷积累;对于不同热老化程度的样品,其内部的空间电荷分布在整个工频交流周期内具有对称性,以相位180°为对称轴;工频交流电场下试样内部的平均体电荷密度在一定程度上反映了样品受热老化应力作用时间的长短,随着热老化时间的增加,样品的平均体电荷密度呈上升趋势。在交直流叠加电场下,不同热老化程度的样品内部的空间电荷分布在极化30 min时和60 min时区别不大;交直流叠加电场对油纸绝缘的作用并非单纯的直流与交流电场作用的叠加,还涉及到更为复杂的影响。综上所述:热老化一方面使绝缘纸纤维素发生热降解,包括纤维素分子链断裂,羟基、伯醇基等被氧化生成水分、有机酸和可电离杂质等;另一方面,在高温下水分也会加速蒸发、有机酸和可电离杂质等也会加速挥发流失。因此本文推论:热老化对油纸绝缘的老化作用可以按老化时间分为两个阶段,在第一个阶段时,纤维素分子链热解与可电离或极性副产物生成的速率比高温下水分与有机酸等加速流失的速率要慢,表现为试样内部陷阱数目少量增加而载流子数目反而有所减小,造成直流电场下热老化48 h平均体电荷密度反而比未老化的小,可认为热老化的作用尚不明显;到第二个阶段时,由于更多的纤维素分子链断裂,糖苷键被氧化的数目增多,绝缘油中溶解的氧气、酸性气体也增加从而加速了绝缘纸的降解,表现为试样内部陷阱数目大量增加且载流子数目也开始增加,因而直流电场下热老化96 h平均体电荷密度大于其他试样,可以认为此后热老化作用趋于明显。