基于人工过零原理的机械式高压直流断路器,一般选用真空灭弧室作为开断元件。由于换流回路提供振荡电流的频率一般在k Hz级,真空灭弧室开断的实际是具有一定直流分量的中频电流,而对于真空灭弧室开断电流的复杂物理过程,目前的认识仅局限于工频应用领域。论文主要围绕开断中频电流时真空间隙的电击穿机理展开研究。在理论分析的基础上,将真空灭弧室开断过程的介质恢复过程划分为鞘层预备阶段、鞘层发展阶段和金属蒸气衰减阶段。针对不同阶段的不同介质恢复机理,分别建立相应的物理模型,重点研究了开断电流幅值和频率对这些物理过程的影响,分析了开断电流频率以及直流分量对介质恢复过程的影响。论文根据已有的研究成果,基于电弧兼具导电性和介电性的特性,提出了鞘层预备阶段的概念,并提出了该阶段持续时间的计算方法。在这个阶段中等离子体需要时间完成转向极化,持续时间的大小将影响到鞘层发展阶段的初始状态。通过实验观测手段,实际测量了鞘层预备阶段的持续时间,所得实验结果与所提计算方法获得的理论值在数量级上和变化规律上具有良好的一致性。从而验证了论文对鞘层预备阶段持续时间的一种理论假想,所获取的实验数据可用于所建物理模型中的参数取值。结合中频开断的特点,在分析连续过渡模型的基础上,将影响鞘层发展阶段微观过程的主要因素归纳为三个参变量,即初始离子密度、离子扩散时间常数和电流过零点的电弧直径,并研究了开断电流频率对这些参变量及鞘层发展过程的影响规律,通过仿真和计算获取了不同频率下极限开断电流的变化趋势,推断不同开断条件下真空灭弧室的极限开断能力。研究指出直流分量的存在,使真空灭弧室的热击穿可能性增大,电击穿的可能性减小。最后,在直流断路器在柔性直流输电系统中的应用方面,论文研究了直流系统的保护策略,在PSCAD中设计并搭建柔性直流输电系统和考虑介质恢复的直流断路器模型,并进行不同换流频率的开断仿真实验,发现在所搭建的系统中换流回路参数主要通过电流过零时刻的变化率影响直流断路器的开断能力。研究结论对机械式高压直流断路器中换流回路的频率选择和真空灭弧室的容量选型具有一定指导意义。