随着我国特高压直流输电网络的快速发展,以气体绝缘输电线路(gas insulated transmission line,GIL)和气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)为代表的气体绝缘电气设备因其占地面积小、环境兼容性好以及运行可靠性高等突出优点在现代复杂直流输电网络中的应用需求与日俱增。不同于交流电场,直流电场方向不随时间变化,这使得直流电场中的带电粒子会沿电场线方向定向运动,并积聚在绝缘介质表面,当积聚在绝缘子表面的电荷达到一定程度时,会对原电场造成畸变,从而降低绝缘表面的耐受性能。随着直流输电等级的不断提高,绝缘子表面电荷积聚,已成为了制约气体绝缘设备应用于直流电网的关键问题之一。要解决该问题,最为首要的问题是弄清绝缘子表面电荷的聚散行为及形成机制,为此,本文主要针对绝缘子表面电荷的动态聚散行为开展研究。论文主要工作和所取得的创新性成果如下:①研制出可控气体环境下聚合物表面电荷多维测量试验平台。首先,根据气体绝缘设备中典型绝缘子结构及其内部电场分布特点,设计出带有屏蔽电极结构的圆台形试验模型,并对其电场进行了仿真分析,结果表明所设计的试验电极模型特征与气体绝缘设备内部典型绝缘结构的电场特征基本一致;其次,针对绝缘子空间表面电荷动态特性准确测量的难题,本文设计出一种三维空间运动测量系统,可对绝缘子表面电荷空间分布特性进行准确测量,为系统研究表面电荷动态特性奠定了实验基础。②试验研究了直流电压下表面电荷的动态积聚特性。在搭建的试验平台上,采用直接加压、闪络及电晕三种积聚电荷的方式进行研究,结合模拟电荷法的表面电荷反演计算得到了各种加压情况下的表面电荷积聚特性,并提出了正负电荷双极性积聚的观点来揭示电荷积聚的微观机制。结果表明:不同加压形式下聚合物介质表面积聚的电荷均来自气体放电,积聚电荷与所加电压极性相同;试品表面的异号电荷是由加压结束时积聚电荷导致的二次放电产生的,而并非产生于加压过程中。③获取了不同条件下表面电荷的动态消散特性。研究发现不同加压方式积聚的电荷消散速度是有区别的,具体表现为:直接加压积聚的电荷比闪络后积聚的电荷消散速度慢,低强度电晕积聚的电荷较高强度电晕积聚的电荷消散更慢,即单极性积聚电荷消散速度较双极性慢;在表面电荷消散过程中,仅在高强度电晕及闪络后试品上出现了局部净电荷密度上升的现象。④揭示了温度对表面电荷聚散特性的影响规律及作用机制。温度升高直接导致介质表面电荷陷阱的势垒能量降低,使得双极性积聚电荷的脱陷效率得到提升并增大了脱陷粒子与其极性相反的带电粒子中和的概率,而单极性积聚电荷的脱陷粒子因无法与极性相反的带电粒子中和,致使双极性积聚的电荷比单极性积聚的电荷消散对温度更敏感。⑤研究了表面积聚电荷对闪络电压的影响规律及作用机制。发现直接加压及低强度电晕处理后的试品闪络电压与不带电的试品相同。闪络后积聚的电荷会使得试品后续闪络电压升高,并保持稳定。高强度电晕作用则会在常温下使得闪络电压降低,随温度升高降低幅度减小。积聚的表面净电荷主要通过畸变电场影响闪络电压,而双极性积聚的密布正负电荷则通过与闪络通道中的电荷相互作用来影响闪络电压。