（平高集团有限公司 河南平顶山 467001）
摘要：通流结构设计是GIS母线设计的关键，它将直接影响GIS运行的稳定性，其表现形式为母线各个零部件的温升情况，因此，通流结构的优化设计是GIS母线研制成功的关键。在研发GIS过程中，对母线温升的影响因素进行了研究，包括气体压力、筒体体积和导体厚度。采用母线的模型来进行电磁场和气流场计算，研究上述的几种因素对发热的影响规律。
关键词：GIS用母线结构对温升的影响
1 母线同流结构的影响因素
本文设计母线的通流能力为8000A，所以对母线的各单元结构进行优化设计，既要满足温升的要求，又能经受短时间内巨大的热量冲击和巨大电动力的冲击。
在通流设计时，设计人员往往比较关心气压、导体尺寸、筒体直径等因素对断路器温升的影响。以往通常采用经验公式选取导体，但是该公式过于粗略，不能实现温升优化设计。因此，本文对发热的影响因素进行了研究，包括气体压力、筒体体积和导体厚度。采用母线的模型来进行电磁场和气流场计算，研究上述的几种因素对发热的影响规律。
1.1 气体压力的影响
采用GIS用母线对气体压力的影响进行分析计算。通交流电，外界环境温度20℃（293K），在其他条件不变的情况下，选取绝对压力分别为0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa和0.8MPa共八种工况进行气流场分析，计算温度场的分布，结果如图1-1所示（部分）。
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a）气压0.3MPa b）气压0.4Mpa c）气压0.5MPa abs
图1-1 SF6压力对温升的影响
汇总计算结果，可以得出SF6压力对温升影响的规律，如图1-2所示。
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图1-2 SF6压力对温升影响
从图1-2可以看出，随着SF6压力的增大，温升成下降趋势。这是因为，随着气体增多，对流增强，散热能力更强，这与我们的试验经验是一致的。同时也可以看出，当压力增大到0.6MPa（表压0.5MPa）以上时，随着压力的继续上升，温升虽然仍然下降，但是下降的效果已经减弱了很多。
1.2 筒体体积的影响
针对工程设计比较关心的气体体积对温升的影响，本问也进行了研究。在0.5MPa压力下，环境温度20℃，让筒体直径从f300变化到f650，采用气流场的方法分析了筒体体积对温升的影响规律。计算结果如图1-3所示（部分）。改变筒体外径，内径和导电杆尺寸不变。
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a）外径300mm b）外径400mm c）外径500mm
图1-3筒体体积对温升的影响
汇总图1-3的结果，可以得出筒体体积对温升影响的规律如图1-4所示。从图中看出，随着筒体体积的增大，导电杆温升呈下降趋势。筒体外径增大，温升从45.2℃降到29.8℃，下降了34.1%。这是因为筒体外径增大增大了散热面积的原因。同时也可以看出，筒体直径增大到一定程度后，筒体直径的变化对温升的影响较小，这有利于筒体小型化设计的实施。
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图1-4筒体体积对温升的影响曲线
1.3 导电杆厚度的影响
导电杆厚度对发热的影响也是设计人员比较关心的一个问题，本文针对这一问题进行了研究。由于气体、导电杆外径、筒体尺寸等因素不变，导电杆的散热条件不变，根据传热学理论，此时导电杆的温升与其发热功率呈正比，因此，只需要研究导电杆厚度对发热功率的影响，就可以将其换算成对温升的影响。
导电杆外径不变，让其厚度从10mm增加到55mm。计算得到的电流密度分布如图1-5所示（部分）。
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a）厚度10mm b）厚度20mm c）厚度30mm
图1-5 导体厚度对温升的影响
不同厚度时，导体发热功率变化曲线如图1-6所示。
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图1-6 导体厚度对发热功率的影响
根据牛顿冷却公式，发热功率和温升值成正比，其趋势一致。从图1-6示，当导电杆厚度从10mm增加大55mm时，导电杆的温升先迅速下降，然后再缓慢上升，最后趋于稳定。可以看出，存在一个最合理的厚度，此时导电杆发热功率最小温升最小。也就是说，导电杆厚度变大反而会出现发热功率略微增高的情况，在设计导电杆厚度时，应该通过计算选取对温升最有利的截面尺寸。
2小结
根据分析研究，可以得出以下几种温度场的优化方案：（1）气体压力和筒体体积的增大对于温升的降低有利，但需在安全性、经济性及小型化的基础上合理考虑；（2）由于集肤效应的影响，导体厚度存在着最佳尺寸，设计时应尽可能选取最佳导体厚度。
参考文献：
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作者简介：
谢世超（1991—），男，工学硕士，毕业于华北水利水电大学。现工作于平高集团有限公司技术中心，工程师，主要从事高压电器的设计与研发工作。