真空开关在电力系统中起着重要的控制和保护作用,具有环境友好、灭弧能力强、体积小、寿命长、免维护等优点。真空断路器是一种重要的真空开关,被广泛应用于发电机保护以及中压配用电系统中。作为机械式开关电器,真空断路器在开断过程中不可避免地会产生电弧,从而影响断路器的绝缘、介质恢复以及开断性能。真空电弧的衍生机理与电弧逸散时空特性研究是自主研发大容量、高技术参数真空断路器的关键。本文以40.5kV/31.5kA/2500A真空断路器为研究对象,开展灭弧室内部电场与磁场有限元数值模拟与分析。基于短路电流开断实验,探究真空断路器在不同开断条件下动态弧阻的变化规律,提出可用于短路电流开断实验观测电弧形态的真空灭弧室结构设计方案,在悬浮屏蔽电极周向均匀开孔以捕捉真空电弧起弧、燃弧至熄弧阶段的动态变化。为验证真空灭弧室结构设计方案合理性,采用COMSOL有限元商用分析软件,建立真空灭弧室三维电磁场计算模型,对灭弧室内部电场与磁场进行仿真计算。基于悬浮屏蔽电极开孔(周向间隔90度,均匀开4个孔)与否的灭弧室内部电场分布比对分析,以及杯状纵磁触头三维磁场仿真计算,确定实验用真空灭弧室触头结构参数,得到两种灭弧室结构动、静触头沿面及主屏蔽罩内表面电场分布。基于电流峰值和过零时,动、静触头表面和断口区域中心平面纵向磁场分布,求得断口中心平面处纵向磁场径向滞后时间,并在杯状纵磁触头杯中引入铁心,对比分析不同铁心结构对纵向磁场的影响以及磁场分布变化趋势。基于真空断路器短路电流开断实验平台,搭建实验线路、永磁斥力操动机构控制系统和高速图像采集系统。在T30和T60两种开断方式下,进行短路电流开断实验,采集真空电弧图像,获得开断过程中电压和电流变化曲线,求得弧阻分布以及电弧能量。通过分析弧阻动态变化趋势,采用曲线拟合法得到动态弧阻物理数学描述。通过与弧阻实验数据比较分析,所得动态弧阻数学表征能较好描述弧阻在燃弧区间的时空变化规律。