特高压直流输电凭借其在远距离、大容量输电方面的独特优势,成为了我国电力建设发展的主要方向。而特高压直流穿墙套管是特高压直流输电系统中的核心设备,它具备载流、绝缘和支撑的功能,对输电系统的经济传送、灵活分配和安全运行起着至关重要的作用。然而,特高压直流穿墙套管也有双刃性的特点,它的电气绝缘结构非常独特,电场分布也十分复杂,一旦发生故障,不仅失去了对输电系统的保护功能,甚至会造成其他电气设备的损毁,给电力系统造成巨大损失。此外,800kV及以上电压等级的直流穿墙套管一直未能实现国产化,全部依赖于国外进口,给日常检修维护也带来了极大不便。云广直流工程的穿墙套管在直流耐压试验和投运后的日常定检中先后出现多起故障和重大缺陷,其外绝缘性能和内部结构存在严重问题,严重影响输电系统的安全可靠运行。因此,有必要对特高压直流穿墙套管的外绝缘性能以及结构优化展开深入研究。本论文正是基于这一背景,结合中国南方电网超高压输电公司科技项目“特高压直流穿墙套管故障诊断技术及结构改进研究”,开展了特高压直流穿墙套管外绝缘研究及结构优化设计工作。本论文主要在四个方面开展了研究:特高压直流套管的结构分析,特高压直流套管的电场计算方法,云广直流工程±800kV穿墙套管外绝缘性能研究,云广直流工程±800kV穿墙套管结构缺陷优化设计。本文的主要研究内容和取得的研究成果如下:(1)针对特高压直流套管的结构特点和设计要求,研究了目前常见的直流套管结构型式以及电场特点,重点对比分析了国网和南网常用的两种特高压直流穿墙套管的优缺点,明确了特高压直流穿墙套管在设计方面的一些技术要求和需要重点关注的问题,为开展具体的结构优化设计提供理论依据。(2)为了解决特高压直流套管的电场数值仿真计算,基于等效电路的原理,研究了套管型绝缘结构的电场分布特点。在此基础上,基于有限元仿真计算原理和Infolytica仿真环境,研究了径向电场和电容芯子极板边缘最大场强的计算方法。(3)针对穗东换流站±800kV特高压直流穿墙套管外绝缘闪络故障的问题,进行了有限元电场仿真计算,确定了套管端部均压环外侧电场分布薄弱,导致套管外绝缘裕度不足是造成外绝缘闪络的根本原因,提出了增大套管干弧距离、在法兰处加装均压环的外绝缘优化措施,经过仿真验证,明显改善了套管的外绝缘性能。(4)针对楚雄换流站±800kV特高压直流穿墙套管在投运后的定检测试中发现的多起重大缺陷故障的问题,在对故障套管进行解体并分析故障缺陷产生机理的基础上,明确了该型HSP套管存在家族性结构缺陷,给出了增加等电位线、增加密封圈、镀银的套管内部对接结构优化方案,并通过套管的有限元仿真研究,对比分析了改进前后的电场分布,发现改进方案效果明显,根据此方案对套管进行了结构改造并通过了出厂试验。本文对±800kV特高压直流穿墙套管进行了有限元仿真研究,提出了外绝缘性能的改善方案,并针对该型套管的家族性缺陷提出结构优化方案,对特高压直流套管的制造乃至特高压直流输电技术的发展具有重要的理论意义和工程应用价值。