中压开关设备是配电系统的重要组成部分,开关柜的过热易造成零部件的材料老化、机械强度和绝缘强度下降、工作寿命降低,对电气设备产生恶劣的影响,甚至导致电网事故的发生。本文通过数学建模和有限元分析软件计算的方法对12kV气体绝缘开关柜在稳定工况和短时过载下的三维温度场和气流场进行了数值计算与分析,然后计算了导热高分子材料及不同开关柜结构尺寸对内部载流回路温升的影响,为研究载流回路在封闭条件下的散热问题及开关柜散热优化及热设计提供了理论分析依据,对于保障GIS安全可靠运行具有重要意义。具体研究工作包括以下几个方面:1、中压开关设备的温升试验。依据中压开关柜国家温升试验标准,对载流主回路电阻进行测量,为模拟实际运行条件,对某型号开关设备进行了合理的试验布置,通过热电偶测量得出了各个关键点在稳定状态下的温升情况。2、开关柜的发热现象与热源及传热两方面有关,需要对其温度场和气流场联合求解。本文基于热传导微分方程、流体运动控制方程及辐射换热方程,建立了GIS开关柜耦合传热的数学模型,并采用湍流零方程模型和壁函数配合使用的方法处理固体与流体耦合面的对流换热问题,在保证数值计算精度下简化了计算步骤,节省了计算时间。计算中,综合考虑了SF₆气体物理参数随温度变化的特性、电流集肤效应及邻近效应、导体接触电阻等多种因素对温升的影响。3、温度场计算中综合考虑了开关柜内外对流及辐射换热效应以及流体物性随温度变化的特性,减少了因施加固定对流换热系数及物性参数设置为常数所造成的误差,最终稳态工况下数值计算结果和温升试验值较相吻合,对比温升试验数据,数值计算结果误差基本控制在3K以内。并在此基础上,指出了载流回路中B相散热条件最差,三工位隔离开关及真空断路器动静导电杆接触处温升最高、内部气体在载流回路附近循环流动,加强了散热效果;分析了开关柜三维温度场及气流场分布、从系统角度定性计算了断路器室内各零部件、开关柜壳体对流换热及热辐射在总换热中的比重,为开关柜的散热优化提供理论依据。4、以稳态工况下的数值计算结果为初始条件,数值计算了开关柜在短时过载情况下的三维温度场及气流场分布,验证了开关柜承受负荷的能力。得到了开关柜各温升测量点温升随时间变化的曲线,得出了温升不随电流瞬时变化的热惯性影响。最后,数值计算、分析了开关设备选用导热高分子材料及不同开关柜结构尺寸对载流回路温升的影响,为开关柜结构优化及热设计提供参考。