隔离开关是气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Switchgear,GIS）的重要组成部分,在切合空载短母线时,触头间隙会发生数十次的电弧重复击穿现象,引起线路的快速暂态过电压（Very Fast Transient Overvoltage,VFTO）。VFTO具有幅值高（最高可达3p.u.）、波前陡（3～100ns）和频率高（可达100MHz）的特征,是衡量GIS及其临近电气设备绝缘水平的重要标准,也是指导GIS布置方式以及开关结构设计方案的关键。隔离开关气体介质的击穿特性,触头击穿时刻电弧放电特性,以及空载短母线残余电荷分布特性都是决定VFTO暂态幅频特性的关键。然而,目前的隔离开关的电弧数学模型并不能完全反映隔离开关电弧多次重击穿特性,其根源在于:1.电弧放电模型的微观粒子动力学方程受数学算法的限制,厘米级间隙的求解存在计算量大,计算结果不收敛的问题;2.开关动态击穿电压曲线不准确;3.电弧放电模型的微观物理过程无法与开关结构特征、操作特性,以及线路暂态特性相结合。鉴于此,本课题针对放电间隙中带电粒子的动力学特性进行研究,提出FDM-FEM-FCT混合算法对厘米级间隙中流注放电过程进行求解。设置对照实验,验证仿真方法的有效性和科学性。通过研究正负流注放电的微观物理过程,建立重击穿条件下的流注起始和发展模型,计算分析外施电压大小、极性,电场不均匀系数,初始电子数密度以及气体温度对流注发展特性的影响,为隔离开关多次重复击穿特性研究提供理论基础。本文主要做了如下几个方面的工作:（1）开展厘米级间隙中SF6流注放电特性机理研究。分别采用FDM和FEM方法对流注放电过程中的空间物理量与时间量进行离散通过坐标变换和线性插值的方式建立两种网格间的映射关系,模拟厘米级间隙中的流注放电过程;研究均匀电场和不均匀电场中流注起始的物理过程,建立电子崩-流注转化模型,对不同间隙长度的均匀场流注起始特性展开研究。模拟正负流注的发展过程,研究流注放电过程中各粒子数密度变化规律,分析空间电荷对电场的畸变作用,计算得到流注发展过程放电电流,发展速度、流注半径等微观参数。搭建气体放电特性和光谱实验平台,验证了仿真分析方法的正确性,为进一步开展电弧电阻变化规律的研究提供理论基础。（2）研究不均匀电场中流注放电起始物理过程,对正、负流注的二次电子崩过程（光电离和光发射）进行了二维数值建模;分析正负流注发展的微观物理特性,包括空间带电粒子分布、空间电场分布、流注通道半径,流注发展速度及流注放电电流等进行计算和分析。分析不同间隙距离,外施电压大小,外施电压极性及电场不均匀系数对流注发展特性的影响。提出考虑电极结构的气体电晕起始电压、击穿电压数值计算方法。以典型电极为例,开展棒板间隙电晕放电和击穿特性实验研究,分别从实验特性和仿真计算两个角度分析放电过程的角度解释气体极性效应形成机理和变化规律,验证仿真计算方法的准确性。（3）分析气体温度和初始粒子浓度对放电特性的影响。采用两项近似法求解玻尔兹曼方程,计算热态SF6介质的电子能量分布函数,获得不同折合电场下热态SF6介质中各成分发生电离、吸附碰撞过程的反应系数,结合不同折合电场下不同温度SF6介质的总折合电离系数和总折合吸附系数,得到热态SF6介质折合击穿场强,进而对300K～3000K下流注发展特性进行分析,为揭示SF6电弧重击穿机理提供理论基础。（4）以特高压GIS隔离开关为例,分析开关气室内电场分布特性,结合流注起始的物理过程,计算得到GIS隔离开关的动态击穿电压曲线。将触头间隙流注放电动力学模拟与线路电磁暂态仿真相结合,建立隔离开关电弧多次重燃与熄灭电弧数学模型,分析多次重燃电弧下线路高频暂态特性的各项特征参数。结合特高压交流VFTO试验回路的实际工况,搭建隔离开关分合闸操作下触头间隙多次重击穿VFTO全波形仿真实验平台,分析隔离开关不同分合闸速度下的电弧重燃机理,计算不同操作速度下的VFTO高频暂态特性。结合实验数据,研究隔离开关操作速度对VFTO幅值、重击穿次数和重击穿过程持续时间的影响,统计分析操作速度与负载侧短母线残余电压和VFTO最大幅值间的特征关系。