电力系统的稳定和可靠运行是支撑国民经济发展、保障社会稳定的关键因素之一。高压断路器是电力系统中最重要、最复杂的电气设备之一,也是电力系统中重要的控制和保护设备。在断路器切除短路故障时,灭弧室内部会产生高温高压电弧,断口间还要承受电弧熄灭后产生的暂态过电压,断路器开断过程中灭弧室内部是一个复杂的气流场—温度场—电磁场多场耦合的物理过程。此外,由于断路器分合闸时间要求小于1OOms,在瞬态冲击载荷的作用下,断路器传动系统容易出现磨损、断裂等机械故障。因此,灭弧室和传动系统是断路器设计的核心。本文从超高压断路器双动自能式灭弧室多场耦合模型和传动系统动力学模型两个方面入手,采用“设计—建模—分析—优化—试制—验证”的研究手段,完善了双动自能式灭弧室断路器设计理论,提高了其综合性能,实现了自能式灭弧室断路器从高压到超高压的突破。论文主要研究内容如下:1.建立了双动自能式灭弧室多场耦合模型,研究了灭弧室多场耦合特性。通过对双动自能式灭弧室核心元件结构和运动参数进行分析,建立了灭弧室物理模型;基于电弧数学模型假设条件,建立了灭弧室开断过程气流场—温度场—电磁场多场耦合数学模型和仿真模型,计算获取了断路器空载及负载分闸过程中的压力、温度、流速等关键参数的变化规律,并通过空载压力测量实验验证了模型的正确性和方法的合理性。2.基于双动自能式灭弧室多场耦合特性研究,进行了灭弧室结构参数优化设计。分析了双动自能式灭弧室开断性能影响因素,以过零前200ns电弧电阻为灭弧室开断性能的评估指标,以喷口喉部直径、喷口喉部直线段长度和膨胀室体积为优化变量,采用正交试验的方法,制定了灭弧室结构优化仿真方案,利用多场耦合模型对灭弧室结构进行了优化,完善了双动自能式灭弧室设计方法。3.建立了双动灭弧室传动系统刚体动力学模型,研究了传动系统动态响应。基于分析力学理论,利用第二类拉格朗日方程及牛顿第二定律,分别建立了传动系统刚体动力学模型及考虑间隙与摩擦的非线性动力学模型,通过数值求解获得了系统的动态响应,揭示了间隙量、摩擦系数及激励对传动系统分合闸特性的影响。4.建立了双动自能式灭弧室传动系统柔性体动力学模型,获得了实际工况下传动系统运动及应力的动态响应。基于弹性力学和接触力学相关理论,并综合考虑摩擦、接触、弹性形变、铰链间隙及预加载荷对传动系统的影响,建立了传动系统柔性体动力学仿真模型,获得了连杆、销轴和灭弧室静触指等关键零部件应力集中以及灭弧室动静触头行程、速度和加速度的动态响应规律。5.完成了 420kV低操作功双动自能式灭弧室断路器样机研制及试验。基于灭弧室多场耦合模型和传动系统动力学模型仿真结果,设计了 420kV低操作功双动自能式灭弧室断路器的总体方案,制造了断路器样机;基于GB1984和GB11022,完成了短路开断性能和机械性能试验,验证了断路器灭弧室和传动系统设计方案的合理性。论文研究了超高压双动自能式灭弧室断路器短路开断过程中的多场耦合特性和传动机构分合闸过程中的动力学特性,揭示了影响断路器工作特性的关键因素,完善了双动自能式灭弧室设计方法。研究成果有力支撑了国内首台420kV低操作功双动自能式灭弧室断路器的成功研发,并为双断口 800kV自能式灭弧室断路器的研发提供技术基础。