摘 要：對于戶外電力機柜而言，如單獨考慮散熱、防塵、防水其中一項或兩項都是比較好實現(xiàn)的。但是對于采用強制風冷的戶外機柜而言，需要同時要滿足散熱、防塵和防水的要求則相對比較難以實現(xiàn)。本文將通過幾種典型的散熱結(jié)構(gòu)方式研究，總結(jié)出一種防塵防水結(jié)構(gòu)簡單、散熱效果好的戶外機柜結(jié)構(gòu)形式。

關(guān)鍵詞：戶外機柜；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，越來越多的電氣機柜要求能夠直接在戶外使用。由于在戶外使用環(huán)境下，機柜面對的環(huán)境相當惡劣，這也對機柜的散熱和防塵防水提出了很高的要求。

目前戶外電力機柜產(chǎn)品故障很重要的一個原因就是散熱、防塵防水失效導致的。[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 。

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

戶外機柜的防護等級一般都要求達到“IP54”或以上，根據(jù)《GB 4208—2008外殼防護等級》的要求，機柜需達到防塵和防噴水。

對戶外電力機柜而言，散熱和防塵防水都是必須要同時去綜合考量的。由于強制風冷和防塵防水本身就相互矛盾，所以在設(shè)計中常常很難找到一個合適的平衡點。本文通過對幾種典型的戶外機柜散熱和防護結(jié)構(gòu)的分析，總結(jié)出一種防塵防水結(jié)構(gòu)簡單，散熱效果好的戶外機柜結(jié)構(gòu)形式。

1 典型戶外機柜散熱和防塵防水結(jié)構(gòu)介紹

目前大部分戶外機柜都采用“下進風，上出風”散熱方式設(shè)計。即進風口設(shè)計在機柜的底部或者下部，系統(tǒng)風機布置在機柜頂部或上部位置。

此類機柜防水結(jié)構(gòu)為進風口在機柜底部和門板下部。進風口因隱藏在下面，雨水無法進入，不需要在單獨設(shè)計防水結(jié)構(gòu)；門板下部的的進風口一般設(shè)計為百葉窗式結(jié)構(gòu)同時在百葉窗內(nèi)部在增加一個防水擋板結(jié)構(gòu)，或者進風口采用迷宮式防水。頂部出風口設(shè)計專門的防水頂罩，頂罩內(nèi)部有迷宮式的防水結(jié)構(gòu)。

此類機柜的防塵主要通過在機柜底部進風口安裝初效過濾棉。

以上列出的只是“下進風、上出風”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?？偨Y(jié)此類散熱方式的機柜，我們發(fā)現(xiàn)以下問題：

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

2）為了防塵，進風口會增加了濾棉。同樣也增加了系統(tǒng)風阻，影響散熱。而且濾棉本身需要定期維護，增加了后期的維護成本。

3）出風口處只做了防水結(jié)構(gòu)，沒有做濾棉，設(shè)備沒有運行或者做防塵測試時也會進塵。如在出風口處也做防塵濾棉結(jié)構(gòu)，則系統(tǒng)阻力太大，散熱無法滿足要求。

4）電感、變壓器這類器件質(zhì)量大，布置時一般在機柜底部；IGBT這類器件質(zhì)量較小，發(fā)熱量大，一般會布置在上部。但電感、變壓器這類器件允許溫升較高，IGBT這類器件對溫度比較敏感，屬于熱敏感器件。這樣的布置造成冷風經(jīng)底部進風口進來后先給電感、變壓器這些器件散熱，加熱后的空氣然后才經(jīng)過散熱器給IGBT散熱。

2 上進風，下出風散熱方式

根據(jù)1中總結(jié)的此類散熱方式存在的問題點，我們提出了“上進風，下出風”這種散熱方式。此種散熱方式將進風口設(shè)計在機柜側(cè)面上部，出風口設(shè)計在機柜底部，利用進風口在增大進風面積的情況下，風速較低，風阻??；出風口風速較大，風壓大的特點，將出風口設(shè)計在機柜底部，這樣不用做復雜的防水結(jié)構(gòu)。同時，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，將散熱風扇布置在上部，冷風先給IGBT散熱，之后再給電感、變壓器散熱。

在防水方面，因柜體采用上進風，下出風的方式，進風在柜體側(cè)面上部，出風口在機柜底部，所以只用進風口做防水結(jié)構(gòu)。

在防塵方面，機柜進風口安裝有初效過濾棉。

此類機柜很好的解決了機柜散熱和防水的問題，且因向下吹風，可以有效避免出風口進來的灰塵堆積。但因設(shè)備不是持續(xù)運行，所以在做防塵測試時此處又成了難點。同時因進風口設(shè)計有濾棉，后期濾棉維護的問題仍然存在。

3 上進風 下出風散熱方式 風道隔離

針對2中散熱方式仍然無法很好解決防塵測試的問題。我們在此基礎(chǔ)上提出了“上進風 下出風+風道隔離”的新思路。即機柜的進風口還是設(shè)計在頂部，將主要發(fā)熱器件的風道進行隔離，其他器件布置在隔離風道以外。風道內(nèi)器件采用強制風冷散熱，其流場為冷空氣經(jīng)過頂部防水裝置；然后經(jīng)過隔離風道，其先給IGBT散熱，之后熱風再給電感或變壓器散熱；最后經(jīng)過機柜底板出風口排出機柜外。隔離風道外的器件采用內(nèi)循環(huán)風扇進行均溫。

機柜的防水結(jié)構(gòu)為進風口為于機柜頂部，機柜進風口采用斜向下設(shè)計，進風口外側(cè)設(shè)計有裝飾板，可以阻擋水平方向的淋雨。同時在進風口內(nèi)側(cè)設(shè)計有內(nèi)擋水板，可以阻擋少量被風吹進去的雨水，即在進風口處通過三重防護來防止雨水進入。機柜采用頂部進風，底部出風的散熱方式，所以門板上不需要進風口。門板內(nèi)側(cè)框架處采用迷宮式設(shè)計，框架設(shè)計有導水槽，門板和框架之間有膠條膠條，起到對門板防水的作用。柜底座采用分體式結(jié)構(gòu)?？梢杂行П苊庖惑w式底座結(jié)構(gòu)，雨水經(jīng)底座和框架縫隙處進入。

防塵設(shè)計上，整機采用專用獨立風道，IGBT模塊吹出的熱風給電感散熱。電感和其他器件用安裝板隔開。電感和變壓器做封裝。整個風道除給散熱器和電感散熱外不會將熱風吹到其他器件上邊。

此類機柜機構(gòu)設(shè)計不僅解決了散熱和防水問題，因采用了專用風道設(shè)計，也可以有效解決防塵問題。同時機柜采用了專用風道設(shè)計，不再采用濾棉結(jié)構(gòu)，可以降低后期維護成本。

4 總結(jié)

本文通過對戶外電力機柜常規(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)簡單，同時能夠更好的滿足散熱和防塵防水要求的戶外電力機柜的結(jié)構(gòu)。

參考文獻：

[1]張洋，嚴華，張永峰.智能變電站戶外控制柜風機散熱研究及仿真分析.

作者簡介：陽貴波（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、儲能變流器、直流充電樁類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)工作。