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真空开关由于其众多优越性在中压领域得到了广泛应用，特别是在12kV领域。如何进一步实现电弧的有效调控进而提高真空开关的开断能力和可靠性是该领域的研究热点之一。目前，纵磁控弧技术是真空电弧常用控弧方式之一，市场上利用纵磁控弧的真空灭弧室触头结构有线圈结构和杯状纵磁结构。
在12kV等级真空灭弧室中，杯状纵磁结构有着比线圈结构更加广泛的应用，而在杯状纵磁触头结构中，触头片的变化较多，对于触头间磁场分布有着较大影响。因此研究磁场特性与触头片设计参数的关系对于提高真空灭弧室的开断性能有重要意义。
相关文献在分析过程中，往往是某一种结构变化，其他结构参数固定不变，而触头磁场分布往往是多结构参数共同影响的结果。为研究多因素变量问题，可引入正交法，其用于研究多因素变化影响效果明显，可大大减少计算量，计算结果易于统计分析，为定量分析触头片结构参数变化对磁场特性的影响提供了参考。
为提高真空灭弧室触头开断性能，大连交通大学机械工程学院、平高集团有限公司的董华军、温超阳、孙鹏、刘林林、郭方准，在2022年第21期《电工技术学报》上撰文，采用SolidWorks建立了一种新型带铁心真空灭弧室3D模型，并利用三维有限元法，对触头片的开槽长度、开槽角度、工艺孔直径以及铁心个数四个参数进行单因素及正交仿真实验。
图1 几何模型
他们选取上述四个因素作为优化对象，将电流峰值时纵向磁感应强度最大、滞后时间最小和导体电阻最低作为优化目标，得到触头参数与磁场特性的回归方程。通过对电流峰值时触头间隙中心平面纵向磁感应强度、电流过零时磁场滞后时间以及导体电阻进行多目标优化分析，使真空灭弧室磁场特性达到最好，这是以往分析单一变量所不能实现的。
研究人员表示：1）在电流峰值时刻，电弧中心平面的纵向磁感应强度随开槽角度、开槽长度和工艺孔直径增大而增大，其中开槽角度对纵向磁感应强度具有显著影响；2）电流过零时刻磁场滞后时间随开槽角度的增大而增大，随开槽长度和工艺孔直径的增大而减小。其中，开槽长度和开槽角度对磁场滞后时间的影响高度显著，工艺孔直径对其有显著影响；3）导体电阻随开槽长度和开槽角度增大而增大，随工艺孔直径和铁心个数增大而减小。其中开槽长度、开槽角度和工艺孔直径对电阻的影响高度显著，铁心个数对电阻有显著影响。
他们指出，最终的优化结果表明，当开槽长度为25mm、开槽角度为25°、工艺孔直径为15mm、铁心个数为14时，触头的磁场特性最好。如：峰值时刻纵向磁感应强度为0.207T，磁场滞后时间为0.842ms，导体电阻为3.666μΩ。
本文编自2022年第21期《电工技术学报》，论文标题为“基于正交实验新型真空灭弧室触头磁场仿真与参数优化设计”。本课题得到国家自然科学基金项目和辽宁省自然科学基金计划项目的支持。
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