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机械式直流真空断路器是直流系统中不可缺少的控制与保护电器设备,其具有绝缘与开断能力强、介质环境友好、服役期间免维护等优点,是直流配用电系统的安全卫士。因直流电无自然过零点,人工换流回路拓扑结构和参数群组设计是直流开断与弧后介质恢复的关键。本文在基于非支配排序的粒子群优化算法(NSPSO)的多目标优化算法分析基础上,结合非支配排序遗传算法(NSGA)与非支配排序遗传算法2(NSGA2)中非支配排序方法的优点,提出改进NSPSO算法和自编程实现。基于改进NSPSO算法,以400V/20k A低压大电流机械式直流真空断路器为研究对象,以其换流回路参数群组为优化变量,以换流电容值与换流电容预充电电压尽可能同时达到最小为优化目标,并将直流真空断路器弧后鞘层发展与暂态恢复电压的竞争关系作为多目标多变量优化的约束条件,实现了400V/20k A低压大电流机械式直流真空断路器换流回路多目标多参数优化设计;并基于Simulink分析平台,实现了优化后换流回路拓扑线路的仿真模拟与分析。基于Solid Works三维建模软件、COMSOL有限元仿真软件以及MATLAB数学分析软件的联合仿真与模拟,采用改进NSPSO算法,以400V/20k A低压大电流机械式直流真空灭弧室内部绝缘结构关键部位几何结构参数为优化变量,以真空灭弧室内部触头区域及屏蔽罩区域的电场强度最大值与平均值尽可能同时最小为优化目标,实现了基于灭弧室三维电场分析的绝缘结构优化设计;并基于优化结构电场数值模拟结果,对于灭弧室内部关键部件沿面电场强度分布进行了对比分析和可视化表征。