基于正交试验的快速开关设计

吴中友，王智勇，李 钊，许元震，孙 超，刘少飞

（1.常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏常州 213025；2. 南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211100）

0 引言

传统的真空断路器采用三相装在同一柜体上，底部通过传动轴连接，配绷簧组件，三相联动，其市场应用较为广泛。但随着电力行业的发展，负荷的日益增多，对真空断路器提出了更高、更苛刻的要求，特别对断路器分合闸的快速性要求更高[1]。因此，对电磁斥力式开关进行研究，开发分合闸更快的断路器成为趋势。在同等运动部分质量的情况下，电磁斥力越大，机械开关的分合闸速度越快[2]。但影响电磁斥力的因素很多，主要有线圈盘匝数、扁铜线截面积和电容电压。

对于这种有多种因素、每种因素有多水平的问题，一般利用正交试验来进行分析。正交试验的优势在于可以通过有限的实验次数，得到较为准确的实验结果。相比于全面实验，正交试验可以减少实验次数，降低实验成本，提高实验效率降低成本。同时，正交试验还可以对实验结果进行统计分析，确定因素之间的关系，以及最佳的组合配比。采用正交试验方法来得出这三个影响因素对电磁斥力的影响，并得出三个影响因素的最优组合，从而使得电磁斥力最大化。

1 电磁斥力及影响因素

1.1 电磁斥力机构简介

最近几十年来，由于涡流斥力原理的电磁斥力机构相对于传统的弹超机构，其结构较为简单、分合闸速度快等优势，已被多种机械开关应用，已经成为海内外研究的热点[3]。目前国内思源、平高、南瑞等诸多厂家已经研究出多种电磁斥力机构的快速开关，并已应用到实际工程中，例如南瑞继保的电磁斥力型快速开关已成功应用于张北550 kV 直流断路器工程中。

电磁斥力机构的原理主要是利用涡流电磁感应原理，通过充电电容向线圈盘放电，形成脉冲电流，并产生脉冲磁场，从而在线圈盘和斥力铝盘之间瞬间产生几十乃至几百的电磁斥力，从而带动真空灭弧室动作，实现机械开关的分合闸运动[4]。对电磁斥力影响的因素很多，以下我们主要讨论线圈盘匝数、扁铜线截面积和电容电压三个影响因素。

1.2 影响因素

线圈盘采用扁铜线绕制浇筑而成，在设计线圈盘时，其两个主要指标是线圈匝数和扁铜线的截面积。普遍认为，线圈盘绕制时，线圈的匝数越多，其产生的电磁斥力越大[5]。但是匝数越多，扁铜线的长度就越长，成本就有所增加。且线圈盘的电阻也变大大，相同容值和电压情况下，产生的脉冲电流就越小，从而使得电磁斥力变小[6]。这又与前面的结论相冲突，因此，线圈匝数和电磁斥力为一个非线性关系。

常用的扁铜线有四种规格，分别是1.2 mm ×10 mm、1.4 mm × 10 mm、1.6 mm × 10 mm，其中1.2、1.4、1.6 为扁铜线的宽度。宽度越宽，相同线圈盘直径下，线圈绕制的匝数就越少，电磁斥力就越小。但线圈盘宽度越宽，产生的脉冲电流就越大，从而使得电磁斥力变大[7]。因此，扁铜线截面积和电磁斥力也为一个非线性关系。

在相同电容容值情况下，电容电压越大，产生的电磁斥力就越大，但也非一个正常的线性关系。研究表面，在电容电压达到一定值以后，线圈盘产生的磁通量趋于饱和，电磁斥力无明显增加[8]。

2 正交试验设计

2.1 确定试验指标

正交试验是研究多因素多水平的一种设计方法，其挑选部分有代表性的水平组合进行试验，通过实验结果分析了解全面试验的情况，在做最少实验次数的情况下找出最优的水平组合，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。通过正交实验，我们可以在尽量少做实验的基础上，通过正交实验的正交表来安排实验。并且能够直观清晰的观察各个因素对实验结果的影响。另外，在进行多因素多水平分析时，通过正交实验可以获得各个因素的最佳参数组合，这样使得我们的实验更加有意义。

正交试验设计的基本步骤为：

（1）确定实验要优化的指标，清晰明白试验的目的；

（2）确定参与试验的因子数目及各个因子划分的水平数；

（3）选用适合本次实验的正交表；

（4）列出试验方案及试验结果；

（5）对正交试验所得的结果进行分析；

进行正交实验前，要求确定实验的目标，在此，把电磁斥力作为这次正交实验的目标。

2.2 确定试验因子及水平数

对目标可能产生影响的称为实验因子，一般用大写字母A，B，C，…表示。将因子分为许多个不同的水平，标记成A1，A2，…表示A 因子的第一，第二，……水平等。在试验中，将会有多个因子，每个因子有多个水平。将有多个因子、每个因子有多个水平的试验称为一个多因子多水平的正交实验[9]。

本次正交实验中，要研究的因子有三个，分别是线圈盘匝数、扁铜线截面积和电容电压。将上面三个因子各分为四个水平，即正交试验中所讲的三因子三水平的正交实验[10]。将各个因子均匀的进行水平划分，其因子水平表见表1。

表1 正交实验因素水平

2.3 选用正交表

正交表是一种标准化的表格，它是进行正交实验的不可缺少的一部分。选用正交表一般要根据因子和因子水平来选用，根据本次实验的因子和水平，我们选用L9（33）正交表。其中“L”是正交表代号；“9”是表的行数，表示实验时要进行多少次实验；“3”是各因子的水平数，即三水平；“3”是表的列数，表示此次实验要对三个因子进行分析。

3 正交试验结果分析及优化

电磁斥力正交试验采用了L9（33）正交表，将9组仿真实验所得的电磁斥力填入到表格中，结果见表2。仿真时，运动部分质量、斥力铝盘的尺寸等均保持不变。

表2 正交实验

对前面整理的正交实验表的数据进行分析，得知3 个因素因素变化与电磁斥力变化的关系，如图1所示。

图1 因素-电磁斥力变化规律

通过正交表中的方差分析，可知：

（1）各因素对翘曲量的影响

三个因素对电磁斥力的影响程度次序为A（线圈盘匝数）＞C（电容电压）＞B（扁铜线截面积）。其中对电磁斥力影响程度最大是线圈盘匝数，影响程度最小的是扁铜线截面积。

（2）最优组合方案的确定

最优方案是A3B2C3，线圈盘匝数27、扁铜线截面积1.4 × 10、电容电压1100 V。

4 最优方案的仿真分析

通过正交实验分析，可以得出3 个因子的最优组合方案，即线圈盘匝数27、扁铜线截面积1.4×10、电容电压1100 V。分析得出的最优组合经过软件分析，得出电磁斥力为129.2 kN。其分析结果如2图所示

图2 最优组合电磁斥力

通过对比优化前后电磁斥力的结果可知，优化后电磁斥力从123.2 kN 增加到129.2 kN，增加了6 kN。

由上述可知，正交实验可以帮助我们在尽量少做实验的基础上，通过优化各个因素组的组合，得到最优组合，从而得到想要的结果。

5 结论

（1）当对影响电磁斥力的多个因素进行分析时，由于每个因素对电磁斥力的影响程度不同，因此，利用正交试验，分析出每个因素对电磁斥力影响的程度大小。

（2）利用正交试验对各个影响因素组合进行分析，减少了试验次数，而且能够得出各个影响因素的最优组合，得出电磁斥力的最大值，从而减少了不必要的配置，节约了成本。