基于正交試驗(yàn)的快速開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

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(dòng)化設(shè)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(tǒng)的真空斷路器采用三相裝在同一柜體上，底部通過(guò)傳動(dòng)軸連接，配繃簧組件，三相聯(lián)動(dòng)，其市場(chǎng)應(yīng)用較為廣泛。但隨著電力行業(yè)的發(fā)展，負(fù)荷的日益增多，對(duì)真空斷路器提出了更高、更苛刻的要求，特別對(duì)斷路器分合閘的快速性要求更高[1]。因此，對(duì)電磁斥力式開(kāi)關(guān)進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)分合閘更快的斷路器成為趨勢(shì)。在同等運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量的情況下，電磁斥力越大，機(jī)械開(kāi)關(guān)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(pán)匝數(shù)、扁銅線截面積和電容電壓。

對(duì)于這種有多種因素、每種因素有多水平的問(wèn)題，一般利用正交試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行分析。正交試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)在于可以通過(guò)有限的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，得到較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。相比于全面實(shí)驗(yàn)，正交試驗(yàn)可以減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，降低實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)效率降低成本。同時(shí)，正交試驗(yàn)還可以對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定因素之間的關(guān)系，以及最佳的組合配比。采用正交試驗(yàn)方法來(lái)得出這三個(gè)影響因素對(duì)電磁斥力的影響，并得出三個(gè)影響因素的最優(yōu)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(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

最近幾十年來(lái)，由于渦流斥力原理的電磁斥力機(jī)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)的彈超機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、分合閘速度快等優(yōu)勢(shì)，已被多種機(jī)械開(kāi)關(guān)應(yīng)用，已經(jīng)成為海內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[3]。目前國(guó)內(nèi)思源、平高、南瑞等諸多廠家已經(jīng)研究出多種電磁斥力機(jī)構(gòu)的快速開(kāi)關(guān)，并已應(yīng)用到實(shí)際工程中，例如南瑞繼保的電磁斥力型快速開(kāi)關(guān)已成功應(yīng)用于張北550 kV 直流斷路器工程中。

電磁斥力機(jī)構(gòu)的原理主要是利用渦流電磁感應(yīng)原理，通過(guò)充電電容向線圈盤(pán)放電，形成脈沖電流，并產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)，從而在線圈盤(pán)和斥力鋁盤(pán)之間瞬間產(chǎn)生幾十乃至幾百的電磁斥力，從而帶動(dòng)真空滅弧室動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械開(kāi)關(guān)的分合閘運(yùn)動(dòng)[4]。對(duì)電磁斥力影響的因素很多，以下我們主要討論線圈盤(pán)匝數(shù)、扁銅線截面積和電容電壓三個(gè)影響因素。

1.2 影響因素

線圈盤(pán)采用扁銅線繞制澆筑而成，在設(shè)計(jì)線圈盤(pán)時(shí)，其兩個(gè)主要指標(biāo)是線圈匝數(shù)和扁銅線的截面積。普遍認(rèn)為，線圈盤(pán)繞制時(shí)，線圈的匝數(shù)越多，其產(chǎn)生的電磁斥力越大[5]。但是匝數(shù)越多，扁銅線的長(zhǎng)度就越長(zhǎng)，成本就有所增加。且線圈盤(pán)的電阻也變大大，相同容值和電壓情況下，產(chǎn)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(jié)論相沖突，因此，線圈匝數(shù)和電磁斥力為一個(gè)非線性關(guān)系。

常用的扁銅線有四種規(guī)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(pán)直徑下，線圈繞制的匝數(shù)就越少，電磁斥力就越小。但線圈盤(pán)寬度越寬，產(chǎn)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(gè)非線性關(guān)系。

在相同電容容值情況下，電容電壓越大，產(chǎn)生的電磁斥力就越大，但也非一個(gè)正常的線性關(guān)系。研究表面，在電容電壓達(dá)到一定值以后，線圈盤(pán)產(chǎn)生的磁通量趨于飽和，電磁斥力無(wú)明顯增加[8]。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 確定試驗(yàn)指標(biāo)

正交試驗(yàn)是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法，其挑選部分有代表性的水平組合進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了解全面試驗(yàn)的情況，在做最少實(shí)驗(yàn)次數(shù)的情況下找出最優(yōu)的水平組合，是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，我們可以在盡量少做實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)的正交表來(lái)安排實(shí)驗(yàn)。并且能夠直觀清晰的觀察各個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。另外，在進(jìn)行多因素多水平分析時(shí)，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)可以獲得各個(gè)因素的最佳參數(shù)組合，這樣使得我們的實(shí)驗(yàn)更加有意義。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本步驟為：

（1）確定實(shí)驗(yàn)要優(yōu)化的指標(biāo)，清晰明白試驗(yàn)的目的；

（2）確定參與試驗(yàn)的因子數(shù)目及各個(gè)因子劃分的水平數(shù)；

（3）選用適合本次實(shí)驗(yàn)的正交表；

（4）列出試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果；

（5）對(duì)正交試驗(yàn)所得的結(jié)果進(jìn)行分析；

進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)前，要求確定實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)，在此，把電磁斥力作為這次正交實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)。

2.2 確定試驗(yàn)因子及水平數(shù)

對(duì)目標(biāo)可能產(chǎn)生影響的稱(chēng)為實(shí)驗(yàn)因子，一般用大寫(xiě)字母A，B，C，…表示。將因子分為許多個(gè)不同的水平，標(biāo)記成A1，A2，…表示A 因子的第一，第二，……水平等。在試驗(yàn)中，將會(huì)有多個(gè)因子，每個(gè)因子有多個(gè)水平。將有多個(gè)因子、每個(gè)因子有多個(gè)水平的試驗(yàn)稱(chēng)為一個(gè)多因子多水平的正交實(shí)驗(yàn)[9]。

本次正交實(shí)驗(yàn)中，要研究的因子有三個(gè)，分別是線圈盤(pán)匝數(shù)、扁銅線截面積和電容電壓。將上面三個(gè)因子各分為四個(gè)水平，即正交試驗(yàn)中所講的三因子三水平的正交實(shí)驗(yàn)[10]。將各個(gè)因子均勻的進(jìn)行水平劃分，其因子水平表見(jiàn)表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平

2.3 選用正交表

正交表是一種標(biāo)準(zhǔn)化的表格，它是進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)的不可缺少的一部分。選用正交表一般要根據(jù)因子和因子水平來(lái)選用，根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)的因子和水平，我們選用L9（33）正交表。其中“L”是正交表代號(hào)；“9”是表的行數(shù)，表示實(shí)驗(yàn)時(shí)要進(jìn)行多少次實(shí)驗(yàn)；“3”是各因子的水平數(shù)，即三水平；“3”是表的列數(shù)，表示此次實(shí)驗(yàn)要對(duì)三個(gè)因子進(jìn)行分析。

3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析及優(yōu)化

電磁斥力正交試驗(yàn)采用了L9（33）正交表，將9組仿真實(shí)驗(yàn)所得的電磁斥力填入到表格中，結(jié)果見(jiàn)表2。仿真時(shí)，運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量、斥力鋁盤(pán)的尺寸等均保持不變。

表2 正交實(shí)驗(yàn)

對(duì)前面整理的正交實(shí)驗(yàn)表的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得知3 個(gè)因素因素變化與電磁斥力變化的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 因素-電磁斥力變化規(guī)律

通過(guò)正交表中的方差分析，可知：

（1）各因素對(duì)翹曲量的影響

三個(gè)因素對(duì)電磁斥力的影響程度次序?yàn)锳（線圈盤(pán)匝數(shù)）＞C（電容電壓）＞B（扁銅線截面積）。其中對(duì)電磁斥力影響程度最大是線圈盤(pán)匝數(shù)，影響程度最小的是扁銅線截面積。

（2）最優(yōu)組合方案的確定

最優(yōu)方案是A3B2C3，線圈盤(pán)匝數(shù)27、扁銅線截面積1.4 × 10、電容電壓1100 V。

4 最優(yōu)方案的仿真分析

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)分析，可以得出3 個(gè)因子的最優(yōu)組合方案，即線圈盤(pán)匝數(shù)27、扁銅線截面積1.4×10、電容電壓1100 V。分析得出的最優(yōu)組合經(jīng)過(guò)軟件分析，得出電磁斥力為129.2 kN。其分析結(jié)果如2圖所示

圖2 最優(yōu)組合電磁斥力

通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后電磁斥力的結(jié)果可知，優(yōu)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(shí)驗(yàn)可以幫助我們?cè)诒M量少做實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化各個(gè)因素組的組合，得到最優(yōu)組合，從而得到想要的結(jié)果。

5 結(jié)論

（1）當(dāng)對(duì)影響電磁斥力的多個(gè)因素進(jìn)行分析時(shí)，由于每個(gè)因素對(duì)電磁斥力的影響程度不同，因此，利用正交試驗(yàn)，分析出每個(gè)因素對(duì)電磁斥力影響的程度大小。

（2）利用正交試驗(yàn)對(duì)各個(gè)影響因素組合進(jìn)行分析，減少了試驗(yàn)次數(shù)，而且能夠得出各個(gè)影響因素的最優(yōu)組合，得出電磁斥力的最大值，從而減少了不必要的配置，節(jié)約了成本。