電氣機柜防塵技術(shù)

王鋒

（深圳市慧能互聯(lián)科技有限公司 廣東省深圳市 518101）

隨著5G、大數(shù)據(jù)中心、智能制造、自動化生產(chǎn)線等技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，對電氣設(shè)備的需求越來越多，同時對其性能的要求也越來越高。[1]據(jù)統(tǒng)計：電子設(shè)備的失效原因中有55% 是由于溫度過高引起的；對電力電子產(chǎn)品而言，工作溫度每升高10℃，器件的失效會增加一個數(shù)量級。

電氣設(shè)備在初始設(shè)計時都會嚴格控制器件工作溫度，使其工作時的溫度保持在正常范圍。在使用過程中，器件的工作溫度不斷上升除了器件自身老化導(dǎo)致?lián)p耗增加外，由于灰塵累積導(dǎo)致的器件散熱能力下降也是一個重要因素?；覊m在電氣設(shè)備中不斷累積除了會導(dǎo)致通風(fēng)不暢外，還會沉積在元器件上，灰塵中的水分和酸性或者堿性物質(zhì)會對器件造成腐蝕和損傷。部分場所灰塵中的導(dǎo)電物質(zhì)還會導(dǎo)致電氣設(shè)備局部爬電距離不足引起拉弧甚至起火，有很大的安全隱患。因此，電氣設(shè)備的防塵設(shè)計非常重要。

電氣設(shè)備的防塵標(biāo)準是包含在外殼防護等級標(biāo)準里面的，也就是我們所說的IP 防護體系。[2]IP 防護體系來源于國際電工委員會（IEC），也就是國際上和國內(nèi)普遍采用的IP 代碼，該代碼體系以EN/IEC60529-2001 Degrees of protection provided by enclosures （IP code）標(biāo)準為基礎(chǔ)，我們的國家標(biāo)準GB4208 就等同采用了該標(biāo)準。

1 IP防護等級定義

在IP 防護體系中，IP 代碼表明了外殼防止固體異物或水進入的防護等級及其附加信息。IP 代碼組成：由IP 代碼字母、第一位特征數(shù)字、第二位特征數(shù)字、附加字母、補充字母組成，不要求規(guī)定數(shù)字時，應(yīng)由字母“X”代替。第一位特征數(shù)字即為防止固體進入與接近危險部件（表1），第二位特征數(shù)字表示防止進水造成有害影響。

如IP54 即表示防塵等級為5 級，防水等級為4 級。

2 防塵試驗指標(biāo)

對GB4208 標(biāo)準規(guī)定的“進入的灰塵量不得影響設(shè)備的正常運行”具體可從以下幾點進行檢驗：

2.1 系統(tǒng)溫升

系統(tǒng)在運行過程中不能因為防塵網(wǎng)的通透性不夠而引起明顯的溫升，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 壓力損失

系統(tǒng)在運行過程中不能因為防塵網(wǎng)的通透性不夠而引起過大的壓力損失，以免無謂地加大風(fēng)扇容量。

2.3 防塵能力

在IP55 的標(biāo)準防塵箱進行測試，防塵能力強，進灰塵少。在產(chǎn)品明確規(guī)定了可能沿爬電距離導(dǎo)致爬電起痕的位置，不允許有灰塵的沉積。

3 散熱方案與防塵

3.1 內(nèi)置空調(diào)散熱

機柜配備制冷系統(tǒng),蒸發(fā)器和功率器件采用密閉的方式安裝在機柜內(nèi)部,冷凝器和壓縮機放置在外循環(huán)風(fēng)道,也可以放置柜體外。由于功率單元被密封在柜體內(nèi)，只要采用合適的密封膠條就可以完全隔絕外界灰塵進入，因此功率單元防塵等級可以達到IP6x。這種形式的散熱方案可以使柜體維持在最佳工作溫度，但空調(diào)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本和使用能耗較大。

3.2 熱交換器散熱

采用熱交換器的機柜，門板四周采用密封條將柜內(nèi)與柜外完全隔離，柜內(nèi)空氣進行內(nèi)循環(huán)，通過熱交換器和外界空氣進行熱交換，這種形式避免了灰塵進入柜體內(nèi)部，能達到IP6X 防護等級。但是由于柜內(nèi)空氣和柜外空氣進行了二次換熱才能將功率單元的熱量傳導(dǎo)到柜外，柜內(nèi)和柜外環(huán)境溫度始終存在一個溫度差，導(dǎo)致柜內(nèi)電子器件的環(huán)境溫度較高，因此電子設(shè)備的失效率也大大增加。

3.3 液冷散熱

液冷散熱主要是采用液冷板，離心泵驅(qū)動液體流經(jīng)液冷板實現(xiàn)功率器件的散熱，與傳統(tǒng)空調(diào)制冷系統(tǒng)相比節(jié)約能耗，但該方式的安全性較低，因此設(shè)計與安裝要求十分嚴格。該散熱方式的防塵方式與空調(diào)散熱類似，直接采用密封的方式將機柜內(nèi)外隔離，可以實現(xiàn)IP6X 的防護等級。

3.4 強制風(fēng)冷散熱

風(fēng)扇強制風(fēng)冷能適用于功率較大的電氣設(shè)備，安裝維護方便，相對其他散熱方式來說成本較低，因此在電氣機柜中被廣泛使用。同時由于強制風(fēng)冷采用的是柜內(nèi)柜外直通風(fēng)的模式，外界的灰塵不可避免的會進入機柜內(nèi)部，因此，機柜內(nèi)風(fēng)扇位置、進風(fēng)口和出風(fēng)口位置、功率器件布局，單板安裝方向、風(fēng)道的暢通性都影響防塵效果。

以上幾種散熱方式，只有強制風(fēng)冷散熱的機柜對防塵設(shè)計要求比較高，需要重點考慮。

4 防塵設(shè)計

在強迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu)中，顆粒的主要沉積機理為慣性沉積、布朗擴散沉積、湍流沉積以及靜電沉積，不同直徑粒子的沉降機理有所不同。電氣機柜合理的設(shè)計能大大減少灰塵的沉積，或者減少在關(guān)鍵器件上的沉積，盡量減小灰塵對機柜的影響。

4.1 進風(fēng)口防塵網(wǎng)

根據(jù)機柜防塵要求，選用相應(yīng)的防塵網(wǎng)材料。大多數(shù)電氣機柜可以選用聚氨酯發(fā)泡、聚丙烯絲織、聚酯合成纖維類的防塵網(wǎng)。其中G3/G4/F5（EN 779，分別對應(yīng)計重法80%≤E＜90%、90%≤E或比色法40%≤E＜60%）等級的防塵網(wǎng)可以滿足防塵等級IP5X，過濾等級越高，防塵性能越好，但同時阻力也越大，因此需要綜合考慮使用的防塵網(wǎng)等級。另外，根據(jù)防塵試驗指標(biāo)的要求，需要計算防塵網(wǎng)的更換或者維護周期，以免防塵網(wǎng)堵塞。如圖1 所示。

4.2 風(fēng)速和風(fēng)道設(shè)計

大顆粒灰塵在電氣機柜中主要以慣性沉積為主，即是沿著流線運動的顆粒不隨著流線在風(fēng)道中阻擋結(jié)構(gòu)上發(fā)生彎曲，而是由于慣性作用射向阻擋物表面發(fā)生沉積。它們對于風(fēng)速比較敏感，風(fēng)速越大，在進入防塵網(wǎng)之后與纖維碰撞的幾率增大。沉積效應(yīng)與參數(shù)Stk 關(guān)系密切，Stk 的數(shù)值可以通過下式計算：各參數(shù)定義詳見文獻[5]。

表1：第一位特征數(shù)字代表的防止固體進入的防護等級

在設(shè)計風(fēng)道時，需要盡量避免各種擋板，轉(zhuǎn)角，橫向放置的單板和器件等等，這些障礙物都會受到大顆粒灰塵的撞擊，從而導(dǎo)致慣性沉積。

小顆粒灰塵(＜0.1μm)的行為模式主要是布朗擴散，在使用F6以上高等級防塵網(wǎng)的時候，風(fēng)速不宜太大。因為風(fēng)速降低之后，小顆?；覊m在防塵網(wǎng)中滯留的時間變長，隨著布朗運動的擴散，就會有更多的機會撞擊防塵網(wǎng)，從而被防塵網(wǎng)捕獲。

進入機柜以后的灰塵顆粒，主要受到空氣流場的作用而隨著氣流運動，另外由于機柜內(nèi)有電場的存在，會使灰塵發(fā)生荷電，因此也會受到電場力的影響，再加上重力的影響，這三種力量決定了灰塵顆粒的運動特性。對于受到風(fēng)道內(nèi)障礙物的阻擋或者粒子相互撞擊而脫離氣流的灰塵顆粒，大顆粒主要受重力的影響而向下沉積，因此在機柜內(nèi)，不宜將對灰塵敏感器件水平安裝，防止沉積的灰塵對其造成影響。小顆粒更容易受到電場力的影響而隨著電場方向運動。交流電場中產(chǎn)生的電場力方向不斷改變，其作用在一段時間的總體效果為0。而直流電場產(chǎn)生的電場力方向始終不變，其作用效果顯著，因此在單板上直流電路，直流器件的針腳和直流線纜上常常會附著較多的小灰塵顆粒，在防塵設(shè)計時需重點防護這些位置。

4.3 分級防護

對灰塵不敏感而又發(fā)熱量大的器件，比如電感，變壓器等，可以放置在風(fēng)道內(nèi)，加上散熱器、風(fēng)扇，形成一個低防護、高效散熱的風(fēng)道。而對于敏感器件，可以放置在機柜內(nèi)獨立的密閉空間，他們的連接線纜可以采用毛刷或塔形橡膠密封件進行密封。這樣在柜內(nèi)形成一個IP6X 的防護區(qū)域，滿足了敏感器件的高防護要求。相對內(nèi)置空調(diào)散熱、熱交換器散熱、液冷散熱來說，強制風(fēng)冷散熱加分級防護運行穩(wěn)定可靠、維護便利、成本低。如圖2 所示。

5 總結(jié)

電氣機柜的應(yīng)用環(huán)境各不相同，因此就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計人員了解設(shè)備的工作環(huán)境以及工作環(huán)境空間顆粒類型和分布情況，進行針對性設(shè)計，同時結(jié)構(gòu)人員還需要掌握風(fēng)量和風(fēng)速的計算、不同防塵網(wǎng)的應(yīng)用場合及其所能達到的防塵效果、風(fēng)道采用吹風(fēng)或抽風(fēng)時對機柜縫隙的密封處理技術(shù)、結(jié)構(gòu)布局對灰塵沉積的影響因素等知識。

本文以IP 防護等級為參照，分析了常規(guī)的散熱方式所能達到的防護級別，進一步分析了不同灰塵的特點，根據(jù)這些特點分析了對應(yīng)的防塵方法和技術(shù)。

圖1

圖2