直流气体绝缘输电线路（Gas insulated transmission lines,GILs）能够满足分布式能源就地输送、城市电力管廊敷设、线路跨越江河等特殊输电需求,是直流电网未来发展的关键装备。三支柱绝缘子在直流GIL中起到支撑导体和电气绝缘的作用,具有提供热膨胀以及机械应变补偿等方面的优势,是不可或缺的关键部件。与交流应用场景相比,直流电压下三支柱绝缘子气-固界面电荷积聚更为严重,而且更易受到金属异物的侵扰,并进一步引发沿面放电故障,这对界面绝缘设计提出了新的技术挑战。尤其突出的是,三支柱绝缘子具有复杂的曲面轮廓,目前尚缺乏有效的表面电荷测量方法,致使表面电荷积聚特性不清和沿面放电机理不明,现有的界面绝缘增强设计方法也缺少理论指导与有效解决方案。为解决上述问题,本文综合利用微观仿真与实验观测手段,针对三支柱绝缘子表面电荷测量方法、表面电荷积聚特性、附着金属异物诱发的沿面闪络特性以及界面绝缘增强设计方法开展系统研究,可为直流GIL三支柱绝缘子的优化设计提供理论基础和技术方法。针对三支柱绝缘子复杂的曲面轮廓,设计并搭建了一套基于有源静电探头的表面电位多自由度移动式测量装置,采用多轴机械操纵装置控制五自由度的机械臂带动探头移动,实现了绝缘子表面电位的全方位精确扫描。根据有源静电探头测得的绝缘子表面电位,建立了三支柱绝缘子表面电荷的三维反演计算模型,通过调整边界条件与维纳滤波处理,简化了矩阵运算流程,提出了适用于非对称复杂曲面结构的表面视在电荷反演优化算法,并基于仿真算例与粉尘图法验证了反演算法的有效性。利用建立的表面电荷测量与反演方法,实验研究了直流电压下三支柱绝缘子表面电荷的积聚特性,发现表面电荷沿支腿底部到腹部将积聚1个异极性电荷峰和2个同极性电荷峰,呈“两同一异”三峰分布模式。温度梯度会导致三支柱绝缘子支腿区域同极性电荷峰的幅值与分布范围显著增大,其表面电荷密度可超过100μC/m2。进一步建立了三支柱绝缘子电荷积聚的电-热-流多场耦合仿真模型,揭示了三支柱绝缘子表面电荷积聚的主导机制,并指出表面电导的非均匀分布是温度梯度下支腿处表面电荷激增的主要原因。为揭示金属异物与表面电荷积聚诱发的三支柱绝缘子沿面闪络机理,实验观测了直流电压下三支柱绝缘子附近金属异物的吸附行为,发现异物主要吸附于表面电荷积聚最严重的绝缘子支腿区域,表面电荷在金属异物吸附过程中起到关键作用。进一步界定了附着金属异物导致绝缘子表面积聚的两类电荷斑:双极性电荷斑和单极性电荷斑,揭示了金属异物与表面电荷的交互作用机制。在此基础上,考虑温度梯度和雷电冲击过电压等复杂工况,实验研究了金属异物诱发的三支柱绝缘子沿面闪络特性,提出金属异物端部放电与电荷斑积聚交互的沿面闪络诱导机制,并指出支腿区域是三支柱绝缘子的绝缘薄弱环节。在明晰电荷积聚与闪络机理的基础上,提出了“类U型”梯度电导的直流三支柱绝缘子界面绝缘增强设计方法。通过气-固界面非线性电导涂层和嵌件-环氧界面高电导涂层的协同使用,使得三支柱绝缘子体电导和表面电导呈“类U型”梯度分布,可加快低温侧电荷消散速率,减小支腿处的同极性电荷峰的积聚程度,并进一步针对表面电荷调控目标,实现对涂层电导参数的优化。实验结果表明,参数优化后的双界面涂层可有效降低绝缘子支腿处的表面电荷积聚,一定程度上提高微粒附着时的沿面闪络电压。上述研究为直流GIL三支柱绝缘子的优化设计提供了理论依据与有效方法。