随我国电网电压等级和系统容量的不断提升,人们对电力系统控制和保护的核心设备一高压断路器的工作性能、可靠性和智能化都提出了更高的要求。采用多断口技术和相控技术相结合的真空开关因能承受很高的暂态恢复电压和具有很大的开断能力,且对环境友好,可替代目前占主导地位的、使用温室气体的SF6断路器,从根本上提高开关的工作性能和可靠性,是超高压、大容量开关的发展方向。小间隙真空电弧物理过程研究涉及多断口技术和相控技术的核心理论,也是目前制约这种新型真空开关发展的瓶颈问题。为此,本文采用数值仿真技术与实验研究相结合,对小间隙真空电弧燃弧过程中等离子体参数分布、形态演变及对阳极热物理过程的影响展开研究,为智能高压真空开关的研发扫除理论障碍。首先根据质量守恒、动量守恒和能量守恒等流体动力学方程,结合麦克斯韦电磁方程,推导了适用于全电离气体的双温磁流体动力学(MHD)方程组,进一步考虑电弧实际流动状态,增加适用于超音速电弧的标准k-ε湍流方程,发展成真空电弧MHD模型。并在上述基础上,引入小间隙真空电弧边界条件,采用CFD工具COMSOL对大电流超音速和亚音速电弧进行了数值仿真。得到了超音速和亚音速电弧的流场、温度场分布和电磁物理特性,深入讨论了电弧电流、触头半径、触头开距和纵向磁场等燃弧参数变化对电弧等离子体流动和阳极边纵向电流密度正以及阳极表面能流密度s等重要特性参数的影响。研究结果表明超音速和亚音速电弧的流动存在显著差异,从阴极到阳极,超音速电弧压力逐渐增大,速度却逐渐减小；而亚音速电弧则相反。电弧电流的增大和触头半径的缩小,均使j-和s显著增大且向中心区域收缩加剧；触头开距增加,也加剧了j-和s向弧心收缩,但在边缘区域有所降低。增大纵向磁场能有效抑制电弧收缩,使j-和s的径向分布更加均匀,减轻了对阳极局部区域的烧蚀,是电弧调控、提高开关开断能力的重要手段。此外,计算得到的s还可作为阳极热过程模拟的热流边界条件。采用CMOS高速摄像机对触头分离“拉弧”以及高压脉冲触发“引弧”产生的电弧宏观形态的演变过程进行了较深入的对比研究,验证了提高触头初始分闸速度和施加纵向磁场等调控手段,可加快电弧由集聚型向扩散型转变。数值计算了实验条件下的电弧光强变化、电弧直径变化和电弧伏安特性,进一步从微观参数层面分析电弧宏观特性,计算结果与实验结果是一致的,验证了数值模型的有效性。为定量分析极间等离子体对阳极的加热作用,建立了考虑阳极熔化和相变、电流焦耳加热、热传导和热辐射等作用的2D阳极热物理模型,利用电弧数值仿真结果s作为阳极表面的热流边界条件,对阳极热物理过程进行数值模拟。分析阳极温度和熔池深度随燃弧时间和峰值电流的变化表明阳极峰值温度出现时刻相对于峰值电流时刻滞后2-3ms。深入讨论了触头半径、触头开距、触头片厚度和纵向磁场等燃弧参数变化对阳极热过程的影响。依据电流过零时阳极温度和状态,推导出开关极限开断能力与燃弧参数之间的关系。通过本文的数值仿真与实验研究,得到了电弧等离子体参数极间分布、宏观形态演变及对阳极热过程的作用,推导出开关极限开断电流与燃弧参数的关系；提出了抑制电弧收缩,加快电弧由集聚型向扩散型转变,从而提高开关开断能力的调控策略。论文的研究工作可为研发高性能多断口真空开关和相控真空开关提供理论指导和借鉴,推进其在高电压、大容量领域的应用,具有重要的理论价值和实际意义。