换流阀运行时阀厅内电磁环境复杂,由于换流装置采用大量的电力电子器件,为保证运行的安全稳定,对电磁环境提出了更加严格的要求,因此必须合理设计换流阀结构以保证阀厅空间内各金具表面的电场强度小于一定控制值,确保无电晕产生。在设计阶段需要借助数值分析方法计算换流阀的电场分布。换流阀规模巨大,结构复杂,多种介质共存并且整体环境封闭,采用传统算法的计算效率低,表现为计算速度慢,内存占用大。为此需要一种高效的数值算法准确计算换流阀电场,为换流阀结构设计提供条件。主要研究内容及取得的成果如下:传统边界元法不适合处理大规模问题,为了加快计算速度,节省内存占用,扩大求解规模,通过多极子方法加速伽辽金加权余量的边界元法,形成多极子边界元法(FMBEM),并优化算法流程和存储结构。针对FMBEM特点,提出一种重启动参数自适应改变的广义极小残差法(GMRES);并对稀疏近似逆(SAI)预处理方法进行改进。通过算例验证结合自适应GMRES和改进的SAI预处理作为求解器可以加快迭代收敛速度,减少迭代阻滞,增加FMBEM的可靠性。通过不同算例验证了 FMBEM可以实现较高的计算精度,与BEM相比能够明显减少计算时间和内存占用。研究了多极子展开阶数,树结构分层数以及网格密度对计算精度和计算效率的影响规律,为实际应用中参数的选择提供依据。换流阀结构复杂,存在多种曲面,平面单元形成的网格很难吻合实际模型表面,因此使用基于坐标变换的曲面单元增加计算复杂模型的精度。换流阀中存在空气、绝缘子等多种介质,传统边界元法适合于单一介质问题。对于多介质问题,使用多介质间接积分方程解决,推导多介质间接积分方程的多极子展开方法,通过改进的多极子方法加速基于坐标变换的曲面边界元法,提出多介质多极子曲面边界元法(FMCBEM)。为了适应曲面边界元法的特点,改进八叉树结构的划分方法,减少计算误差。通过不同算例验证了 FMCBEM能够处理换流阀多介质问题,与FMBEM相比可以进一步提高计算精度、提升计算效率。使用实际换流阀塔模型研究了绝缘子对电场分布的影响规律。换流阀处于闭域的阀厅内,通过多重镜像法将闭域问题转换为多平面对称问题,提出对称多极子曲面边界元法(SFMCBEM)。在FMCBEM基础上,利用平面对称关系推导多极展开系数的对称关系,计算中只需要对阀厅内的实体结构建模并划分网格,通过对称关系得到镜像结构的多极展开系数,减少内存占用。使用紧致边界的二叉树结构,优化算法步骤,根据距离将镜像结构分为近区和远区两类,远区通过一次传递完成计算,减少计算时间。通过不同算例验证了SFMCBEM的计算精度和效率,与FMCBEM相比能够明显提高计算效率;研究了镜像阶数对计算精度和效率的影响规律,为实际应用中提供参考。使用实际阀塔模型研究了阀塔与阀厅壁之间距离对金具表面电场的影响规律。应用FMCBEM成功分析了±160 kV柔性直流两种阀塔结构的单桥臂模型的电场,验证了FMCBEM处理大规模问题的能力,研究了阀塔间电场的影响规律。为掌握运行时换流阀电场需要对阀厅全模型进行分析。应用SFMCBEM成功分析了±160 kV柔性直流两种阀塔结构的不同时刻的换流阀厅全模型的电场,分析中节点数分别为67万和133万。计算中考虑封闭阀厅;对三相六个桥臂进行建模,考虑屏蔽系统,阀模块,支撑绝缘子等。本文方法能够快速准确求解结构复杂,多介质共存,阀厅闭域的大规模换流阀电场问题,为换流阀的优化设计提供有效工具。