托卡马克装置被认为是实现可控核聚变的重要途径之一。超导磁体线圈及其电源系统是超导托卡马克装置的重要组成部分，其磁场耦合性强、电路复杂，可能产生的电弧现象对装置的安全运行与可靠保护至关重要。电弧机理复杂、不易建模、难以与外部复杂电路集成，故而电弧以及外部电路的响应难以完整的模拟与分析。本文以托卡马克超导磁体及电源系统为背景，对电弧模型及其工程应用展开了详细的研究。
　　首先，本文介绍了电弧的基础理论并对常用电弧模型进行分析与评估，详细介绍了适合托卡马克领域工程应用的经验模型（Kronhardt模型），气体电弧模型（Holmes模型）以及熔断器电弧模型（Wright模型）的机理与推导过程、求解方法并分析了应用时存在的问题。
　　本文在第三章阐述了超导磁体电弧故障模型研究和应用。以ITER纵场磁体系统为例，首先，分析了可能发生的电弧故障类型，改进与优化了Kronhardt模型与Holmes模型，基于电极烧蚀理论，引入了电弧燃烧速度及弧长变化的时域计算方法，解决了仿真模型的收敛性和电弧弧长变化的建模问题，实现了可嵌入仿真电路的非线性时变电弧模型;其次，对ITER纵场磁体系统的外电路进行了建模:基于线圈内部绕制结构建立了线圈内部电路模型;针对失超保护系统工作特点，提取了失超保护开关的分布参数，考虑外部电压对故障电弧的特性影响，引入泄能电阻的动态温升效应，完成了失超保护系统简化模型。最后，分别采用适合的电弧模型嵌入仿真，模拟并分析线圈内部多电弧的演变以及终端线圈盒内部双电弧故障在不同故障回路下的响应。
　　熔断器换流型失超保护电路换流过程难以完整建模，本文在第四章阐述了基于电弧模型的失超保护回路换流计算模型的建立与应用。将改进型的wright电弧模型嵌入电路仿真，模拟了CFETR中心螺线管模型线圈(CSMC)失超保护电路全换流过程，分析了外部负载电感、石英砂填充率对换流及灭弧的影响。针对EAST极向场失超保护回路多线圈耦合的特点，开发了一套结合有限元分析与电弧非线性时变模型求解的并行计算模拟程序，计算并分析了互感作用下，弧前及燃弧时间的差异对线圈电流变化的影响。
　　最后，论文阐述了针对熔断器电弧和超导磁体故障电弧开展的相关实验。对CSMC失超保护开关系统进行性能测试，验证了单磁体回路失超保护电路换流计算模型并提出了熔断器改进意见;其次，通过极向场失超保护工程调试的实验数据对建立的多耦合回路换流模型进行验证，分析并解释了实验中电流异常上升的现象，重新核算了磁体热点温度I2t;最后，设计并搭建了托卡马克导体故障电弧实验平台，完成了铜棒样件实验并首次完成了ITER等比例真实超导缆线电弧实验，实验数据分析验证了故障电弧弧长变化时域计算方法，对未来进一步完善超导故障电弧机理建模具有一定的参考意义。