开关电器作为发电、输电、配电与用电各级电力系统的安全卫士,对所在系统的可靠和稳定运行起着至关重要的控制与保护作用。随着电压等级、开断容量和技术参数的提高,对开关电器在服役周期中动静态绝缘特性和介质特性提出了更高的要求。真空断路器作为中高压开关电器的主导产品,对其内部电磁场和电弧动态演变行为的数值分析是研究断路器本体电、磁、热综合性能的有效途径之一。在有触点机械式断路器运动过程中,其灭弧室内存在着电、磁、热、力与材料等诸多参数在时、空域中的相互作用,开关断口间不可避免地产生电弧等离子体,上述因素的耦合作用直接影响着断路器的动静态绝缘、介质恢复与开断性能。基于场物理数学模型的建模与分析、场精细数值求解自主设计与实验研究相结合的方法是定量分析与研究断路器运行性能的有效手段。为解决电磁场高精度数值仿真与精细求解器自主设计这一问题,本文提出一种区域分解策略与自适应趋正剖分相结合的有限元法;基于最小内角最大约束条件的单元动态生成方案,提出一种涟漪模型以改进剖分单元质量。采用边界域可控匀场离散和可控渐变度离散相结合的策略,自主设计基于C++语言环境的场数值分析平台,将SQLServer数据库存储模型数据与场数值模拟计算相结合;自主开发了运用Open GL库描述断路器电磁场时空分布的精细求解与可视化软件平台,提出了含多重电介质、薄层悬浮电极结构的开关电器电磁场精细模拟与求解解决方案。从电磁场微分方程求解出发,设计并实现了基于三次Hermite插值函数的有限元精细求解算法。以含悬浮薄层电极结构的中压真空断路器灭弧室为对象,提出并改进了虚拟齐次边界域法和多线程技术的并行精细求解算法,以解决高次有限元高求解效率和高精度这一矛盾。对具有解析解的典型模型分别使用Hermite法、Lagrange法及ANSYS软件包进行电场计算与对比,求得相对于解析解的相对误差。分析结果表明,Hermite法计算精度比Lagrange法提高近290%,比ANSYS软件提高近150%。为解决真空断路器场精细求解与绝缘性能工程化分析问题,提出多线程并行有限元法,并进行典型案例场数值模拟。通过与商用软件对比,验证了在不影响计算效率的前提下可提高单元质量和计算精度。在对断路器灭弧室电场精细求解中,采用4～9个线程并行的Hermite算法比非并行时的计算效率提高了30%～40%。以真空断路器灭弧室电场数值分析为对象,采用集成自适应趋正前处理、求解和场量时空域分布可视化综合平台的有限元分析,实现了可并行处理多重介质、薄层悬浮电极的无界场域求解。为描述真空断路器灭弧室开断过程中的电弧等离子体动态变化,依托辽宁高压电器产品质量检测有限公司、机械工业高压电气设备质量检测中心试验站直接实验条件,基于自主搭建的真空断路器电弧分析系统,采用高速摄像机,对40.5k V/2500A/31.5k A真空断路器典型工作方式长中短燃弧条件下,起弧、燃弧及熄灭过程进行电弧动态行为的捕捉与分析。并以T10工况下长燃弧试验真空电弧图像为对象,通过计算全周期内场致发射、过零点及最大能量处温度分布参数,求得触头刚分、零区、场致发射、最大燃弧时刻、熄弧及完全分断等关键节点的时间、行程及开断电流等参数,研究真空电弧燃弧特性。提出电弧图像语义和实验数据相结合的电弧特征分析方法,研究燃弧时间与极间运动行程变化过程中电弧电流与电弧电压变化规律。为解决真空开断中电弧图像语义干扰问题,采用经典中值滤波法去噪分析和图像形态学相结合,提出了遍历式连通域标记算法,对电弧弧芯与外焰连通域动态跟踪标记,相比于经典像素算法效率提高近2倍,实现了电弧热场反演与重构预处理。为解决电弧弧芯温度剧升,弧光强度远强于高速摄像机响应范围而造成电弧图像语义失真问题,改进了一种基于图像盲复原反演算法,采用L0范数为正则化约束项计算点扩展函数,改进WATV并作为图像先验约束条件,结合Begman迭代算法,解决电弧热场成像不适定问题。为解决电弧失真区域无边缘及纹理等问题,拟合计算并分析了电弧变化过程中图像像素变化规律,提取了序列图像失真区域边缘,以重构电弧边缘域信息,实现电弧热场盲复原。同时,采用比色测温法求得了电弧温度分布。以真空断路器电磁场精细求解仿真模拟与直接实验条件下交流真空介质电弧动态特性分析相结合,研究灭弧系统绝缘特性与电弧动态演化行为,为开关电器电磁场精细求解与开断性能研究提供了自主版权设计平台与数值模拟基础。