基于正交試驗的快速開關設計

吳中友，王智勇，李 釗，許元震，孫 超，劉少飛

（1.常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇常州 213025；2. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

傳統的真空斷路器采用三相裝在同一柜體上，底部通過傳動軸連接，配繃簧組件，三相聯動，其市場應用較為廣泛。但隨著電力行業的發展，負荷的日益增多，對真空斷路器提出了更高、更苛刻的要求，特別對斷路器分合閘的快速性要求更高[1]。因此，對電磁斥力式開關進行研究，開發分合閘更快的斷路器成為趨勢。在同等運動部分質量的情況下，電磁斥力越大，機械開關的分合閘速度越快[2]。但影響電磁斥力的因素很多，主要有線圈盤匝數、扁銅線截面積和電容電壓。

對于這種有多種因素、每種因素有多水平的問題，一般利用正交試驗來進行分析。正交試驗的優勢在于可以通過有限的實驗次數，得到較為準確的實驗結果。相比于全面實驗，正交試驗可以減少實驗次數，降低實驗成本，提高實驗效率降低成本。同時，正交試驗還可以對實驗結果進行統計分析，確定因素之間的關系，以及最佳的組合配比。采用正交試驗方法來得出這三個影響因素對電磁斥力的影響，并得出三個影響因素的最優組合，從而使得電磁斥力最大化。

1 電磁斥力及影響因素

1.1 電磁斥力機構簡介

最近幾十年來，由于渦流斥力原理的電磁斥力機構相對于傳統的彈超機構，其結構較為簡單、分合閘速度快等優勢，已被多種機械開關應用，已經成為海內外研究的熱點[3]。目前國內思源、平高、南瑞等諸多廠家已經研究出多種電磁斥力機構的快速開關，并已應用到實際工程中，例如南瑞繼保的電磁斥力型快速開關已成功應用于張北550 kV 直流斷路器工程中。

電磁斥力機構的原理主要是利用渦流電磁感應原理，通過充電電容向線圈盤放電，形成脈沖電流，并產生脈沖磁場，從而在線圈盤和斥力鋁盤之間瞬間產生幾十乃至幾百的電磁斥力，從而帶動真空滅弧室動作，實現機械開關的分合閘運動[4]。對電磁斥力影響的因素很多，以下我們主要討論線圈盤匝數、扁銅線截面積和電容電壓三個影響因素。

1.2 影響因素

線圈盤采用扁銅線繞制澆筑而成，在設計線圈盤時，其兩個主要指標是線圈匝數和扁銅線的截面積。普遍認為，線圈盤繞制時，線圈的匝數越多，其產生的電磁斥力越大[5]。但是匝數越多，扁銅線的長度就越長，成本就有所增加。且線圈盤的電阻也變大大，相同容值和電壓情況下，產生的脈沖電流就越小，從而使得電磁斥力變小[6]。這又與前面的結論相沖突，因此，線圈匝數和電磁斥力為一個非線性關系。

常用的扁銅線有四種規格，分別是1.2 mm ×10 mm、1.4 mm × 10 mm、1.6 mm × 10 mm，其中1.2、1.4、1.6 為扁銅線的寬度。寬度越寬，相同線圈盤直徑下，線圈繞制的匝數就越少，電磁斥力就越小。但線圈盤寬度越寬，產生的脈沖電流就越大，從而使得電磁斥力變大[7]。因此，扁銅線截面積和電磁斥力也為一個非線性關系。

在相同電容容值情況下，電容電壓越大，產生的電磁斥力就越大，但也非一個正常的線性關系。研究表面，在電容電壓達到一定值以后，線圈盤產生的磁通量趨于飽和，電磁斥力無明顯增加[8]。

2 正交試驗設計

2.1 確定試驗指標

正交試驗是研究多因素多水平的一種設計方法，其挑選部分有代表性的水平組合進行試驗，通過實驗結果分析了解全面試驗的情況，在做最少實驗次數的情況下找出最優的水平組合，是一種高效率、快速、經濟的實驗設計方法。通過正交實驗，我們可以在盡量少做實驗的基礎上，通過正交實驗的正交表來安排實驗。并且能夠直觀清晰的觀察各個因素對實驗結果的影響。另外，在進行多因素多水平分析時，通過正交實驗可以獲得各個因素的最佳參數組合，這樣使得我們的實驗更加有意義。

正交試驗設計的基本步驟為：

（1）確定實驗要優化的指標，清晰明白試驗的目的；

（2）確定參與試驗的因子數目及各個因子劃分的水平數；

（3）選用適合本次實驗的正交表；

（4）列出試驗方案及試驗結果；

（5）對正交試驗所得的結果進行分析；

進行正交實驗前，要求確定實驗的目標，在此，把電磁斥力作為這次正交實驗的目標。

2.2 確定試驗因子及水平數

對目標可能產生影響的稱為實驗因子，一般用大寫字母A，B，C，…表示。將因子分為許多個不同的水平，標記成A1，A2，…表示A 因子的第一，第二，……水平等。在試驗中，將會有多個因子，每個因子有多個水平。將有多個因子、每個因子有多個水平的試驗稱為一個多因子多水平的正交實驗[9]。

本次正交實驗中，要研究的因子有三個，分別是線圈盤匝數、扁銅線截面積和電容電壓。將上面三個因子各分為四個水平，即正交試驗中所講的三因子三水平的正交實驗[10]。將各個因子均勻的進行水平劃分，其因子水平表見表1。

表1 正交實驗因素水平

2.3 選用正交表

正交表是一種標準化的表格，它是進行正交實驗的不可缺少的一部分。選用正交表一般要根據因子和因子水平來選用，根據本次實驗的因子和水平，我們選用L9（33）正交表。其中“L”是正交表代號；“9”是表的行數，表示實驗時要進行多少次實驗；“3”是各因子的水平數，即三水平；“3”是表的列數，表示此次實驗要對三個因子進行分析。

3 正交試驗結果分析及優化

電磁斥力正交試驗采用了L9（33）正交表，將9組仿真實驗所得的電磁斥力填入到表格中，結果見表2。仿真時，運動部分質量、斥力鋁盤的尺寸等均保持不變。

表2 正交實驗

對前面整理的正交實驗表的數據進行分析，得知3 個因素因素變化與電磁斥力變化的關系，如圖1所示。

圖1 因素-電磁斥力變化規律

通過正交表中的方差分析，可知：

（1）各因素對翹曲量的影響

三個因素對電磁斥力的影響程度次序為A（線圈盤匝數）＞C（電容電壓）＞B（扁銅線截面積）。其中對電磁斥力影響程度最大是線圈盤匝數，影響程度最小的是扁銅線截面積。

（2）最優組合方案的確定

最優方案是A3B2C3，線圈盤匝數27、扁銅線截面積1.4 × 10、電容電壓1100 V。

4 最優方案的仿真分析

通過正交實驗分析，可以得出3 個因子的最優組合方案，即線圈盤匝數27、扁銅線截面積1.4×10、電容電壓1100 V。分析得出的最優組合經過軟件分析，得出電磁斥力為129.2 kN。其分析結果如2圖所示

圖2 最優組合電磁斥力

通過對比優化前后電磁斥力的結果可知，優化后電磁斥力從123.2 kN 增加到129.2 kN，增加了6 kN。

由上述可知，正交實驗可以幫助我們在盡量少做實驗的基礎上，通過優化各個因素組的組合，得到最優組合，從而得到想要的結果。

5 結論

（1）當對影響電磁斥力的多個因素進行分析時，由于每個因素對電磁斥力的影響程度不同，因此，利用正交試驗，分析出每個因素對電磁斥力影響的程度大小。

（2）利用正交試驗對各個影響因素組合進行分析，減少了試驗次數，而且能夠得出各個影響因素的最優組合，得出電磁斥力的最大值，從而減少了不必要的配置，節約了成本。