在电力系统运行过程中，需要频繁投切电容器组来改善负荷的功率因数，减少线路中的无功功率流动，从而达到降低系统损耗的目的。真空断路器因其环境友好、免维护运行、电气和机械寿命长等优良特性非常适合投切容性负载。但真空断路器投切容性负载时存在重击穿问题，重击穿引发的过电压会对力系统安全运行产生严重威胁，因此降低真空断路器投切容性负载的重击穿概率问题一直是国内外真空开关领域的研究热点。目前国内外主要研究了真空断路器投切容性负载分闸过程中重击穿现象，但引发重击穿的关键因素——“高频关合涌流特性及其破坏真空灭弧室触头表面机理”却缺乏相关研究，因此本文开展真空断路器关合高频涌流过程中电弧特性及高频涌流电弧对触头表面形貌的影响研究，可为降低真空断路器投切容性负载重击穿概率提供理论依据和技术支撑。
本文设计并搭建了容性投切合成实验回路，回路可提供满足IEC和国家标准要求的实验参数，从而为后续实验研究建立了基础平台。基于容性合成实验回路，研究了不同触头材料和磁场下高频涌流关合电弧特性，并获得了涌流电弧烧蚀后触头熔焊特性的变化规律。实验对比了真空断路器关合容性负载过程中CuCr50/50和CuW10/90两种触头材料预击穿涌流电弧特性。实验结果显示，灭弧室触头材料会显著影响预击穿开距的大小、分散性以及电弧运动状态。建立了针对两种触头材料的预击穿电弧烧蚀物理模型，解释了涌流预击穿电弧特性差异及涌流破坏后触头表面状态特性，得出CuW10/90材料触头预击穿过程耐压特性更为优异的结论。对杯状横磁和杯状纵磁结构触头涌流关合电弧特性研究表明，杯状纵磁触头关合涌流过程中预击穿电弧运动更为显著，更能有效降低电弧对触头表面的烧蚀，从而展现更为优越的耐压特性。此外，纵磁触头片开槽会限制预击穿电弧的运动，从而会减弱预击穿电弧的扩散效应，因此应用于容性开断纵磁触头片不建议进行开槽。实验结果可为研制适用于高电压等级容性电流开断的真空断路器触头选型提供参考。
为反映涌流电弧烧蚀后触头表面微观形貌特性，研制了场致发射电流测量装置，获得了工频电压下场致发射电流变化规律，建立了场致发射电流发射点的“电加热-冷却滞后效应”状态变化物理模型。研究表明，场致发射电流会随着涌流幅值增大和关合涌流次数增多而增大，且预击穿高频涌流电弧烧蚀后，对称工频电压下，1mm定开距试品真空灭弧室场致发射电流测量结果呈现一定的极性效应，极性效应是由涌流对真空灭弧室触头表面破坏的不对称性造成的。此外，建立了场致发射电流发射点状态变化物理模型，解释了场致发射电流参数特性变化规律。形貌分析结果显示，涌流烧蚀后触头表面熔焊烧蚀区域具有一定的自相似结构特点。
进一步运用分形理论研究了涌流电弧烧蚀后触头表面形貌特性，提出了触头表面微观形貌的分形几何表征方法，定量描述了涌流烧蚀后触头表面状态，解决了传统粗糙度参数表征触头表面状态相对误差大的问题。研究分析表明，涌流烧蚀熔焊区断裂后的触头表面形貌具有分形特征，可以用分形理论量化分析其形貌特性，且触头表面特征区域多次测量结果一致性很好。应用分形表征方法，确定了真空灭弧室关合涌流操作过程中判定触头否发生熔焊的临界分形维数值为D=2.5，并发现真空灭弧室触头表面特征区域的微观电场强度补偿累积概率分布服从指数函数关系，且触头表面涌流烧蚀区域的微观电场强度的变化范围大于未烧蚀区域，进而从微观尺度体现了涌流对触头表面的破坏作用。相对于传统粗糙度表征方法，分形几何表征方法更能准确有效表征触头表面微观状况，可作为描述触头表面微观形貌和评估触头表面耐压特性的重要参量，具有广阔的工程应用前景。