戶外電力機(jī)柜散熱和防塵防水結(jié)構(gòu)分析

摘 要：對(duì)于戶外電力機(jī)柜而言，如單獨(dú)考慮散熱、防塵、防水其中一項(xiàng)或兩項(xiàng)都是比較好實(shí)現(xiàn)的。但是對(duì)于采用強(qiáng)制風(fēng)冷的戶外機(jī)柜而言，需要同時(shí)要滿足散熱、防塵和防水的要求則相對(duì)比較難以實(shí)現(xiàn)。本文將通過(guò)幾種典型的散熱結(jié)構(gòu)方式研究，總結(jié)出一種防塵防水結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、散熱效果好的戶外機(jī)柜結(jié)構(gòu)形式。

關(guān)鍵詞：戶外機(jī)柜；散熱；防塵；防水

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.185

0 引言

隨著電力行業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的電氣機(jī)柜要求能夠直接在戶外使用。由于在戶外使用環(huán)境下，機(jī)柜面對(duì)的環(huán)境相當(dāng)惡劣，這也對(duì)機(jī)柜的散熱和防塵防水提出了很高的要求。

目前戶外電力機(jī)柜產(chǎn)品故障很重要的一個(gè)原因就是散熱、防塵防水失效導(dǎo)致的。[1]據(jù)統(tǒng)計(jì)：電子設(shè)備的失效原因中有55%是由于溫度過(guò)高引起的；對(duì)電力電子產(chǎn)品而言，工作溫度每升高10℃，器件的失效會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí) 。

目前常用的散熱方式有自然散熱、液冷、換熱器、空調(diào)、強(qiáng)制風(fēng)冷等幾種方案。以上幾種方案適用場(chǎng)景各有不同。由于風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷具有能夠適用于功耗較大的電力設(shè)備，安裝維護(hù)方便，成本低的優(yōu)點(diǎn)，所以本文主要針對(duì)采用風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷這種戶外電力機(jī)柜。

戶外機(jī)柜的防護(hù)等級(jí)一般都要求達(dá)到“IP54”或以上，根據(jù)《GB 4208—2008外殼防護(hù)等級(jí)》的要求，機(jī)柜需達(dá)到防塵和防噴水。

對(duì)戶外電力機(jī)柜而言，散熱和防塵防水都是必須要同時(shí)去綜合考量的。由于強(qiáng)制風(fēng)冷和防塵防水本身就相互矛盾，所以在設(shè)計(jì)中常常很難找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)幾種典型的戶外機(jī)柜散熱和防護(hù)結(jié)構(gòu)的分析，總結(jié)出一種防塵防水結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，散熱效果好的戶外機(jī)柜結(jié)構(gòu)形式。

1 典型戶外機(jī)柜散熱和防塵防水結(jié)構(gòu)介紹

目前大部分戶外機(jī)柜都采用“下進(jìn)風(fēng)，上出風(fēng)”散熱方式設(shè)計(jì)。即進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)在機(jī)柜的底部或者下部，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)布置在機(jī)柜頂部或上部位置。

此類機(jī)柜防水結(jié)構(gòu)為進(jìn)風(fēng)口在機(jī)柜底部和門板下部。進(jìn)風(fēng)口因隱藏在下面，雨水無(wú)法進(jìn)入，不需要在單獨(dú)設(shè)計(jì)防水結(jié)構(gòu)；門板下部的的進(jìn)風(fēng)口一般設(shè)計(jì)為百葉窗式結(jié)構(gòu)同時(shí)在百葉窗內(nèi)部在增加一個(gè)防水擋板結(jié)構(gòu)，或者進(jìn)風(fēng)口采用迷宮式防水。頂部出風(fēng)口設(shè)計(jì)專門的防水頂罩，頂罩內(nèi)部有迷宮式的防水結(jié)構(gòu)。

此類機(jī)柜的防塵主要通過(guò)在機(jī)柜底部進(jìn)風(fēng)口安裝初效過(guò)濾棉。

以上列出的只是“下進(jìn)風(fēng)、上出風(fēng)”這種散熱方式最常見的一種，其他結(jié)構(gòu)上可能略有不同，但總體基本一致的。總結(jié)此類散熱方式的機(jī)柜，我們發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：

1）為了防水，在機(jī)柜的出風(fēng)口一般都會(huì)做迷宮式的防水結(jié)構(gòu)。但也造成出風(fēng)口風(fēng)阻增加，影響系統(tǒng)散熱性能。

2）為了防塵，進(jìn)風(fēng)口會(huì)增加了濾棉。同樣也增加了系統(tǒng)風(fēng)阻，影響散熱。而且濾棉本身需要定期維護(hù)，增加了后期的維護(hù)成本。

3）出風(fēng)口處只做了防水結(jié)構(gòu)，沒(méi)有做濾棉，設(shè)備沒(méi)有運(yùn)行或者做防塵測(cè)試時(shí)也會(huì)進(jìn)塵。如在出風(fēng)口處也做防塵濾棉結(jié)構(gòu)，則系統(tǒng)阻力太大，散熱無(wú)法滿足要求。

4）電感、變壓器這類器件質(zhì)量大，布置時(shí)一般在機(jī)柜底部；IGBT這類器件質(zhì)量較小，發(fā)熱量大，一般會(huì)布置在上部。但電感、變壓器這類器件允許溫升較高，IGBT這類器件對(duì)溫度比較敏感，屬于熱敏感器件。這樣的布置造成冷風(fēng)經(jīng)底部進(jìn)風(fēng)口進(jìn)來(lái)后先給電感、變壓器這些器件散熱，加熱后的空氣然后才經(jīng)過(guò)散熱器給IGBT散熱。

2 上進(jìn)風(fēng)，下出風(fēng)散熱方式

根據(jù)1中總結(jié)的此類散熱方式存在的問(wèn)題點(diǎn)，我們提出了“上進(jìn)風(fēng)，下出風(fēng)”這種散熱方式。此種散熱方式將進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)在機(jī)柜側(cè)面上部，出風(fēng)口設(shè)計(jì)在機(jī)柜底部，利用進(jìn)風(fēng)口在增大進(jìn)風(fēng)面積的情況下，風(fēng)速較低，風(fēng)阻?。怀鲲L(fēng)口風(fēng)速較大，風(fēng)壓大的特點(diǎn)，將出風(fēng)口設(shè)計(jì)在機(jī)柜底部，這樣不用做復(fù)雜的防水結(jié)構(gòu)。同時(shí)，此種散熱方式充分考慮到IGBT這種熱敏感器件和電感、變壓器此類器件質(zhì)量比較大的特點(diǎn)，將散熱風(fēng)扇布置在上部，冷風(fēng)先給IGBT散熱，之后再給電感、變壓器散熱。

在防水方面，因柜體采用上進(jìn)風(fēng)，下出風(fēng)的方式，進(jìn)風(fēng)在柜體側(cè)面上部，出風(fēng)口在機(jī)柜底部，所以只用進(jìn)風(fēng)口做防水結(jié)構(gòu)。

在防塵方面，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)口安裝有初效過(guò)濾棉。

此類機(jī)柜很好的解決了機(jī)柜散熱和防水的問(wèn)題，且因向下吹風(fēng)，可以有效避免出風(fēng)口進(jìn)來(lái)的灰塵堆積。但因設(shè)備不是持續(xù)運(yùn)行，所以在做防塵測(cè)試時(shí)此處又成了難點(diǎn)。同時(shí)因進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)有濾棉，后期濾棉維護(hù)的問(wèn)題仍然存在。

3 上進(jìn)風(fēng) 下出風(fēng)散熱方式 風(fēng)道隔離

針對(duì)2中散熱方式仍然無(wú)法很好解決防塵測(cè)試的問(wèn)題。我們?cè)诖嘶A(chǔ)上提出了“上進(jìn)風(fēng) 下出風(fēng)+風(fēng)道隔離”的新思路。即機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)口還是設(shè)計(jì)在頂部，將主要發(fā)熱器件的風(fēng)道進(jìn)行隔離，其他器件布置在隔離風(fēng)道以外。風(fēng)道內(nèi)器件采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，其流場(chǎng)為冷空氣經(jīng)過(guò)頂部防水裝置；然后經(jīng)過(guò)隔離風(fēng)道，其先給IGBT散熱，之后熱風(fēng)再給電感或變壓器散熱；最后經(jīng)過(guò)機(jī)柜底板出風(fēng)口排出機(jī)柜外。隔離風(fēng)道外的器件采用內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇進(jìn)行均溫。

機(jī)柜的防水結(jié)構(gòu)為進(jìn)風(fēng)口為于機(jī)柜頂部，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)口采用斜向下設(shè)計(jì)，進(jìn)風(fēng)口外側(cè)設(shè)計(jì)有裝飾板，可以阻擋水平方向的淋雨。同時(shí)在進(jìn)風(fēng)口內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)有內(nèi)擋水板，可以阻擋少量被風(fēng)吹進(jìn)去的雨水，即在進(jìn)風(fēng)口處通過(guò)三重防護(hù)來(lái)防止雨水進(jìn)入。機(jī)柜采用頂部進(jìn)風(fēng)，底部出風(fēng)的散熱方式，所以門板上不需要進(jìn)風(fēng)口。門板內(nèi)側(cè)框架處采用迷宮式設(shè)計(jì)，框架設(shè)計(jì)有導(dǎo)水槽，門板和框架之間有膠條膠條，起到對(duì)門板防水的作用。柜底座采用分體式結(jié)構(gòu)。可以有效避免一體式底座結(jié)構(gòu)，雨水經(jīng)底座和框架縫隙處進(jìn)入。

防塵設(shè)計(jì)上，整機(jī)采用專用獨(dú)立風(fēng)道，IGBT模塊吹出的熱風(fēng)給電感散熱。電感和其他器件用安裝板隔開。電感和變壓器做封裝。整個(gè)風(fēng)道除給散熱器和電感散熱外不會(huì)將熱風(fēng)吹到其他器件上邊。

此類機(jī)柜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅解決了散熱和防水問(wèn)題，因采用了專用風(fēng)道設(shè)計(jì)，也可以有效解決防塵問(wèn)題。同時(shí)機(jī)柜采用了專用風(fēng)道設(shè)計(jì)，不再采用濾棉結(jié)構(gòu)，可以降低后期維護(hù)成本。

4 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)戶外電力機(jī)柜常規(guī)的散熱和防塵防水結(jié)構(gòu)分析，提出一種新的散熱和防塵防水結(jié)構(gòu)。并且在此基礎(chǔ)上提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)能夠更好的滿足散熱和防塵防水要求的戶外電力機(jī)柜的結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張洋，嚴(yán)華，張永峰.智能變電站戶外控制柜風(fēng)機(jī)散熱研究及仿真分析.

作者簡(jiǎn)介：陽(yáng)貴波（1987-），男，湖北十堰人，本科，結(jié)構(gòu)工程師，主要從事大功率光伏逆變器、儲(chǔ)能變流器、直流充電樁類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)工作。