随着国民经济的快速发展,用电负荷的日益增加及远距离大容量输电需求,促进了高压直流(High Voltage Direct Current, HVDC)电网技术的发展。而现有的直流开断技术及直流开断设备尚未成熟,难以满足HVDC电网的开断需求,迫切需要研制出能可靠开断直流短路电流的直流断路器。本论文针对人工过零真空直流开断中存在的问题,展开了相关的研究。通过仿真结合实验的方法,研究了采用永磁-斥力混合型操动机构的真空断路器分断速度、换流频率以及燃弧时间对直流开断过程电弧形态及弧后介质恢复特性的影响,为人工过零直流真空断路器及其工程化应用设计,提供参数设计依据。本文的主要研究内容与结果如下：提出了永磁机构励磁阶段电流控制、运动阶段位移控制的两阶段控制方法,建立了基于比例微分(Proportional Differential, PD)及模糊控制算法的永磁机构动态合闸过程模型,以控制合闸时间及速度,验证了电容电压、电容容量、环境温度及负载力等外界条件变化时,算法的有效性。通过控制放电电容电压来调整斥力机构分闸时间及速度,并进行了实验验证。结果表明,本文使用的控制方法在外界条件变化时,能够将合闸时间分散性控制在±0.5ms之内,分闸时间分散性控制在±0.3ms之内,为直流断路器模块化串联奠定应用基础。利用电磁暂态程序EMTP/ATP(Electromagtic Transients Program/Alternative Transients Program, EMTP/ATP),将强迫过零直流开断电路模型与等离子体连续过渡模型相结合,研究了直流开断弧后电流、弧后介质恢复过程中的鞘层增长、金属蒸气密度衰减等受分断速度、燃弧时间、换流频率等动态因素的影响规律,为直流开断参数选择提供理论依据。研究发现,提高换流频率,不利于弧后介质强度恢复；提高分断速度,缩短燃弧时间,可提高弧后介质恢复初期鞘层增长速度。同时降低弧后初期金属蒸气密度,有利于弧后介质强度恢复。搭建了基于人工过零的强迫直流开断及动态电弧观测系统,利用高速摄像机观察了小电流真空直流开断过程,研究了不同分断速度、不同燃弧时间及不同换流频率下的电弧形态演变。利用图像处理技术对电弧图像进行了面积量化处理,得到了上述动态因素对电弧形态的影响规律,为直流开断在分断速度、燃弧时间及换流频率等参数选择上提供依据。本文实验条件下,分断速度2.1m/s,燃弧时间2ms为宜,换流频率在灭弧室开断能力范围内可适当提高。此外,提供了一种电弧形态分析的新方法,即电弧图像伪彩图增强处理方法,所得到的结果与面积量化处理结果共同验证了论文所采用的理论方法。搭建了基于人工过零强迫直流开断固有介质恢复强度测量系统,采用脉冲放电法研究了不同分断速度、燃弧时间、换流频率下,小电流真空直流开断的固有介质恢复强度。结果表明燃弧时间短,分断速度快,换流频率低时,有利于弧后介质强度恢复。该实验方案所得到的最优参数与电弧面积量化处理结果吻合,也为今后更深入探讨直流开断问题提供试验手段和依据。