依据国家标准，GIS产品的通流能力通常以额定电流和温升值来衡量，其长期承载电流的载体为主回路导体，由于主回路导体（包含中心导体、触头）的自身电阻以及各零件之间接触电阻的存在，主回路承载电流后，即成为发热源。若长期的温升值超标，将导致产品的机械性能和电气性能显著下降，产品将产生工作故障，甚至造成严重后果[1-2]。在长期载流情况下，主回路导体温升大小与产品承载电流、回路电阻、回路导体形状和散热面积、导体周围流体的物理性质、流动速度等方面都关系密切，因此在产品设计初期，有必要对载流导体进行长期温升分析估算，避免温升过高。
然而当前研发人员在考虑GIS产品载流件长期温升时，主要是将载流导体电流密度与参考书[3]上规定的导体允许电流密度进行比较，来定性评估长期温升是否满足设计要求，这种设计方式存在下述两种问题：一是产品研发实践中，某些形状不规则的载流件，虽然其局部的电流密度大于规定值，看似不满足设计要求，但在实际温升试验中，其长期载流温升却是符合要求；二是通过载流导体电流密度来评估温升的设计方法只能定性评估温升是否满足要求，对温升的具体数值则缺乏定量的分析。尽管已有研究人员在高压电器的温升数值模拟方面做了大量工作[4-6]，但由于GIS产品载流导体有不同结构类型、不同材质，其各自的散热方式和散热环境、散热过程等方面都各有不同，如何将各种复杂环境下的散热模型进行细化分类、建立相应的数学模型以及对模型进行归类简化等都需要进一步探索。
为了进一步了解影响温升相关联的因素，为高压电器产品设计提供帮助，笔者将长期载流的GIS产品局部结构散热过程进行研究，通过散热模型分析、建立散热热阻模型并将其简化、形成数学模型等过程，实现对该长期载流结构的温升计算，为同行在高压电器产品设计上提供参考。
1 模型建立
1.1 模型分析
以GIS某产品的局部结构为例，在正常的通流过程中，其散热方式主要包括热传导、对流换热以及热辐射，其散热模型如图1所示。该结构的载流件由导电杆、触头、绝缘件中心导体等部件连接形成一个导体，由于导体自身电阻和接触电阻的存在，在长期载流情况下，产生的热量主要是通过外壳内的气体对流换热以及热辐射传递给外壳，外壳再通过热传导和对流换热[7-11]，将热量传递到周围环境中。另一部分热量通过绝缘支座传导给金属环，然后传递到周围环境中。另外，由于设计中壳体回流是必须考虑的问题。因此在建立散热模型时，外壳的通流也应该考虑。



图1 散热模型
Fig.1 Heat dissipation model
1.2 表面散热模型[14-19]
在长期载流导体的温升计算中，关键参数是散热系数，散热系数由发热体周围流体物理性质、流动情况、散热面几何形状、放置方式、流动空间大小等。由于散热系数受物体自身温度影响较小，在一定温度范围内，通流载体的表面散热系数为常数，因此壳体回流不会影响中心导体和外壳表面的散热系数。散热系数与散热热阻有着密切的关系，可用散热热阻求解散热系数，下面首先对散热热阻进行求解。
根据图1所示散热模型，将绝缘支撑两侧的触头与相应侧的中心导体归为一体，分别形成中心导体A和中心导体B，继而建立如图2所示的载流导体表面散热热阻模型，依据不同的散热方式（热对流、热传导、热辐射），散热热阻分为三种类型：
（1）对流散热热阻是指在对流换热过程中，固体壁面与流体之间的热阻。由图2可知，该结构的对流散热热阻包括：中心导体A外表面对流热阻、中心导体B外表面对流热阻、外壳A对流热阻、金属环对流热阻以及外壳B对流热阻；