真空开关以真空为绝缘介质,在开断过程中依靠触头材料作为等离子体发射源维持真空电弧的燃烧。当它工作在以直流开断为代表的短燃弧时间工况时,对其弧后介质强度恢复速度以及燃弧过程中真空电弧的扩散的要求进一步提高。其中,燃弧期间真空电弧的运动直接影响弧后过程的初始等离子体分布,极大地影响真空开关的开断性能,故研究燃弧期间尤其是初始扩散阶段真空电弧快速均匀扩散的机理和方法一直是国内外学者致力于工作的方向,对触头结构进行优化设计就是其中可行的方法之一。本文主要针对一种加铁磁材料触头的结构及其真空电弧初始扩散阶段的运动进行研究。基于“马鞍形分布纵向磁场有利于真空电弧快速均匀分布”的理论,本文利用传统杯状纵磁触头所产生的磁场对铁磁材料的磁化作用在触头边缘产生增强的纵向磁场,首先采用有限元仿真的方法对加铁磁材料的触头进行了优化设计。在真空电弧的初始扩散阶段,新型触头的纵向磁场沿径向有较大的正梯度,有利于真空电弧的快速均匀扩散;稳定燃弧阶段,纵向磁场在触头更大范围内保持较大的强度,可抑制真空电弧的收缩。然后通过触发燃弧实验的方式对新型加铁磁材料触头燃弧阶段的真空电弧图像进行拍摄,并与平板触头、传统杯状纵磁触头进行对比,实验电流为4～8 k A的工频交流电,主要研究了真空电弧初始扩散阶段阴极斑点分布、速度和弧柱的运动、形态。实验结果表明,平板触头在电流较小时的阴极斑点初始扩散速度要大于另外两种触头,但电流幅值增大到7 kA以上时开始出现阳极斑点。而另外两种触头在实验电流范围内的燃弧过程均较为稳定,其中新型加铁磁材料触头虽然在较大开距下其阴极斑点的初始扩散速度不及传统杯状纵磁触头,但当阴极斑点充分扩散到占据整个触头表面后,加铁磁材料触头的阴极斑点能够更均匀地分布在触头表面更大的范围内,且在稳定燃弧阶段其弧柱区表现出更好的均匀性。随着触头开距的降低,新型加铁磁材料触头的阴极斑点初始扩散速度有所升高。根据实验结果,新型加铁磁材料触头所产生的边缘增强的纵向磁场除了可有效抑制真空电弧的集聚外,还可提高燃弧过程中触头表面的利用率,减少电弧等离子体的损耗,且能够使电弧能量更均匀地分布在触头间隙。本文的研究主要是针对短燃弧时间工况的部分需求进行考虑,可为短燃弧时间的真空断路器触头设计提供一定的参考。