户外电力机柜散热和防尘防水结构分析

摘 要：对于户外电力机柜而言，如单独考虑散热、防尘、防水其中一项或两项都是比较好实现的。但是对于采用强制风冷的户外机柜而言，需要同时要满足散热、防尘和防水的要求则相对比较难以实现。本文将通过几种典型的散热结构方式研究，总结出一种防尘防水结构简单、散热效果好的户外机柜结构形式。

关键词：户外机柜；散热；防尘；防水

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

0 引言

随着电力行业的发展，越来越多的电气机柜要求能够直接在户外使用。由于在户外使用环境下，机柜面对的环境相当恶劣，这也对机柜的散热和防尘防水提出了很高的要求。

目前户外电力机柜产品故障很重要的一个原因就是散热、防尘防水失效导致的。[1]据统计：电子设备的失效原因中有55%是由于温度过高引起的；对电力电子产品而言，工作温度每升高10℃，器件的失效会增加一个数量级 。

目前常用的散热方式有自然散热、液冷、换热器、空调、强制风冷等几种方案。以上几种方案适用场景各有不同。由于风扇强制风冷具有能够适用于功耗较大的电力设备，安装维护方便，成本低的优点，所以本文主要针对采用风扇强制风冷这种户外电力机柜。

户外机柜的防护等级一般都要求达到“IP54”或以上，根据《GB 4208—2008外壳防护等级》的要求，机柜需达到防尘和防喷水。

对户外电力机柜而言，散热和防尘防水都是必须要同时去综合考量的。由于强制风冷和防尘防水本身就相互矛盾，所以在设计中常常很难找到一个合适的平衡点。本文通过对几种典型的户外机柜散热和防护结构的分析，总结出一种防尘防水结构简单，散热效果好的户外机柜结构形式。

1 典型户外机柜散热和防尘防水结构介绍

目前大部分户外机柜都采用“下进风，上出风”散热方式设计。即进风口设计在机柜的底部或者下部，系统风机布置在机柜顶部或上部位置。

此类机柜防水结构为进风口在机柜底部和门板下部。进风口因隐藏在下面，雨水无法进入，不需要在单独设计防水结构；门板下部的的进风口一般设计为百叶窗式结构同时在百叶窗内部在增加一个防水挡板结构，或者进风口采用迷宫式防水。顶部出风口设计专门的防水顶罩，顶罩内部有迷宫式的防水结构。

此类机柜的防尘主要通过在机柜底部进风口安装初效过滤棉。

以上列出的只是“下进风、上出风”这种散热方式最常见的一种，其他结构上可能略有不同，但总体基本一致的。总结此类散热方式的机柜，我们发现以下问题：

1）为了防水，在机柜的出风口一般都会做迷宫式的防水结构。但也造成出风口风阻增加，影响系统散热性能。

2）为了防尘，进风口会增加了滤棉。同样也增加了系统风阻，影响散热。而且滤棉本身需要定期维护，增加了后期的维护成本。

3）出风口处只做了防水结构，没有做滤棉，设备没有运行或者做防尘测试时也会进尘。如在出风口处也做防尘滤棉结构，则系统阻力太大，散热无法满足要求。

4）电感、变压器这类器件质量大，布置时一般在机柜底部；IGBT这类器件质量较小，发热量大，一般会布置在上部。但电感、变压器这类器件允许温升较高，IGBT这类器件对温度比较敏感，属于热敏感器件。这样的布置造成冷风经底部进风口进来后先给电感、变压器这些器件散热，加热后的空气然后才经过散热器给IGBT散热。

2 上进风，下出风散热方式

根据1中总结的此类散热方式存在的问题点，我们提出了“上进风，下出风”这种散热方式。此种散热方式将进风口设计在机柜侧面上部，出风口设计在机柜底部，利用进风口在增大进风面积的情况下，风速较低，风阻小；出风口风速较大，风压大的特点，将出风口设计在机柜底部，这样不用做复杂的防水结构。同时，此种散热方式充分考虑到IGBT这种热敏感器件和电感、变压器此类器件质量比较大的特点，将散热风扇布置在上部，冷风先给IGBT散热，之后再给电感、变压器散热。

在防水方面，因柜体采用上进风，下出风的方式，进风在柜体侧面上部，出风口在机柜底部，所以只用进风口做防水结构。

在防尘方面，机柜进风口安装有初效过滤棉。

此类机柜很好的解决了机柜散热和防水的问题，且因向下吹风，可以有效避免出风口进来的灰尘堆积。但因设备不是持续运行，所以在做防尘测试时此处又成了难点。同时因进风口设计有滤棉，后期滤棉维护的问题仍然存在。

3 上进风 下出风散热方式 风道隔离

针对2中散热方式仍然无法很好解决防尘测试的问题。我们在此基础上提出了“上进风 下出风+风道隔离”的新思路。即机柜的进风口还是设计在顶部，将主要发热器件的风道进行隔离，其他器件布置在隔离风道以外。风道内器件采用强制风冷散热，其流场为冷空气经过顶部防水装置；然后经过隔离风道，其先给IGBT散热，之后热风再给电感或变压器散热；最后经过机柜底板出风口排出机柜外。隔离风道外的器件采用内循环风扇进行均温。

机柜的防水结构为进风口为于机柜顶部，机柜进风口采用斜向下设计，进风口外侧设计有装饰板，可以阻挡水平方向的淋雨。同時在进风口内侧设计有内挡水板，可以阻挡少量被风吹进去的雨水，即在进风口处通过三重防护来防止雨水进入。机柜采用顶部进风，底部出风的散热方式，所以门板上不需要进风口。门板内侧框架处采用迷宫式设计，框架设计有导水槽，门板和框架之间有胶条胶条，起到对门板防水的作用。柜底座采用分体式结构。可以有效避免一体式底座结构，雨水经底座和框架缝隙处进入。

防尘设计上，整机采用专用独立风道，IGBT模块吹出的热风给电感散热。电感和其他器件用安装板隔开。电感和变压器做封装。整个风道除给散热器和电感散热外不会将热风吹到其他器件上边。

此类机柜机构设计不仅解决了散热和防水问题，因采用了专用风道设计，也可以有效解决防尘问题。同时机柜采用了专用风道设计，不再采用滤棉结构，可以降低后期维护成本。

4 总结

本文通过对户外电力机柜常规的散热和防尘防水结构分析，提出一种新的散热和防尘防水结构。并且在此基础上提出一种结构简单，同时能够更好的满足散热和防尘防水要求的户外电力机柜的结构。

参考文献：

[1]张洋，严华，张永峰.智能变电站户外控制柜风机散热研究及仿真分析.

作者简介：阳贵波（1987-），男，湖北十堰人，本科，结构工程师，主要从事大功率光伏逆变器、储能变流器、直流充电桩类产品结构设计开发工作。