真空开关作为电力系统中控制和保护设备,具有熄弧能力强、体积小、重量轻、免维护、使用寿命长、无污染等优点,在电力系统中得到了迅速发展和广泛应用。真空开关电弧特性研究是当前开关电器领域的前沿课题之一,而短间隙真空电弧金属蒸气特性包括宏观电弧形态和微观金属蒸气等离子参数特性,是多断口高压真空开关和相控开关研发中的重要基础研究课题。本文首先简要回顾了国内外真空开关的发展历史与现状,综述了真空开关电弧的基本特性和前人的研究成果,引出短间隙真空电弧的研究在真空开关向高电压多断口和相控开关发展中的意义。本文以短间隙真空开关电弧为研究对象,主要研究内容和目标是通过实验诊断和计算机数值仿真来研究其形态特性和内部等离子体参数。为实验描述短间隙真空开关电弧,首先建立真空开关电弧的实验装置,构建包括可拆真空灭弧室的频率约为50Hz的电源回路和基于CMOS高速图像采集系统。通过该系统对真空电弧进行高分辨率的高速图像采集,实现对短间隙真空开关电弧形态特性的深入分析。为得到高质量的电弧图像,课题还建立了基于高精度CCD真空开关电弧图像采集系统,为电弧内部金属蒸气等离子体参数分析提供实验基础。为使触发电路和电弧图像采集系统能够同步工作,设计了同步控制电路。将光学技术和数字图像处理技术应用到真空开关电弧诊断之前,需要用数字图像处理技术对真空开关电弧图像进行预处理,提取真空开关电弧的几何特征。然后对电弧燃烧过程中的扩散运动特征进行分析,研究电弧图像的灰度分布特征及其等值线,最后结合图像粒子测速技术,利用Delphi对真空开关电弧的粒子相对位移和相关性进行诊断。为理论描述大电流短间隙真空电弧行为,本文以离子和电子的双流体模型及麦克斯韦方程为基础,建立短间隙真空电弧的二维稳态磁流体力学模型,并进行数值模拟,分析电弧扩散过程中的电磁现象和传热过程,研究过程参数和外部电参数对电弧特性的影响和外部端口特性的影响。同时通过仿真数值计算,得到真空电弧等离子体参数的分布。最后,本文利用短间隙真空开关电弧动态仿真实验,研究电弧电流过零后的电弧过程,对真空间隙中弧后剩余电弧等离子体的扩散过程进行分析,研究真空间隙中能量控制,并对灭弧室内局部电场进行优化。本文作为国家自然科学基金重点项目“金属蒸气电弧等离子体调控理论及在高压断路器领域中的应用”(E50537010)重要组成部分,运用现代先进光学技术、计算机图像处理技术和计算机仿真技术对短间隙真空开关电弧的宏观形态特性进行了研究,可支持新一代智能化高压真空开关的基础理论与开发。