特高压换流站是特高压直流输电工程的枢纽，换流站雷电防护及其特性研究具有重要意义。换流站交流侧雷电侵入波造成换流变入口过电压和换流站雷击避雷装置造成暂态地电位升的研究对换流站雷电防护研究至关重要。因此，本文将基于时域有限差分法(FDTD)从电磁场的角度研究复杂导体结构耦合下的换流站雷电电磁暂态特性，考虑冲击电晕等因素对换流站雷电过电压水平的影响。
　　首先，本文提出了三维亚网格划分算法并编程实现自动网格划分功能，提高了FDTD仿真效率。理论上推导了惠更斯亚网格算法的迭代原理，阐述了通过惠更斯面连接的两个虚拟空间的传递规律，整理了一维和三维情况下的内外惠更斯面处的数学迭代公式。建立了亚网格算法的求解流程，归纳了三维亚网格的实现流程和自动剖分算法，在MATLAB中开发了亚网格算法的计算程序，实现了一维和三维空间下的FDTD仿真计算。进行了三维条件下的亚网格算法仿真计算结果与均匀网格仿真计算结果的对比验证，结果表明：采用亚网格划分之后的网格数量大幅减少，为不采用亚网格划分的网格数量的0.18倍；均匀网格的计算总时间是采用亚网格划分后计算总时间的5.8倍，亚网格划分算法大大缩短了仿真耗时；并且不同网格比例的亚网格划分算法都能保证计算精度，获得的仿真波形相对误差均不超过1%。证明了亚网格算法具有较高的计算精度，同时提高了仿真效率。
　　然后，本文建立了基于FDTD亚网格划分的细导线冲击电晕模型，研究了冲击电晕特性及其对多导体之间耦合系数的影响。介绍了冲击电晕模型建立的依据，推导了模型的仿真迭代计算原理，开发了基于FDTD算法的冲击电晕模型计算程序，实现了冲击电晕的动态发展模拟计算。进行了单个细导线的冲击电晕特性研究，仿真得到了细线径向放电电流特性，与参考文献对比波形的平均相对误差小于2%，证明了本文开发的仿真模型的准确性。同时研究了细线电晕的伏库特性，与参考文献对比波形的平均相对误差小于3%，仿真获得的伏库特性曲线很好的反映了电晕放电对细线的影响。随后进一步研究了电晕起始场强、维持场强、电晕层电导率、导线半径等固有因素对冲击电晕模型的影响。研究了冲击电晕影响下两条平行细导线间的耦合作用，研究表明冲击电晕会增加细导线间的耦合系数，电晕模型计算的耦合系数为不考虑冲击电晕的几何公式计算的耦合系数的1.5倍。
　　最后，建立了具有复杂导体结构的换流站以及进线段线路的FDTD仿真模型，研究了多导体耦合下的雷电电磁暂态特性，分析了冲击电晕对雷电过电压的影响，以及其他多种因素对换流站过电压水平的影响。杆塔雷击响应时，在冲击电晕作用下杆塔绝缘子串两端承受的过电压降低了6.5%，导线对地电压降低了9.1%，并且过电压上升率有所衰减。杆塔反击闪络后，进入线路的冲击波幅值和陡度都有所降低，其中过电压幅值降低了4.1%，并且闪络发生的时刻也延后了0.06μs。进行了包含进线段线路的完整换流站交流侧反击雷电侵入波仿真，考虑绝缘闪络相导线的冲击电晕现象时，沿着进线段各级杆塔传递的侵入波过电压波形逐步衰减和畸变。侵入波传递了1.35km后，峰值降低了41%，到达峰值的时间延长了1.1μs，波头陡度降低，波形也有畸变。同时由于换流站的复杂导体结构间的相互耦合与折反射现象，侵入波在换流站内引起的过电压波形振荡明显。建立了包含复杂导体结构布置以及雷电通道模型的换流站暂态地电位升仿真模型，与只考虑地网和土壤的模型相比较，电位的分布不是简单的从中心向四周辐射，由于导体间的耦合与折反射，电位分布呈现振荡的现象。同时避雷针的冲击电晕现象使得换流变入口对地电位差提高了13.5%，以及不同落雷位置、土壤电导率等因素都对暂态地电位升有影响。以上研究可以为换流站雷电防护设计提供一定的指导意义。