近年来，真空开关凭借自身对环境污染小、安全可靠性高、体积小等优点，在实际应用中逐渐成为不可替代的产品。现阶段下中国电力工业发展迅速，对真空开关的开断能力提出了更高的要求标准^[1]。提高真空开关的开断能力一直是国内外学者的研究热点。研究表明，真空灭弧室对传统直拉开断直流电弧的熄弧能力提升已接近达到极限^[2]。目前的主流研究聚焦于不同触头结构在直拉开断方式下真空电弧的物理参数变化规律以及寻找电弧前、中、后期不同阶段影响开断能力的关键要素。通常为了提高真空开关的开断能力，大多数产品采用拉长电弧、改变电极间开距大小以提高电弧电压，外加横或纵磁场控制电弧等手段，使真空电弧呈扩散态或快速转变为扩散态。真空开关磁控触头主要有横磁触头和纵磁触头两大类。横磁触头在通入直流时产生横向磁场（TMF），真空电弧在横向磁场力的作用下在触头表面高速运动，加速电弧能量逸散。纵磁触头利用触头产生的纵向磁场(AMF)使真空电弧维持在扩散态，降低电弧电压，减少触头表面烧蚀^[3]。真空电弧主要依靠阴极表面上大量阴极斑点提供的金属蒸气维持，阴极斑点处温度高，电流密度大，同时也是电子进入真空区域的通道^[4]。实验中发现，阴极亮斑运动影响真空电弧的特性参数，包括电弧能量以及电磁参数等，这些参数对真空电弧燃弧至熄弧过程有着重要的影响。

目前，国内外相关学者多采用磁吹方式提高开关熄弧能力，分别对不同结构横磁触头和纵磁触头进行仿真和实验研究。文献[5]中对真空断路器灭弧室触头结构和特点及其磁场分布进行了综述。文献[6]通过实验给出不同动静触头安装方式，采用仿真计算和试验相结合的办法，得出了真空电弧形态的影响规律。文献[7]通过MATLAB图像处理等方法分析了电弧能量分布情况。文献[8]通过高频实验得到了平板和纵磁触头真空电弧直径的变化。文献[9]研究了平板、杯状纵磁电极下触发电弧形态演变过程。文献[10]提出了基于人工过零的直流开断下，拉弧初始扩散过程中真空电弧特性进行了研究。文献[11]在外加磁场作用下，对限制型态电弧的运动进行了分析。文献[12]研究了真空环境大电流下触头间磁场对真空电弧运动和分裂的影响。文献[13]对直流开断电弧进行了拍摄和数字化分析，计算出电弧直径、高灰度值区面积等特征参数进行分析。文献[14]利用高速摄像机CMOS对真空电弧图像进行了采集，分析了真空电弧燃烧过程扩散运动的机理特征。

综上可知，以上文献为在直拉开断下进行真空电弧的研究，为研究对磁控触头的真空电弧开断电弧运动规律。本文基于可拆卸真空灭弧室将磁控触头与阴极旋转运动方式相结合，探索在直流下，将触头横向磁场和纵向磁场分别与阴极旋转运动耦合，研究真空电弧开断过程中是否会影响阴极表面电弧亮斑。归纳此种耦合方式对真空电弧形态的演变规律，对实验结果进行分析和讨论，以完善真空电弧理论，对提高开关电器开断能力具有重要影响。

1.   磁场分析和实验平台搭建

1.1   磁场分析

真空灭弧室磁控触头直拉开断过程中，真空电弧受到触头磁场的影响，电压形态及电压特性会随之改变。本实验中，分别采用万字型横磁和杯状纵磁对接式触头结构，直径均为42 mm，触头材料均为CuCr25，开距设为10 mm。触头结构如图1（a）、（b）所示。

图  1  触头结构图。(a) 万字型横磁触头，(b)杯状纵磁触头

Figure  1.  Contact structure diagram. (a) Swastika transverse magnetic contact, (b) cup longitudinal magnetic contact

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其中，万字型横磁触头，应用触头中电流产生的横向磁场驱动电弧，使电弧在触头表面运动，从而达到减少触头烧蚀和提高灭弧室开断电流等级的效果。杯状纵磁触头沿杯壁周向设置螺旋切槽，且动静触头杯壁上螺旋切槽螺旋方向一致，控制电流路径以产生同向纵向磁场，触头片上均开有非径向直槽抑制涡流，应用触头中电流产生的纵向磁场控制电弧形态，使其不发生严重集聚，从而减轻电弧对触头损害，有利于可靠开断。

本文采取有限元仿真，借鉴了文献[15]基于MHD理论的旋转电弧动态分析，该文中分析了在燃弧阶段电弧的运动特性及电流产生的磁场对电弧运动的影响，电弧在磁场产生的洛伦兹力下的作用高速旋转，而电弧的高速旋转提高了灭弧室的开断能力。首先对万字型横磁触头和杯状纵磁触头模型建立，计算了在开距10 mm下阴极表面的磁场分布和大小，对触头表面的电弧分布情况进行了仿真分析。基于参考文献[16]和[17],在横磁触头和纵磁触头下真空电弧会受到磁场力作用在阴极表面进行旋转运动。电弧在受到横向磁场的作用下旋转速度和圈数较大，纵向磁场下的电弧限制形态直径大。在实验中结合触头“直拉−旋转”运动，在磁场力和旋转力的耦合下分析对真空电弧的影响。

为进一步探究真空电弧演变规律，结合实验实际，本文采取50 A/60 V的电流电压，建立阴极直动耦合顺时针旋转运动物理模型，对磁控触头真空旋转开断过程中的磁场进行有限元仿真分析。如图2（a）、（b）分别为万字型横磁触头和杯状纵磁触头阴极表面磁场分布情况，图中看到，横磁触头阴极磁场方向和实验中阴极旋转方向一致，均为顺时针方向，阴极表面磁感应强度最大值为0.0168 T，最小值为0.000482 T，起弧点位置附近磁感应强度较大约为0.0341 T。杯状纵磁触头阴极表面磁场呈径向分布，磁感应强度最大值为0.222 T，最小值为0.0132 T，起弧点位置磁场方向呈扩散分布，磁感应强度大小约为0.0899 T。

图  2  50 A电流万字型横磁和杯状纵磁触头阴极磁场分布。（a）万字型横磁触头磁场分布，（b）杯状纵磁触头磁 场分布

Figure  2.  Magnetic field distribution of 50 A current swastika transverse magnetic and cup shaped longitudinal magnetic contacts. (a) Magnetic field distribution of swastika-shaped transverse magnetic contacts, (b) magnetic field distribution of cup-shaped longitudinal magnetic contacts

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1.2   实验平台搭建

本实验基于可拆卸真空灭弧室搭建了真空旋转开断实验平台，由电气回路、真空系统、摄像系统、测控装置四部分组成。图3为实验线路连接示意图。

图  3  真空电弧实验线路连接示意图

Figure  3.  Schematic diagram of vacuum arc experiment circuit connection

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采用12 KV/630 A-20 KA型真空灭弧室，阴极直拉和旋转运动由两个永磁机构同步驱动，在灭弧室内部通过软连接使电极导通，阴极与永磁机构之间通过连接杆、绝缘子、旋转轴连接，当永磁机构吸合时拉动阴极完成分闸动作。阴极的旋转通过齿轮组配合完成，当永磁机构吸合时，带动齿轮旋转进行旋转开断。实验中，采用IT6000D系列大功率直流电源为平台供电。摄像系统核心是Phantom v711 CMOS 高速摄像机，通过继电器将分闸开关与相机相连接，在分闸瞬间，继电器线圈得电，相机得到一个5 V的外触发电压信号，驱动相机进行图像采集，保证了触头开断与电弧拍摄的同步性，采集到的数据均传入到计算机中进行存储和分析处理。

实验开始前，将真空灭弧室抽至2×10⁻⁴ Pa，实验时关闭阀门，电离硅管进行实时监测保证真空度，实验时关进阀门，进行保压试验。采用RP1001C型号电流探头、PVP2350电压探头测量电弧电流、电压等电气参数输入数字示波器进行存储。斥力机构驱动信号为0时刻表明触头已导通闭合，PLC控制柜控制触头开断，高速相机同步拍摄整个电弧过程。

采用线性位移传感器测量阴极侧直线运动特性，同样通过数字示波器进行存储。计算得到阴极直拉开断的直动速度变化曲线如图4所示。

图  4  直拉速度变化曲线

Figure  4.  Direct tension displacement curve

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同理，阴极旋转运动也使用线性位移传感器通过旋转角度和旋转时间计算出旋转开断时的旋转速度大小，阴极转速变化曲线如图5所示。

图  5  阴极转速变化曲线

Figure  5.  Cathode speed change curve

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本系列实验设置相机的拍摄速度10000 fps，拍摄分辨率1024×512，曝光时间10 μs，EDR为10 μs。拍摄时调节合适的角度，更于观察整个燃弧过程。

2.   实验结果分析

2.1   万字型触头直拉开断电弧形态与电弧电压

直拉开断实验所拍摄的电弧图像如图6所示，旋转开断电弧图像如图7所示。图中上侧触头为阳极，下侧触头为阴极。

图  6  万字型触头直拉开断真空电弧形态

Figure  6.  The shape of vacuum arc when the swastika contacts is opened directly

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图  7  万字型触头旋转开断真空电弧形态

Figure  7.  The vacuum arc shape of the swastika contacts rotating to break

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图6可知，t=0.5 ms时刻，能观察到微弱的电弧亮光，t=1.5 ms时在触头间隙间观察到明显的电弧亮光，集中分布在触头直径的1/3区域。t=2.5 ms至3.5 ms时电弧在万字型凹槽内起弧。t=4.5 ms至6.5 ms时触头间隙有明显的弧柱，此时真空电弧为限制型电弧。随着触头间开距增大，t=8.5 ms时刻，电弧受到万字型触头产生的横向磁场力的作用在触头表面进行运动，此时电弧能量逸散快，不足以维持限制型电弧。结合电压波形可知，8.5 ms时刻开始出现明显的电压噪声，电弧噪声持续时间约为5 ms。在燃弧后期，电弧由于能量减少在磁场力的作用下在阴极表面呈现扩散状态，在槽内和阴极表面间活跃运动直至电弧完全熄灭。电弧电压建立时刻与首次观察到触头间产生亮光时间基本对应。

由图7可知，t=1.3 ms时刻，在触头间隙观察到微弱的电弧亮斑，此时刻触头开距很小，t=2.6 ms时刻，有较亮的电弧产生，t=3.2 ms时刻，电弧通道在触头右侧凹槽内形成，t=4.5 ms时刻，随着触头开距逐渐增大有明显较亮的弧柱产生。对旋转开断来说，燃弧前期，阴极表面向阳极发射带电粒子产生的等离子通道，也跟随着阴极顺时针方运动而运动。在燃弧中期，t=5.2 ms时刻，阴极和阳极表面观察到明显电弧亮斑，亮斑区域大约占据触头表面的1/2，此时触头开距大约为5 mm。t=5.8 ms时刻，阳极亮斑消失，阴极表面亮斑依旧存在，电弧亮度无论径向还是轴向分布都较均匀。t=7.1 ms时刻，邻近原产生阴极亮斑的左侧产生了新的亮度相对较弱的电弧亮斑。结合示波器电压波形可知，t=8 ms后，电弧电压开始产生电弧噪声，持续时间约为3 ms。在t=8.5时刻，随着阴极旋转的离心力和磁场力的共同作用，电弧能量逸散较快，由限制型变为扩散态电弧，电弧亮度明显减弱，直至电弧熄灭。旋转开断真空电弧前期产生在触头间隙左侧，燃弧中期运动至触头对称处位置，后期运动至触头间隙右侧区域，电弧在燃弧期间进行顺时针运动，与万字型触头产生的磁场力方向以及阴极旋转方向保持一致。

万字型触头直拉开断与旋转开断真空电弧电压波形如图8所示，旋转开断要比直拉开断燃弧时间明显减少，在燃弧前期旋转开断的电弧电压较稳定，t=6 ms前，两种开断方式下电弧均为限制型电弧，电弧噪声较少。在t=8 ms后，旋转与拉开断下的真空电弧有明显的电弧噪声，直拉开断电弧噪声范围更大，持续时间较长。燃弧后期电弧均呈现扩散态，旋转开断下的电弧电压相比直拉开断电弧电压上升更迅速，更有利于真空电弧的开断。

图  8  万字型触头直拉开断与旋转开断真空电弧电压曲线

Figure  8.  Voltage curve of vacuum arc for direct opening and rotating opening of swastika contacts

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2.2   杯状触头直拉开断电弧形态与电弧电压

与万字型触头实验等同条件下，杯状纵磁触头直拉开断和旋转开断所拍摄的电弧图像如图9所示和图10所示。

图  9  杯状触头直拉开断真空电弧形态

Figure  9.  Cup shaped contact directly opens to break the vacuum arc shape

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图  10  杯状触头旋转开断真空电弧形态

Figure  10.  Cup shaped contact rotating to break vacuum arc morphology

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由图9可知，t=1.3 ms时刻，电弧在杯状触头阳极的开槽中产生，此时开距较小电弧亮度微弱。t=1.9 ms时刻，随着开距的增加，电弧亮度明显增强，电弧运动至点击间隙左侧区域，t=3.2~3.9 ms期间，有明显高亮的弧柱通道产生，此时开距约为4 mm。燃弧中期t=5.1~6.2 ms期间，电弧为限制型电弧，t=6.2 ms时刻，在阴极表面形成，明亮的电弧亮斑单弧柱。t=7.1~8.8 ms时期，电弧运动至两触头中心位置处，7.1 ms时刻，电弧运动到阴极表面左侧，阴极亮斑附近有微弱的亮斑形成，结合电弧电压曲线可知，电弧开始由限制型向扩散型转变，此时触头开距约为6 mm，阴极亮点持续到8.8 ms。燃弧末期t=10.1 ms时刻，电弧运动至阴极表面右侧，电弧亮度明显减弱，直至电弧熄灭。根据直拉开断电弧图像分析，整个燃弧期间由于受杯状纵磁产生的纵向磁场力原因电弧在触头间较活跃，电弧在阴极表面无规则运动。由直拉开断电弧电压波形可以看到，随着开距和电弧电压逐渐增加，t=8 ms时刻后，电弧电压明显抖动，产生电弧电压噪声，由限制型电弧变为扩散态，电弧图像亮度减弱向外扩散，可能是由于纵向磁场的原因导致的电弧图像和电弧电压的变化。

如图10可知，t=1.3 ms时刻，在杯状触头阳极左侧开槽中产生电弧，t=2.1 ms时刻，形成较亮的电弧通道，随着开距的逐渐增加，电弧弧柱越来越明显。在阴极触头顺时针方向转动下和杯状触头纵向磁场力的双重影响下，由最初触头间隙左侧形成的电弧运动到触头间隙后方，再运动至触头右侧，电弧跟随阴极旋转方向一致。燃弧中期t=5.7 ms时在阴极开槽中有明亮的弧柱。t=6.5 ms时刻，电弧运动至触头间隙左侧，阴极表面有明亮的电弧斑点。燃弧后期t=8.1 ms时刻，产生双弧柱通道，电弧伴随着阴极旋转运动和纵向磁场的作用，限制型电弧变化为扩散态电弧。t=9.8 ms时刻，产生多个阴极亮斑群，阴极亮斑运动至杯状触头右侧开槽中，随着燃弧时间的增长，阴极亮斑区域逐渐扩散，部分亮斑运动至阴极触头的侧方直至整个燃弧期间电弧熄灭。结合图11旋转开断电弧电压波形可知，在t=8 ms时刻前，整个电弧电压过程较平稳，8 ms时刻电弧电压凸起，产生明显的电弧噪声，由20 V突升至40 V，配合高速相机拍摄的电弧图片，此时在阴极表面产生了明亮的电弧亮斑。8 ms后电弧电压不再平稳，有抖动出现，其原因是阴极表面产生的多个电弧亮斑引起的，电弧在阴极表面运动活跃。在t=11 ms时刻后，电弧电压突然升高至平稳，完成整个旋转开断过程。

图  11  杯状触头直拉开断与旋转开断真空电弧电压曲线

Figure  11.  Vacuum arc voltage curve of cup shaped contact direct opening and rotating opening

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两种开断方式产生的真空电弧电压波形如图11所示，在直拉开断和旋转开断过程中，在燃弧前期6 ms之前整个电弧电压相对保持平稳，7 ms时直拉开断下电弧电压部分凸起，8 ms旋转开断电压凸起。两种开断方式在产生电弧电压凸起后至电弧熄灭的阶段中电弧图像在阴极表面都有明显的亮斑。

3.   直拉开断与旋转开断电弧能量分析

真空电弧在燃弧过程期间，分为燃弧前期、中期、末期。在这三个阶段下，真空电弧形态会发生变化，逐渐由聚集态电弧转变为扩散态电弧。在开断过程中，随着触头开距逐渐增加和阴极旋转作用，电弧能量逸散加快，当电弧电流过低时，电弧濒临熄灭。在整个燃弧过程中，电弧能量分布在不断变化，观察电弧形态及阴极弧根变化情况，从宏观角度上分析电弧能量变化情况。运用图像处理技术，对真空电弧图像进行处理分析，进一步分析对比磁控触头在直拉开断和旋转开断方式下的电弧能量分布规律。根据电弧发展三阶段将燃弧时间进行划分，磁控触头0～3.5 ms为燃弧初期，3.5～7 ms为燃弧中期，其余部分为燃弧末期。根据灰度值划分电弧区域，灰度值在23～100区域为低温区，灰度值在100～200区域为中温区，灰度值高于200区域为高温区。某时刻真空电弧各温度区域分布示意图如图12所示。

图  12  真空电弧各区域温度图

Figure  12.  Temperature map of various regions of vacuum arc

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3.1   万字型触头直拉开断和旋转开断燃弧期间电弧能量对比

由图13（a）、（b）可以看出，在燃弧初期阶段，由于触头间开距较小，直拉开断和旋转开断方式下的电弧中心高温区域面积形态均呈现为“扁平状”，从阴极喷射出的金属蒸气受阳、阴极板限制，金属蒸气带电粒子会沿着水平方向快速扩张，纵向扩散速度较慢。电弧中心区域高温区面积较大，电弧燃烧剧烈，弧根直经增长明显。燃弧中期，两种开断方式下高温区域面积分布情况相似，但旋转开断下的金属蒸气带电粒水平扩张速度更快，电弧能量低温区域面积扩散速度加快，直拉开断下高温区电弧能量仍比较集中。由于万字型横磁触头的特殊结构，电弧受到顺时针的横向磁场作用力与旋转开断的离心力方向相同，电弧更容易在触头表面运动，加速电弧能量的逸散。使得电弧形态快速的转变为扩散态，电弧高温区域面积迅速收缩减小，电弧中金属蒸气密度降低，由高温区向中、低温区扩散，在旋转开断作用下，电弧能量不足以维持单弧柱形态，电弧弧根分裂由单弧柱变为多弧柱使得能量更分散，更有利于电弧熄灭。

图  13  万字型触头直拉开断和旋转开断电弧能量对比。（a）直拉开断燃弧前期电弧能量，（b）直拉开断燃弧中期电弧能量，（c）直拉开断燃弧后期电弧能量，（d）旋转开断燃弧前期电弧能量，（e）旋转开断燃弧中期电弧能量，（f）旋转开断燃弧后期电弧能量

Figure  13.  Comparison of energy between straight and rotary breaking arc of 10,000 type contacts. (a) Arc energy at the early stage of a straight breaking arc, (b) arc energy at the middle stage of a straight breaking arc, (c) arc energy at the late stage of a straight breaking arc, (d) arc energy at the early stage of a rotating breaking arc, (e) arc energy at the middle stage of a rotating breaking arc, (f) arc energy at the late stage of a rotating breaking arc

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实验中所拍摄到的电弧图像通过分辨率转化计算出高温区域像素点的个数来比较旋转和直拉开断的高温区范围大小。计算出燃弧各阶段高温区像素点个数如表1，旋转开断下的高温区面积在燃弧初期过程中相比直拉开断下高温区面积要大，燃弧初期真空电弧受到旋转离心力和横向磁场力的共同作用，使得电弧能量逸散快。燃弧中期高温区面积相差不大，燃弧后期旋转开断下的高温区面积下降的较快。

表  1  万字型触头直拉和旋转开断下的电弧高温区像素点

Table  1.  Pixel points in the high-temperature zone of the arc under direct pulling and rotating disconnection of the swastika contact

	直拉开断高温区像素点个数	旋转开断高温区像素点个数
燃前前期	1199	1453
燃弧中期	2269	2151
燃弧末期	1930	1180

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3.2   杯状触头直拉开断和旋转开断燃弧期间电弧能量对比

由图14（a）、（b）可以看出，在燃弧前期极板间开距较小，电弧中心区域能量比较集中，高开断，电弧能量相对发散，水平方向上中低温区扩散较快。这是由于阴极旋转使得起弧点的数目、弧根直径增加，使更多的金属蒸气带电粒子进入触头间隙。随着金属带电粒子密度增多，电弧等离子体内部压力增大，电弧弧柱扩散速度变快；燃弧中期时，直拉开断在纵磁触头磁吹力作用下，电弧能量集中在触头间隙右侧，且有明显的高温区弧柱通道，电弧能量高温区仍然集中贯穿在极板间隙，旋转开断作用下，真空电弧的高温区范围呈下降趋势，中温区低温区域范围更为发散且持续增加，相比直拉开断，能量减弱有向扩散态电弧形态转换趋势，电弧面积增大，在磁场力的作用下，电弧在触头表面快速移动，促进了电弧内部碰撞电离的进程，使得在燃弧过程中电弧能量更加分散；燃弧后期，随着开距不断增加，电弧弧根分裂次数增多，直拉开断和旋转开断下均为扩散态电弧。

图  14  杯状触头直拉开断和旋转开断电弧能量对比。（a）直拉开断燃弧前期电弧能量，（b）直拉开断燃弧中期电弧能量，（c）直拉开断燃弧后期电弧能量，（d）旋转开断燃弧前期电弧能量，（e）旋转开断燃弧中期电弧能量，（f）旋转开断燃弧后期电弧能量

Figure  14.  Comparison of arc energy between cup shaped contact direct opening and rotating opening. (a) Arc energy at the early stage of a straight breaking arc, (b) arc energy at the middle stage of a straight breaking arc, (c) arc energy at the late stage of a straight breaking arc, (d) arc energy at the early stage of a rotating breaking arc, (e) arc energy at the middle stage of a rotating breaking arc, (f)arc energy at the late stage of a rotating breaking arc

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对杯状纵磁触头直拉和旋转开断的电弧能量分析，计算出高温区像素点个数如表2，在受到旋转离心力和纵向磁场共同作用，燃弧初期旋转开断下的高温区面积多，高温区能量较为发散。燃弧中期拉开断下高温区面积相对较多，燃弧末期旋转开断下高温区面积较少。

表  2  杯状触头直拉和旋转开断下的电弧高温区像素点

Table  2.  Comparison of arc energy between cup contact direct pull and rotary break: pixel points in the high temperature zone of arc under cup contact direct pull and rotary break

	直拉开断高温区像素点个数	旋转开断高温区像素点个数
燃弧前期	1192	1808
燃弧中期	2845	2489
燃弧末期	2271	2180

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4.   结论

本文分别对万字型横磁触头和杯状纵磁触头进行阴极磁场仿真分析，并在搭建的真空旋转开断实验平台中进行50 A/60 V直流磁控触头直拉开断和旋转开断试验，根据试验中的真空电弧形态和真空电弧电压特性进行了对比分析，得到了以下结论。

（1）真空电弧在旋转开断过程中，由于电弧在触头表面受到的离心力和触头磁场产生的磁场力的共同作用下，燃弧时间更短，万字型横磁触头和杯状纵磁触头旋转开断相比直拉开断时间均减少约1 ms左右。

（2）触头旋转运动增加了电弧在触头表面不稳定因素，同时在燃弧后期电弧斑点在阴极表现运动更为活跃，磁控触头在自生磁场作用下加剧了真空电弧在阴极表面运动，两者耦合促进了真空电弧的分裂，更快由限制型电弧转变为扩散态电弧。

（3）从电弧空间形态上看，触头旋转开断相比于直拉开断加大电弧能量三维逸散空间，能量耗散率更高。