智能电能表负荷开关包括内置负荷开关和外置负荷开关,是实现低压用户远程电费控制的关键部件。电能表负荷开关工作环境复杂,温湿度大、空间狭窄。由电能表负荷开关质量问题引起的失效约占智能电能表失效的50%左右,电能表负荷开关失效会导致触电、火灾和爆炸等安全事故,造成人身伤害和重大经济损失。因此,分析电能表负荷开关各类故障原因,研究其在生命周期内受到的各种因素导致的各种失效机理,优化电能表负荷开关设计,确保其安全稳定运行,近年来逐渐成为国内外研究的重点。本文依托国家电网公司重点科技项目,开展了智能电能表负荷开关建模与优化设计方法理论与技术研究。对电能表内置负荷开关的静态吸反力模型、静动态特性快速计算方法等内容进行了理论分析、方法设计和实验验证。针对筛选出的内置负荷开关关键参数,建立了基于双响应面的质量特性优化模型,得出了最优参数组合,提高了内置负荷开关综合性能。改进了外置负荷开关的灭弧系统,研发了控制及反馈单元,设计实现了高可靠性新型外置负荷开关,并进行了实验验证。本文的主要研究工作和创新之处主要包括:(1)为提升智能电能表内置负荷开关的质量特性,建立了考虑漏磁的内置负荷开关等效磁路模型和基于变形能法的触簧系统静态反力模型,给出了静态吸反力特性快速计算方法,实现了内置负荷开关静态吸反力特性的快速计算,通过ANSYS、ADMAS软件的吸反力静态仿真,验证了吸反力快速计算模型的正确性和准确性。针对电能表内置负荷开关的动态特性,给出了基于静态吸反力数据的内置负荷开关动态分析模型和动态特性计算分析方法,仿真结果表明,动态特性分析模型可正确反映在动态情况下衔铁行程与衔铁角速度和衔铁加速度等动态特性的变换情况。(2)运用内置负荷开关静动态建模与快速计算方法,分析得到电能表内置负荷开关关键设计参数。针对电能表内置负荷开关需提升的关键指标及性能,给出了基于虚拟样本的质量特性优化目标、优化方法及优化步骤。建立了电磁吸力与簧片反力的质量特性双响应面模型,利用双响应面模型进行电磁系统、触簧系统关键参数的拟合设计,在优化边界参数范围内,对输入参数采用双响应面质量特性优化模型进行优化,得到最优参数组合。优化分析结果表明,该优化设计有效提升了产品的电寿命、抗短路电流能力、抗电磁干扰能力等性能指标。(3)针对电能表外置负荷开关故障频发,灭弧能力严重不足的问题,开展了灭弧失效分析及性能优化研究。在分析外置负荷开关灭弧失效机理的基础上,建立了外置负荷开关失效仿真模型。在对仿真结果分析的基础上,从灭弧栅、上引弧片和下引弧片的结构、材料设计入手,给出了提高外置负荷开关灭弧性能的综合优化设计方法,建立了外置负荷开关电气及短路可靠性实验模型。实验结果表明,该综合优化设计方法可明显提升外置负荷开关的灭弧性能和分断能力,减少外置负荷开关的燃弧时间和分断时间,有效提高了外置负荷开关的可靠性、安全性和稳定性,有效解决了外置负荷开关灭弧失效的难题。(4)针对电能表外置负荷开关不能远程分合闸及准确反馈分合状态的难题,设计了一种智能外置负荷开关控制及状态反馈单元。给出了控制及反馈单元的整体设计方案和设计原理,研究并实现了系统低功耗MCU设计、低功耗电源设计、直流电机状态监测设计、欠费分闸控制设计、付费合闸控制设计、电机传动机构设计、电机控制流程设计等关键技术。给出了控制单元性能验证实验方案,实验结果表明,该控制单元的设计方案能实现各种不同状况下的分合闸控制和状态反馈,满足标准要求。