真空中固体绝缘子的沿面闪络问题成为限制电力领域中真空开关设备性能提升的技术瓶颈之一。研究真空中固体介质沿面闪络的放电机理、探索提高沿面耐电性能的方法和途径，对保证电力及相关领域中设备的安全运行及性能提升具有重要意义。本文从表面发光、电荷积聚的角度出发，通过光学、电学联合诊断并结合数值计算对真空沿面闪络起始阶段的电荷行为及放电机理进行了研究，从闪络起始转移的角度提出了提高沿面耐电强度的优化设计方法。本文的主要工作如下：
实验研究了交、直流电压下固体介质沿面闪络前的表面发光现象并分析了其电荷输运行为。研究表明不同介质闪络前的表面发光随外施电压升高先后均呈两个显著不同的I、II阶段，结合光强、光谱的时空诊断，认为I、II阶段的发光机制分别遵从Schottky效应和Fowler-Nordheim效应。I阶段表面发光源于Schottky效应下的载流子注入，并经由表面的输运、复合而引起的电致发光；II阶段发光与阴极三结合处的场致电子发射而引发的稳态二次电子发射有关，该过程中介质表面层中产生的内二次电子在输运过程中与表面陷阱的相互作用形成发光，气体解吸附及碰撞电离作用在此过程中并不显著。II阶段发光时材料的表面绝缘尚未完全破坏，但稳态二次电子发射过程中产生的表面炭化可能导致材料的沿面耐电性能下降。
仿真研究了固体绝缘介质沿面闪络起始阶段的表面电荷积聚行为。研究表明表面二次电子崩由阴极向阳极推进，最终形成稳态二次电子发射，证实了闪络前第II阶段表面发光源于稳态二次电子发射的分析。研究了介质材料、电场强度对表面电荷积聚的影响，结果表明介质材料的二次电子发射系数越高，电子崩发展速度越快；介质表面电荷密度正比于外施电场强度，但受二次电子发射系数的影响不大，并基于Pillai-Hackam理论公式建立了闪络电压与电荷积聚的定量描述关系。研究了阴极电子发射行为对表面电荷积聚的影响，结果表明阴极电子发射高度仅对紧邻三结合处数十微米区域内的电荷积聚有较大影响，当阴极电子发射中断时，介质可能会因二次电子崩头部的自持特性而积聚表面电荷。
实验研究了固体绝缘介质沿面闪络起始阶段的表面电荷积聚行为。结果表明直流电压下PTFE表面电荷积聚呈两个阶段，即随电压升高阴极附近首先出现负极性电荷积聚(阶段I)，而后转变为正极性电荷积聚(阶段II)，认为分别源于电极向材料表层的Schottky电荷注入与迁移、介质表面的二次电子发射过程，这与闪络前I、II阶段表面发光所对应的物理过程是一致的，并且阶段I对电极-试品的界面接触状况、电场分布等条件极其敏感。研究了冲击电压下的表面电荷积聚特性，结果表明表面电荷积聚逐渐由阴极向阳极发展且均为正极性，二次电子发射是表面电荷积聚的主导机制，Schottky电荷注入与迁移过程对其影响不大。绝缘材料表面解吸附气体电离形成的等离子体与表面电荷中和是闪络时电荷消散的主导机制。研究了粗糙度对表面电荷积聚的影响，结果显示粗糙度增大时表面电荷积聚逐渐由均匀形态向不均匀形态演变，电荷积聚逐渐被抑制，当表面粗糙度一定时表面电荷密度正比于外施电压。
实验研究了电场分布对真空沿面闪络起始转移的影响。发现随着阳极侧电场增强，沿面闪络呈现由阴极起始向阳极起始转移的现象，即一般情况下沿面闪络是从阴极侧发展的，而当阳极侧电场远高于阴极侧电场时，阳极侧会先于阴极侧发生放电，但阳极起始放电会被限制在电极附近区域，难以向前发展，其最终击穿是以诱发阴极侧放电而完成的。研究了不同电场分布下闪络特性与阴/阳极起始闪络的对应关系，发现当放电从阴极侧起始时闪络电压较低，而从阳极侧起始时的闪络电压较高，但过度增强阳极电场也会使闪络电压降低，因此通过局部电场优化，适当增强阳极侧电场、降低阴极侧电场，使放电处于阴极起始与阳极起始的临界状态可提高绝缘结构的闪络电压。