变压器是变电的关键环节,在电网中是不可或缺的部分,变压器的稳定运行对于保证电网的安全具有重大意义。有载分接开关作为有载调压变压器中唯一可动部件,可实现电压的平滑调节,在电网中占有重要位置。随着有载分接开关的广泛使用,由于分接开关设备故障问题而引起电力事故时有发生,严重影响了供电质量与电力系统的稳定性,带来了巨大的经济损失。因此,研究有载分接开关故障机理与优化设计具有重要意义。本文首次提出了有载分接开关虚拟样机搭建与多维度优化设计方法,并搭建了有载分接开关振动检测平台对模型和数据进行了校验。主要工作如下:(1)广泛调研了国内外有载分接开关故障类型与数据,分析了有载分接开关电气和机械动作配合原理,并在此基础上对有载分接开关故障数据进行了归纳与总结,得到了有载分接开关的典型故障类型,以及典型故障特征与故障机理。(2)本文利用虚拟样机技术,并结合数学约束方程,首次提出了有载分接开关虚拟样机的混合建模方法,依据此方法搭建了有载分接开关虚拟样机模型,详细介绍了分接开关内部机械机构与原理。结果表明,在保证虚拟样机搭建正确有效的前提下,采用混合建模方法能够大大减少有载分接开关建模工作量,提高建模效率,缩短研发周期。(3)为提取分接开关振动信号,在有载分接开关虚拟样机的基础上搭建了有限元子模型,结合基本动力学方程,并利用微暂态求解方法与罚函数法接触控制实现了瞬态振动信号的高频率采集。搭建了有载分接开关振动检测试验平台,采集了典型故障振动信号,利用变分模态分解的方法将试验与仿真振动信号进行了对比。结果表明,试验与仿真振动信号具有很好的吻合度,证明了本文提出的样机搭建与高频信号采集方法的正确性,为有载分接开关的故障诊断与识别提供了新的解决方案。(4)基于有载分接开关虚拟样机研究成果,提出了一种有载分接开关多维度优化设计方法。采用快捷易懂的模块设计形式,提出了四模块优化设计步骤——目标模块、样机关联模块、数值计算模块、优化设计模块,同时根据有载分接开关自身结构属性与特点,介绍了不同模块内部的计算与分析方法。基于有载分接开关机械疲劳优化实例,对多维度优化设计方法进行了验证。结果表明,本文提出的多维度优化设计方法能够满足不同优化类型的设计要求,实现了最佳设计方案的快速抓取,对于提高系统整体的稳定性具有重要意义。