随着我国电力工业的飞速发展,电网建设规模和设备质量不断得到提高,真空断路器凭借其优异的熄弧能力及环境友好的优点,逐渐成为了我国中压配电领域的主要开断设备。为了推动我国能源绿色低碳转型,提高真空断路器开断性能、推动真空开断技术向更高电压等级发展,逐渐成为了环保型开关技术研究领域的热点。研究表明,真空断路器的开断性能很大程度上取决于开断过程中真空电弧微观粒子的动态演化过程,而金属蒸气作为真空电弧的重要组成部分,其原子密度大小及动态分布特性对于真空断路器开断电流的成功与否具有重要影响,更关系到真空开关设备的使用寿命。因此,为了对真空电弧开断过程中金属蒸气的动态演化特性展开研究,本文搭建了基于质量传递理论的真空电弧金属蒸气原子扩散过程有限元仿真模型,利用动网格模块实现了对触发引弧和真空拉弧两种燃弧工况的模拟,可以计算得到真空灭弧室内金属蒸气原子的瞬时密度分布结果。为了获取真空电弧燃烧过程中金属蒸气的动态分布特性,为仿真模型的输入边界条件设置提供依据,本文搭建了基于可拆真空灭弧室的工频电流开断实验回路,运用高速摄像机对燃弧过程中的阴极斑点图像进行拍摄,得到了不同幅值工频电流下阴极斑点的动态分布特性,发现阴极斑点区域的平均扩散速度与电流幅值均方根有良好的线性关系;同时,利用光谱仪对真空电弧金属蒸气的原子发射光谱进行了观测,获得了燃弧初始阶段金属蒸气铜原子的径向谱线强度分布结果,发现阴极斑点的扩散特性与间隙金属蒸气原子扩散特性有良好的相关性。基于仿真模型和实验结果,对金属蒸气原子的扩散系数进行了仿真研究,选定了适用于工频真空电弧金属蒸气研究的扩散系数;针对真空断路器的结构、性能参数和实际开断工况,研究了触头型式、操动机构驱动速度和开断电流幅值对金属蒸气原子扩散特性的影响,结果显示采用纵磁触头可以促进燃弧过程中金属蒸气原子在间隙内的均匀分布,有利于真空电弧的稳定燃烧;基于仿真结果提出了通过适当提高真空断路器操动机构的驱动速度来降低大电流开断时燃弧初始阶段的原子密度峰值,促进燃弧过程中金属蒸气的扩散,减少金属蒸气电弧对电极表面的烧蚀,从而提高真空断路器开断能力,延长断路器触头的使用寿命。