随着可持续发展进程的逐步深入,发展环境友好的输电等级断路器已经成为重要趋势。真空断路器因环境友好、开断性能好、可维护性好而受到越来越多的关注。如何提高真空断路器的电压等级一直以来是世界范围内广泛关注的主要问题之一。由于电极参与了燃弧过程,使真空电弧理论变得十分复杂。对真空电弧特性的不了解是制约真空断路器向更高电压等级发展的原因之一。为此,本文采用数值模拟技术对真空断路器开断过程中电弧等离子体的特性以及大电流作用下的阳极活动进行了研究与分析。首先,本文结合真空断路器的实际结构,对真空断路器的极间等离子体区建立了二维轴对称模型。根据流体力学的连续方程、动量方程和能量方程,结合麦克斯韦方程组、广义欧姆定律以及洛伦兹力方程,构建了亚音速真空电弧双温度磁流体动力学模型。其次,借助COMSOL Multiphysics仿真软件对真空断路器开断过程中电弧等离子体的离子密度、电子温度、离子温度、速度、压力等特性参数进行了研究与分析,并研究了不同触头开距下离子密度的变化情况;再次,对一种线圈式结构的磁场分布情况进行了研究,并讨论了线圈匝数对磁场强度的影响;然后,对阳极表面电弧等离子体的能流密度进行了分析。通过对真空电弧的数值模拟,得到离子密度、离子温度、电子温度和压力的最大值都出现在阴极中心附近,而速度的最大值出现在阳极附近;随着时间的增加,离子密度、离子温度、电子温度、压力和速度等特性参数的数值都得到了提升;触头开距增大,离子密度得到了降低;线圈式结构的磁场强度在灭弧室内由内到外逐渐增强,线圈匝数增多,磁场强度增大。最后,为了分析电弧等离子体对阳极活动的影响,本文对阳极的相变过程建立了控制方程,利用焓–孔隙率法处理液相比例,用Stefan方程描述阳极熔化的速度;对阳极触头片建立二维轴对称模型,将电弧能流作为阳极表面的热流边界条件,借助COMSOL Multiphysics仿真软件对阳极的热物理过程进行了数值模拟。研究了电弧能流作用下阳极表面温度和阳极熔池深度的变化情况;讨论了不同能流作用下,阳极表面温度、熔池深度以及饱和蒸气压的变化情况。