固体沿面绝缘是真空-固体复合绝缘系统最薄弱的环节，真空中固体绝缘子沿面闪络是限制电力设备及脉冲功率装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，对保证电力系统及脉冲功率领域相关设备的安全运行及性能提升具有重要意义。本文以典型固体绝缘介质氧化铝陶瓷和聚四氟乙烯(PTFE)为研究对象，从表面电荷积聚和消散的角度出发，在负极性直流和雷电冲击电压下，对真空沿面闪络过程中的表面电荷行为进行了系统的实验研究，在此基础上从表面粗糙度处理的角度提出了提升绝缘子真空沿面耐电强度的技术手段，获得了表面粗糙度对真空沿面闪络的影响机制。本文的主要工作如下：
实验研究了负极性直流和冲击电压下氧化铝陶瓷和PTFE真空沿面闪络过程中的表面电荷积聚特性，重点考察了电压幅值、直流加压时间/冲击次数的影响。结果表明直流电压下介质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)，而后逐渐转变为正极性电荷积聚(阶段II)，认为分别源于电极向介质表层的Schottky电荷注入与迁移、介质表面的二次电子发射过程，并且阶段I对外施电压幅值、直流加压时间、电极-试品的界面接触状况、表面电阻率等条件极其敏感。雷电冲击电压下介质表面呈正极性电荷积聚并随冲击次数增多逐渐由阴极向阳极发展，最终电荷积聚达到稳态，稳态时的表面电荷密度正比于外施电压，认为此时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。同时对负极性直流和冲击电压下的表面电荷消散特性也进行了研究，结果显示真空沿面闪络前后的表面电荷消散特性呈现很大区别，闪络前表面电荷消散出现反常的先增后减的变化趋势，而闪络时介质表面电荷发生大面积消散，认为绝缘介质表面传导及向体内迁移是真空沿面闪络前表面电荷消散的主要原因，而介质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表面电荷消散的主导机制。
实验研究了负极性雷电冲击电压下PTFE表面粗糙度对其表面电荷积聚和沿面闪络特性的影响。结果显示PTFE表面粗糙度增大有利于抑制表面电荷积聚特性，表面电荷积聚范围随着粗糙度增加向阴极-阳极中间区域逐渐收缩，表面电荷密度也随之降低，当Ra＞5.0μm时PTFE表面几乎无电荷积聚。PTFE真空沿面闪络电压随着表面粗糙度增大呈现先增大后减小的趋势，说明粗糙度的影响可分为三个区域，即在Ra＜1.0μm的稳定区，1.0≤Ra≤5.0μm的提升区和Ra＞5.0μm的畸变区，在粗糙度为5.0μm时对闪络电压的提升效果最佳。此外对比了不同表面粗糙度处理方式的影响规律，研究发现在介质表面靠近阳极侧和靠近阴极侧局部粗糙度处理均可抑制表面电荷积聚，但阳极侧处理的抑制效果不如阴极侧处理，在阴极侧处理区域距离阴极大于7mm时可达到与试品表面全处理几乎相同的抑制效果。最后建立了考虑体内电荷迁移与体外真空侧二次电子倍增过程的表面粗糙度影响的三层发展理论模型，解释其内在影响机理，包括体内电荷迁移层、界面电子吸收层和体外电子阻挡层。并通过测量表面陷阱分布、表面微观形貌和二次电子发射特性，较好地验证了该模型的有效性。