随着特高压电网建设以及全球能源互联网的推进,我国电力工业获得了长足发展。高压架空输电线路的电压等级越来越高、线路距离越来越长、输送容量也越来越大,当系统发生单相接地故障后,电弧问题就异常突出。若接地故障点处电弧未能快速熄灭,断路器将会在电弧接地故障未消失时重合于弧光接地状态,使得重合闸失败率大大增加,影响电力系统的稳定性和可靠性。要提高重合闸的成功率,使电弧在重合整定时间内能够快速熄灭,就必须研究各种因素对电弧从燃弧到熄弧整个动态变化过程的影响。由于这种长交流电弧燃弧时间较短,不便于直接观察分析,还需要建立电弧图像的光学采集系统来实现电弧燃弧的可视化过程,这对于深入理解燃弧物理机制、分析电弧电气特性,为改进触头材料、改善金具结构设计、提高产品可靠性提供理论支持。因此研究特高压线路上的长间隙交流电弧的电气特性具有重要的实际应用价值。低压物理模拟实验是研究特高压输电线路上长间隙交流电弧的重要技术途径。本文在简化了特高压线路参数的基础上建立长间隙交流电弧实验拓扑回路,搭载了物理模拟实验平台。通过测量交流电弧实验波形和运动发展图像,重点分析电弧的波形特性和电弧运动过程中的基本特点。本文在短路电弧电压、电流实验波形的基础上对短路电弧的伏安特性、弧长以及弧阻变化进行了剖析,结果表明,短路电弧电流接近正弦波,电压波形接近带有高频分量的方波。电弧电压和电弧电阻均会随弧长的增长而增大。电弧电阻与弧长呈正相关。根据实验波形的特点,基于Mayr模型重新对电流幅值在1kA以下的电弧模型参数展开反向推导,得到相关表达式,并通过不同幅值下实验波形与仿真波形对比验证模型参数的准确性。针对潜供电弧在不同发展阶段的特点,对电弧发展前期磁滞回环变化的燃弧机理进行了分析。在电弧发展过程中发现由于受到热浮力和磁场力的作用会导致弧柱与极板或不同弧柱段间的发生短路,短路发生主要对应于电流峰值时刻,致使电压骤降并增加燃弧时间。理论分析了电弧发展后期零休现象的物理机制和不同电流与并联间隙距离等因素对零休时间的影响。针对实验中发现的风吹电弧时强迫过零现象,基于能量平衡原理量化该过程的能量变化,发现耗散的能量在自然零点到来之前超过输入能量是发生这种强迫过零现象的先决条件。基于CCD图像传感的高速光学成像系统获得了长间隙交流电弧的运动轨迹。通过对交流电弧在起始、发展到熄灭过程的图像进行图像处理,结果表明,临界熄弧长度和电弧直径是电流的幂指数函数。电弧的弧根运动具有明显的极性效应,实验结果表明阴极弧根垂直于极板且基本固定不动,阳极弧根与极板呈倾斜角度且会以约7.5 m/s的速度沿极板运动。利用比色测温法对电弧的温度分布进行了测量,结果表明阴极弧根的温度最高,阳极弧根温度最低,弧柱区的温度处在两者之间。