雷击跳闸事故严重威胁了电网安全稳定运行，而空气间隙和绝缘子是架空线路主要的外绝缘形式，研究雷电冲击下的空气间隙放电机理和放电外特性，并由此提出空气间隙及绝缘子合适的闪络判据，是进一步精细化开展电力系统外绝缘设计的基础。因此，本文针对长空气间隙的放电机理及其应用，基于具备ns级曝光时间的emICCD和光栅光谱仪，开展了雷电冲击下1m棒-板间隙放电通道的光强和光谱时空分布观测，进一步揭示间隙放电物理过程，并结合间隙放电外特性试验开展其应用研究。
　　首先，针对棒-板间隙雷电冲击下放电通道中放电光强和发射光谱的时空分布问题，基于emICCD和光谱仪，通过设计同步触发方式、emICCD延时方案及光强增益、大量重复性试验等方法，采用ns级曝光时间的光强和光谱图像进行ns级间隔时间序列拼接的方式实现了对极弱放电(流注)及强放电(先导)通道中瞬态放电光强及光谱的清晰定性时空分布观测；同时，基于搭建的雷电冲击试验平台，设计开展了1m级的棒-板间隙、单支绝缘子、真型塔中绝缘子的放电电压U50%、伏秒特性散点、闪络形式等试验，为结合间隙的雷电冲击放电机理开展其应用研究奠定基础。此外，结合原子发射光谱诊断理论，分析了长间隙放电通道中电子温度和电子密度计算方法及适用范围。
　　然后，针对1m棒-板间隙雷电冲击放电通道中的放电光强图像的观测及对比分析，发现了雷电冲击电压下间隙击穿与未击穿时放电过程的差异，以及正、负极性流注放电过程中电离区域形态特征和电离程度的差异，且在1m棒-板间隙雷电冲击放电通道中未发现二次流注和先导重燃的现象。并根据分析结果，总结提出了1m棒-板间隙在正负极性雷电冲击下的放电过程及规律。
　　其次，结合emICCD和光谱仪，测量并分析了1m棒-板间隙正负极性雷电冲击下放电通道中的特征谱线分布范围；结合原子发射光谱诊断理论，利用N和O原子谱线的相对强度及Stark展宽计算了不同位置、不同时刻的1m棒-板间隙雷击放电通道中电子温度和电子密度；基于参数计算结果，系统分析了放电过程中棒、板电极附近的流注-先导转化阶段和先导放电阶段的电子温度和电子密度的变化规律；总结分析了不同极性雷电冲击放电过程中，流注-先导转化和先导放电阶段过程中的平均电子温度和电子密度范围。
　　最后，针对1m棒-板间隙放电试验研究中发现的间隙电场方向及分布情况、雷电冲击波形等对流注电离区域、二次流注、先导重燃和先导发展速度等存在影响的现象，开展了不同雷电冲击电压波形下不同绝缘结构的闪络特性差异及精确闪络判据的系统性研究。具体开展了1m级的棒-板间隙、单支复合绝缘子、真型塔中复合和玻璃绝缘子四种绝缘结构的U50%、伏秒特性以及放电图像的差异分析；并结合电场分布仿真，分析解释了1m级的上述四种绝缘结构放电U50%和放电形式的差异原因；基于标准波及短尾波冲击下1m级的四种绝缘结构闪络特性试验数据及对应的不同闪络判据，采用PSCAD仿真分析了闪络判据对线路反击耐雷水平计算结果的影响及原因，提出了适用于线路防雷设计的精细化闪络判据——基于真型塔绝缘子伏秒特性且采用实际试验波形建立的先导发展模型，并讨论了其适用范围。