传统气体绝缘输变电装备大规模使用的SF6气体具有强温室效应,研究SF6替代气体需求迫切。环保型绝缘气体C3F7CN因其优异的性能已开始在交流气体绝缘输电线路（GIL）中尝试工程应用。而对于直流GIL,盆式绝缘子表面电荷的积聚会使得绝缘子沿面闪络电压显著下降,是其研发的瓶颈。环保型绝缘气体C3F7CN应用于直流GIL后,气固界面电荷特性和形成机制不明。为此,本文研究了C3F7CN气体中的绝缘子表面电荷积聚规律及影响因素,分别从气体空间、气体-电极界面、气体-绝缘子界面挖掘电荷积聚机制,并构建了适用于C3F7CN气体环境的绝缘子表面电荷仿真计算模型,探索了基于气体侧的界面电荷调控方法。具体开展了如下研究:1)搭建了高气压GIL盆式绝缘子表面电位全自动测量平台,实现了 0.1～0.7 MPa下C3F7CN/CO2混合气体中的盆式绝缘子表面电位测试,并与SF6进行了对比。实验发现随C3F7CN气体分子数的升高,绝缘子表面异极性电荷量增多,分布范围从“异极性电荷带”爆发开始,逐渐向整个绝缘子表面扩张。其中,随C3F7CN配比提升,异极性电荷呈现出“类根号形”分段式增长规律;随气压升高,异极性电荷呈现出饱和增长趋势,且在0.5 MPa时,增长率显著下降。提出在与SF6具有等效介电强度的前提下,0.7 MPa,4%C3F7CN/96%CO2的混合气体配方可使绝缘子获得最少的表面电荷积聚。2)针对高气压绝缘气体中载流子的产生,搭建了气体传导电流-微弱光联合测量平台,获得不同配比、气压C3F7CN/CO2混合气体的传导电流特性,发现其饱和离子电流与击穿电压具有负相关关系,通过微弱光同步检测,提出“微脉冲簇”和“间歇脉冲峰”两种模式,验证并揭示了气体自然电离和电极表面微电离在电流形成中的场强分区主导机制。低场下,自然电离主导,随C3F7CN气体配比、气压的提升,传导电流增大,光学信号以“微脉冲簇”为主;中场下,两种电离对电流贡献相似,“微脉冲簇”和“间歇脉冲峰”并存;高场下,电极表面微电离主导,随C3F7CN气体配比、气压的提升,传导电流减小,光学信号以“间歇脉冲峰”为主。特别地,针对导体表面微电离,研究了导体表面微观形貌-表面局部场强-气体传导电流三者之间的关联,提出综合考虑导体表面算数平均高度（Sa）和峰态系数（Sku）的直流GIL导体表面评估方法。3)针对气体中载流子在绝缘子表面的驻留,首先通过实验验证了气固界面过渡层的存在,搭建气体表面能测试平台,实验发现C3F7CN和CO2气体与环氧表面的结合能力均大于SF6气体。基于密度泛函（DFT）理论建立了直流电场作用下C3F7CN、CO2、SF6与环氧树脂的气固界面过渡层双分子模型,通过过渡层分子的表面静电势分布计算,发现C3F7CN-环氧界面过渡层的表面静电势平均偏差是SF6-环氧界面过渡层的1.20倍,CO2-环氧界面过渡层的表面静电势平均偏差是SF6-环氧界面过渡层的1.09倍。据此,提出气固界面过渡层的亲和系数aaffinity。C3F7CN-环氧界面过渡层具有较高的局部极性,对于异极性电荷在界面的沉积具有较高的选择性和亲附性。4)基于上述机制,建立了考虑导体表面算数平均高度Sa、峰态系数Sku的微电离电流和环氧表面亲和系数aaffinity的气固界面电荷动力学数值计算模型,实现了对不同气体环境中电位测试结果的准确模拟。计算结果表明,电极-气体界面和气体-环氧界面都会对表面电荷极性及电位分布产生影响。随导体表面场增强因子β的增大和气固界面过渡层亲和系数aaffinity的增大,均会促使电荷模式会从同极性主导向异极性主导发生转变。5)建立了考虑绝缘子表面电荷的环保型混合气体多性能协同调控方法,提出了适用于环保型直流GIL的C3F7CN/CO2气体配方。基于气固界面电荷数值计算模型和现有交流GIL设计标准,提出了直流C3F7CN/CO2 GIL绝缘子设计方法。采用C3F7CN/CO2混合气体绝缘时,绝缘子体积电导率数量级在10-17 S/m沿面电场分布较优。试制了 100 kV直流盆式绝缘子,通过了直流耐压试验和直流叠加冲击等试验考核,验证了设计方法的可行性。