气体放电是高电压绝缘领域重点关注的基础性问题,其主要研究内容涉及机理分析、特征曲线、放电形态、数值仿真四个方面。目前低气压下气体放电特性已广泛应用于高海拔超高压输变电设备空气间隙绝缘配合、高空飞行器表面静电绝缘设计、真空断路器灭弧性能、真空镀膜技术等领域,且所涉及放电间隙主要为极不均匀场。然而为满足工程应用需求,现阶段研究成果主要集中于获取粗真空(103～105 Pa)下部较高Pd值范围内特征曲线和研究特定Pd条件下的放电机理,而对低真空(10-1～103 Pa)下部至粗真空上部Pd值范围内特征曲线以及放电形态与Pd值间关系方面关注较少。为弥补这一空白,本研究利用自主搭建的低气压放电平台开展极不均匀场放电特性实验研究,揭示了不同电极布置下自低真空下部10 Pa气压值点至粗真空上部3×104 Pa气压值点之间的较广气压范围内放电形态和特征曲线的变化规律。具体研究内容如下:建立了包括电源系统、数据采集系统、实验腔体、气压控制系统、电极系统和光学观测系统的低气压放电实验平台。利用该平台在特征曲线方面获得了3.759×10-1～4.511×103cm·mmHg(10～3×104pa 气压范围、5～20cm 间隙范围)的Pd范围内、不同棒尖端(针尖、锥尖、半球)下棒-板电极、不同电压形式(工频交流、正极性直流、负极性直流)下的U-P曲线和U-Pd散点图。结果表明:实验Pd范围内不同条件下的U-P曲线具有显著的极小值特征,曲线左半支对电极形状不敏感但整体形态受间隙变化影响显著;U-P散点图具有Paschen曲线形态但整体不符合Paschen定律,散点图左半支分散性显著但交流和负极性直流电压下右半支均存在符合U=f(Pd)函数关系的Pd范围。通过比较正、负极性直流特征曲线,发现低气压极不均匀场下存在极性效应发生逆转的气压区间。在放电形态方面开展交流、正极性和负极性直流电压下放电观测,研究棒-板间隙1.504～4.511×103 cm·mmHg范围内放电形态随Pd的变化以及不同Pd区间内放电形态的形成机理,提出放电形态突变点和分区的概念。以20 cm针尖头棒-板间隙为例,交流、正极性直流电压下的四个突变点将1.504～4.511×103 cm·mmHg的Pd范围划分为条纹区、低能正柱区、高能正柱转化区、单一流注区和流注分叉区,各分区典型特征为:①条纹区为U-Pd散点图左半支内由阳极棒电极向前周期性排列的明暗条纹;②低能正柱区内辉光正柱属低能状态而不可见,仅阳极辉区和负辉区发光显著;③高能正柱转化区内正柱由阳极向阴极方向逐渐变为明亮高能状态,其转化程度随电压幅值升高而增加;④单一流注区内流注头部无明显分叉;⑤流注分叉区内流注头部分叉显著且随气压升高分叉数量增加。负极性直流电压下的两个突变点将可观测Pd范围划分为低能正柱区、斑图区和单一流注区,U-Pd散点图极小值两侧放电形态无明显变化,而阳极板电极表面的自组织斑图是负极性直流电压下的特殊放电形态。提出U-Pd散点图左半支条纹的形成原因,即认为辉光正柱阳极端由于电流热效应和亚稳态原子分步电离导致电子密度扰动超出正柱稳定阈值。提出流注分叉区内通道延伸方式,即流注不断在有效分叉点后选择某条分支而分叉点不移动。提出利用金属阳极板电极表面烧蚀点路径判别斑图性质的方法以及斑图向正柱转变的三种方式,另外推测斑图内阳离子空间电荷对正柱发展的促进作用是导致直流电压下极性效应逆转的原因。为进一步揭示低气压下放电特征曲线和放电形态与Pd的关系,利用自行设计并制作的聚丙烯腔体对2～60 kPa气压范围内30～60 cm棒-板间隙开展探索性实验。研究表明:当间隙距离超过20 cm时交流U-P曲线饱和特征明显而正、负极性直流U-P曲线仅呈线性;间隙增大使交流电压下流注分叉点、分支和曲折数量以及直流电压下的条纹数量显著增加,增大放电间隙对放电形态特征具有明显的放大作用。