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气体绝缘全封闭组合电器(Gas-Insulated Switchgear, GIS)自上世纪60年代实用化以来，以其节约用地和高运行可靠性的突出优势广泛应用于输变电领域。气体绝缘母线(Gas-Insulated BusBars, GIB)是GIS实现电能传输的关键组件，温升是GIB设计和运行中的需要考虑的重要性能指标，特别是运行过程中由于插接式触头接触不良引起的局部过热能够造成GIB设备载流量下降，严重引发触点局部熔化并导致绝缘击穿故障，危及设备和电力系统的安全运行。因此，准确分析GIB设备的温升特性，能够为设备的设计制造和运行维护提供重要的技术和方法支持。
为研究触头不同接触工况和运行条件下GIB设备的温升特性，本文基于传热学理论、有限元数值计算和热电类比原理，建立了考虑触头结构的GIB间隔空间热网络模型，通过原型物理模拟试验验证了所建立模型的有效性，基于该模型分析了不同条件下GIB设备的温升特性，论文的主要研究内容如下：
1)为准确建立考虑触头结构的GIB间隔空间热网络模型，本文在分析GIB触头结构和装配工况的基础上，利用圆盘接触的单热流通道模型(CMY模型)计算了触指与导电杆、基座之间的接触热阻。在对GIB间隔内部传热方式分析的基础上，提出将导电杆、触指、接触电阻、外壳、基座等部件的发热等效为热源元件，将部件自身受热升温、部件与周围物体的对流换热、辐射换热分别等效为热容及热阻元件，在此基础上基于热电类比原理，建立了考虑触头结构的GIB间隔空间热网络模型；
2)为求解不同条件下GIB间隔各部件的热源元件参数，本文建立了GIB间隔三维涡流场有限元模型。采用导电桥(一段横截面极小、电阻率可变的导体)来模拟触指与导电杆、基座之间的接触电阻，利用自适应化网格剖分方式对包含外部空气、内部绝缘气体以及各导体的求解域进行网格划分，通过A，φ-A法计算了气体绝缘母线内部涡流场分布，基于有限元理论计算了不同电流作用下，气体绝缘母线各部分组件的热量损耗。计算结果表明，电流密度线在触指与导电杆、基座接触区域存在明显的收缩效应，在接触区域产生的集中热源，由于各触指与导电杆及基座接触电阻的近似均匀分布，16片触指及接触点区域的损耗分布近似相同。不同电流作用下触指与导电桥的电流损耗占整体损耗的75%以上；
3)为求解考虑触头结构的GIB间隔热网络模型中各热阻、热容等参数，本文基于流体-温度场耦合有限元数值建模，将GIB间隔各部件的损耗作为热载荷导入模型中实现涡流-流场-温度场的耦合计算。分析了GIB间隔内部各部件表面的对流换热特性，提取了对流换热参数的数值计算结果，并通过后处理得到各部件流-固耦合表面的对流换热热阻特性，并通过试验验证了对流换热热阻参数的有效性；
4)为验证所建立GIB空间热网络模型的有效性，搭建了GIS原型物理模拟试验平台，开展了在环境温度27℃，不同测试电流下GIB的温升特性试验，将GIB触指及外壳温度的试验结果与空间热网络模型和数值计算结果进行对比分析，结果表明：在不同测试电流作用下，气体绝缘母线外壳及触指温度热网络模型计算值与实测值之间误差最大为9.5%，最小为0.2%，验证了所建立GIB空间热网络模型的有效性。与数值法相比热网络法的计算速度约为多场耦合数值计算法的34倍，因而更适合于产品设计制造和运行维护过程中对GIB的温升特性进行快速评估。
本文研究课题来源于国家自然科学基金项目“气体绝缘母线触头多元动态退化机理与失效预测方法的研究”(51607124)，通过建立了考虑触头结构的GIB空间热网络模型，该模型能够快速评估气体绝缘母线设备外壳及触指温度，为气体绝缘母线设备的热设计和温升状态监测提供了一种有效的分析方法。对保障设备和电力系统安全稳定运行具有重要意义。
为研究触头不同接触工况和运行条件下GIB设备的温升特性，本文基于传热学理论、有限元数值计算和热电类比原理，建立了考虑触头结构的GIB间隔空间热网络模型，通过原型物理模拟试验验证了所建立模型的有效性，基于该模型分析了不同条件下GIB设备的温升特性，论文的主要研究内容如下：
1)为准确建立考虑触头结构的GIB间隔空间热网络模型，本文在分析GIB触头结构和装配工况的基础上，利用圆盘接触的单热流通道模型(CMY模型)计算了触指与导电杆、基座之间的接触热阻。在对GIB间隔内部传热方式分析的基础上，提出将导电杆、触指、接触电阻、外壳、基座等部件的发热等效为热源元件，将部件自身受热升温、部件与周围物体的对流换热、辐射换热分别等效为热容及热阻元件，在此基础上基于热电类比原理，建立了考虑触头结构的GIB间隔空间热网络模型；
2)为求解不同条件下GIB间隔各部件的热源元件参数，本文建立了GIB间隔三维涡流场有限元模型。采用导电桥(一段横截面极小、电阻率可变的导体)来模拟触指与导电杆、基座之间的接触电阻，利用自适应化网格剖分方式对包含外部空气、内部绝缘气体以及各导体的求解域进行网格划分，通过A，φ-A法计算了气体绝缘母线内部涡流场分布，基于有限元理论计算了不同电流作用下，气体绝缘母线各部分组件的热量损耗。计算结果表明，电流密度线在触指与导电杆、基座接触区域存在明显的收缩效应，在接触区域产生的集中热源，由于各触指与导电杆及基座接触电阻的近似均匀分布，16片触指及接触点区域的损耗分布近似相同。不同电流作用下触指与导电桥的电流损耗占整体损耗的75%以上；
3)为求解考虑触头结构的GIB间隔热网络模型中各热阻、热容等参数，本文基于流体-温度场耦合有限元数值建模，将GIB间隔各部件的损耗作为热载荷导入模型中实现涡流-流场-温度场的耦合计算。分析了GIB间隔内部各部件表面的对流换热特性，提取了对流换热参数的数值计算结果，并通过后处理得到各部件流-固耦合表面的对流换热热阻特性，并通过试验验证了对流换热热阻参数的有效性；
4)为验证所建立GIB空间热网络模型的有效性，搭建了GIS原型物理模拟试验平台，开展了在环境温度27℃，不同测试电流下GIB的温升特性试验，将GIB触指及外壳温度的试验结果与空间热网络模型和数值计算结果进行对比分析，结果表明：在不同测试电流作用下，气体绝缘母线外壳及触指温度热网络模型计算值与实测值之间误差最大为9.5%，最小为0.2%，验证了所建立GIB空间热网络模型的有效性。与数值法相比热网络法的计算速度约为多场耦合数值计算法的34倍，因而更适合于产品设计制造和运行维护过程中对GIB的温升特性进行快速评估。
本文研究课题来源于国家自然科学基金项目“气体绝缘母线触头多元动态退化机理与失效预测方法的研究”(51607124)，通过建立了考虑触头结构的GIB空间热网络模型，该模型能够快速评估气体绝缘母线设备外壳及触指温度，为气体绝缘母线设备的热设计和温升状态监测提供了一种有效的分析方法。对保障设备和电力系统安全稳定运行具有重要意义。