换流变压器阀侧套管和直流穿墙套管,处于特高压交直流混合电网的关键连接位置,内部缺陷和故障可导致换流站阀组闭锁、交直流系统同时停运。近年来,两类特高压直流套管通过IEC标准热性能试验后,在运行中仍然频繁发生电流致热型放电故障。通过高运行环温、多频电应力下热性能试验研究,建立套管热平衡特性模型,提出电热耦合场分析方法,对高环温多频电应力下特高压直流套管的内部缺陷评估、放电故障诊断、载流及绝缘优化,具有重要的理论意义和工程应用价值。本文首先,开展了两类特高压直流套管多频电流叠加波形的傅里叶频谱特征分析和热损计算,设计了具有稳流控制功能的6500A级交流和直流大电流源,构建了能模拟最高油温、阀厅和户外极限环温的特高压直流套管热性能试验系统,提出了高环温、多频电流下的热性能试验方法;依据套管最热点温度分布规律,建立了特高压直流套管热平衡特性模型。3类特高压直流套管的热平衡特性表明:采用IEC标准判据得到的套管稳态温度值与实际最终稳态温度值存在较大差异;在热平衡特性模型基础上导出的最终稳态温度模型,可作为多频电应力下缺陷直流套管电热耦合场分析依据。同时,以最终稳态温度值（经热性能试验套管）、芯体材料最高允许值（未经热性能试验套管）为依据,提出了基于极限热损的直流套管热场分析方法;通过套管芯体交直流等效模型、多频谐波电压激励模型的分析,提出了多频率叠加电压下电场分析方法和缺陷套管电热场耦合分析方法;通过载流连接缺陷套管满负荷电流、全运行电压下电热场的耦合分析,探明了多频电应力下载流缺陷套管的温度分布和电场畸变规律,提出了载流导电管连接缺陷诊断模型。对在运±500k V换流变阀侧套管导电管过渡连接缺陷的诊断表明:采用空气侧绝缘子套表面温度可诊断评估套管芯体外载流导电管连接部位过热缺陷,通过降低负荷电流可避免该类缺陷套管向放电故障发展。最后,针对套管芯体内载流导电管过热缺陷,难以在发展成放电故障前通过外部红外图谱有效诊断识别问题,提出了特高压直流套管放电故障诊断分析方法;通过一例同时发生径向击穿和轴向闪络放电的故障穿墙套管的电热耦合场分析,验证了载流和绝缘组合设计不合理为电热耦合型放电故障的一个重要原因;此外,采用极限热损和多频电热场耦合分析方法,分别进行了1支±1100k V换流变压器阀侧套管的载流与绝缘耦合设计优化,1支±1100k V直流穿墙套管载流与绝缘设计校核。同时采用有限电磁屏蔽试验空间内低局部放电背景干扰净空区域分层布置方法,完成了2支±1100k V直流套管绝缘性能验证。本文提出的多频电应力下电热场耦合分析方法在特高压直流套管故障诊断分析、绝缘和载流结构组合优化设计方面具有工程实用价值。