随着我国经济的不断发展,电网输配电系统的建设规模越来越大,线路电压等级越来越高。作为输配电系统中控制电流开断的关键设备,真空开关的绝缘强度决定了输电线路的电压等级,对电能的输送效率和安全可靠性具有重要影响。而真空灭弧室作为真空开关的核心组成部分,直接决定了开关的绝缘强度和电压等级,因此,研究真空灭弧室的结构优化方法、提高灭弧室耐压性能,对于研发高电压等级真空开关、保证电网安全可靠运行具有重要意义。本文以ZW32-12型真空开关为基础,建立12k V真空灭弧室的三维仿真模型以及杯状纵磁触头的三维仿真模型,采用COMSOL仿真软件对12 k V真空灭弧室进行了电磁场有限元仿真分析,并采用正交试验方法对灭弧室的电场和磁场特性进行优化设计,经过结构优化,提高了ZW32-12型真空开关的耐压强度。首先,利用COMSOL有限元软件研究均压屏蔽罩、主屏蔽罩以及触头开距对真空灭弧室电场、电位分布的影响。结果表明,主屏蔽罩端部、动静触头端部和主屏蔽罩与触头之间的区域是场强集中处;主屏蔽罩结构参数的最优值分别为:卷边半径4mm、卷边角度90°、坡度15°、主屏蔽罩半径50 mm、总长度110 mm;触头边缘圆倒角半径最优值为3 mm。其次,对触头圆倒角、触头开距、主屏蔽罩半径、主屏蔽罩卷边半径、主屏蔽罩卷边角度和主屏蔽罩坡度这6个灭弧室主要设计参数进行了正交试验设计和线性回归分析。通过真空灭弧室结构参数与电场特性之间的线性回归方程,得到了影响灭弧室电场特性的显著因素。经过多目标设计和优化,得出了真空灭弧室最佳电场特性结构设计参数,当触头圆倒角、触头开距、主屏蔽罩半径都取上水平,主屏蔽罩卷边半径和主屏蔽罩坡度都取下水平时,电场特性最佳。最后,在动、静触头表面以及触头间隙中心处,利用COMSOL有限元软件对电流过零和电流峰值时的瞬态磁场进行了仿真分析。对触头片开槽偏角、触头片开槽长度、触头片开槽数、铁芯个数、工艺孔直径和工艺孔深度这6个触头设计参数进行正交试验设计和线性回归分析。通过杯状纵磁触头结构参数与磁场特性之间的线性回归方程,得到了影响触头磁场特性的显著因素。经过多目标设计和优化,得出了杯状纵磁触头最佳磁场特性结构设计参数,当触头片开槽数和铁芯个数都取上水平,触头片开槽偏角和触头片开槽长度都取下水平时,磁场特性最佳。经过上述研究,对12 k V真空灭弧室的电场和磁场特性优化设计有效提高了ZW32-12型真空开关的耐压强度,对于输配电系统的安全可靠运行具有重要意义。