随着全球能源互联网的发展,电气设备的容量不断增大,以空气绝缘为主的交流金属封闭开关设备广泛应用于电力系统中。12kV开关柜在电力系统输配及电能转换过程中起着开合、控制和保护的重要作用,是配电系统的核心设备。为了满足市场对12kV开关柜在大容量、高可靠性以及智能化等方面的要求,电气设备的容量不断增大,智能化程度越来越高,这也对大电流开关柜的温升和绝缘性能提出了更高的要求。本文对开关柜在强迫风冷条件下的温升和绝缘性能进行研究,主要工作如下:首先,通过三维建模软件对12kV/3150A开关柜实体模型进行建模,然后根据有限元仿真软件对模型的要求进行简化;充分考虑集肤效应、邻近效应和电接触等因素对载流回路零件体积热的影响,计算出各个载流回路零件的体积热,作为有限元分析计算时的热源。其次,利用有限元分析法对开关柜在强迫风冷条件下进行了流热场仿真与计算,分析了强迫风冷条件下的温升分布和气流场分布,并在此基础上分析了开关柜的绝缘性能。首先仿真分析了开关柜在强迫抽风条件下的温升和气流场分布情况,强迫抽风条件下分别仿真分析了各隔室两个轴流风机进行抽风和各隔室三个轴流风机进行抽风的两种情况。计算结果表明,开关柜在强迫抽风条件下,开关柜散热情况较好,并且随着风量的增大,散热效果越来越好,在每个隔室三个轴流风机强迫抽风条件下,开关柜温升达到国标温升限值要求,并采用温升试验进行验证;通过分析强迫抽风条件下的气流场分布并基于巴申定律研究了开关柜的绝缘性能,得出开关柜在强迫抽风条件下绝缘性能有所降低。然后仿真分析了开关柜在断路器室和电缆室分别采用横流风机鼓风条件下的温升分布和气流场分布,并采用温升试验进行验证。研究结果表明,开关柜在鼓风条件下散热情况较好,开关柜温升符合国标温升限值要求;通过分析强迫鼓风条件下的气流场分布并基于巴申定律研究了开关柜的绝缘性能,得出开关柜在强迫鼓风条件下绝缘性能有所增强。然后,仿真分析了开关柜分别在强迫抽风和鼓风条件下纯气流场的分布情况,并与载流情况下气流场的分布进行对比,对比结果表明,载流回路本身引起的气流场分布在强迫风冷条件下对开关柜总的气流场分布影响很小,为进行强迫风冷条件下开关柜绝缘特性试验时,开关柜不通电流提供了理论依据;通过强迫抽风与鼓风条件下流热场分布和绝缘性能的对比,确定以强迫鼓风作为本课题强迫风冷的方式。对开关柜母线室进行电场仿真,最大场强为27.296kV/cm,有一定的绝缘裕度,分析得出开关柜不会由于强迫风冷导致绝缘故障。针对开关柜在强迫风冷条件下绝缘性能负向性分析可知,针对本课题而言,采用鼓风时的绝缘性能高于抽风时的绝缘性能,也对应了上述结论。最后,在强迫鼓风条件下对开关柜进行流热场优化设计,并采用温升试验进行验证。首先为了降低开关柜成本,仿真分析了开关柜断路器室采用横流风机鼓风和电缆室采用轴流风机鼓风的情况,并采用温升试验进行验证,同时与断路器室和电缆室均采用横流风机鼓风的情况进行对比。研究表明,电缆室横流风机更换为轴流风机鼓风后,母线室A、B两相母线搭接处温升超出国标温升限值要求;然后通过改变气流场分布仿真分析了电缆室加挡板的情况,效果不佳;其次优化改进了母线室下部隔板通孔的面积,分析表明母线室温升下降10K左右,散热能力得到改善,并通过温升试验进行验证;最后优化改进了母线室前隔板的结构,并采用温升试验进行验证。结果表明,母线室A、B两相母线搭接处温升下降6K左右,开关柜温升符合国标温升限值要求,达到降低成本的目的。