戶外機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究

郝春霞

摘要：戶外機(jī)柜由于其使用環(huán)境多種多樣，比室內(nèi)機(jī)柜的環(huán)境更加復(fù)雜、嚴(yán)酷，為保證機(jī)柜能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行，需要綜合考慮多種因素。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)多種氣候條件，考慮設(shè)備外殼的耐腐蝕性、防紫外線性能、防水防塵效果以及散熱性等，從而保證機(jī)柜電氣性能。該文對(duì)戶外機(jī)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，希望對(duì)戶外柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一些參考。

關(guān)鍵詞：戶外機(jī)柜防水防塵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TU85文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1672-3791（2021）09（c）-0000-00

Research on Key Points of Outdoor Cabinet Structure Design

HAO Chunxia

（Baoding TianweiXinyu Technology Development Co.， Ltd.，Baoding，Hebei Province，071000 China）

Abstract： Due to its diverse use environments， outdoor cabinets are more complex and harsher than indoor cabinets. In order to ensure that the cabinet can operate stably for a long time， various factors need to be considered comprehensively. In the structural design， it is necessary to comprehensively consider the various climatic conditions on site， consider the corrosion resistance， UV resistance， waterproof and dustproof effect and heat dissipation of the equipment shell， so as to ensure the electrical performance of the cabinet. This article discusses the key points of the structural design of the outdoor cabinet Detailed analysis， hoping to provide some reference for the structure design of outdoor cabinets.

Key Words： Outdoor cabinet; Waterproof and dustproof; Structural design; Grounding system

近年來(lái)，隨著在電力系統(tǒng)中使用的自動(dòng)化智能化電氣設(shè)備越來(lái)越多，在戶外運(yùn)行的機(jī)柜設(shè)備隨之增加，如開(kāi)關(guān)柜、變頻柜、通信柜、配電柜以及各種電力監(jiān)測(cè)設(shè)備等。戶外機(jī)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，將直接影響到設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝能否快速可靠、設(shè)備運(yùn)行能否長(zhǎng)期穩(wěn)定以及后期運(yùn)維能否便捷高效。追求更加合理的、實(shí)用性強(qiáng)、適應(yīng)性好的戶外柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成為未來(lái)必然趨勢(shì)。在設(shè)計(jì)戶外機(jī)柜時(shí)，通常需要從使用環(huán)境、安全性、電磁兼容性、防護(hù)等級(jí)等多方面進(jìn)行考慮[1]。

1環(huán)境因素對(duì)戶外機(jī)柜的影響

不同的使用環(huán)境，應(yīng)考慮不同的設(shè)計(jì)方案。戶外環(huán)境中，影響因素多種多樣，不能單一地考慮某一方面的影響，應(yīng)綜合考慮所有條件。

1.1 紫外線的影響

機(jī)柜長(zhǎng)期在戶外運(yùn)行，長(zhǎng)期受紫外線照射，容易造成金屬表面涂層的掉色甚至剝落，可以采用電泳加特殊的戶外粉墨噴涂工藝，來(lái)提高機(jī)柜防紫外線能力。紫外線的照射會(huì)導(dǎo)致柜內(nèi)溫度升高，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)會(huì)影響設(shè)備運(yùn)行，應(yīng)增加機(jī)柜散熱功能和溫控功能。

1.2 溫度的影響

溫度過(guò)高將加速電氣設(shè)備的絕緣老化，使其使用壽命及額定電流下降，研究表明溫度每升高10℃，電子器件的使用壽命將比預(yù)期降低一半。對(duì)于電子器件則表現(xiàn)在高溫能導(dǎo)致半導(dǎo)體元件的熱擊穿，或者性能降低，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行故障。常用的機(jī)柜散熱方式有：強(qiáng)制風(fēng)冷散熱、熱交換器散熱和空調(diào)散熱，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)使用條件及成本預(yù)算，選擇合適的通風(fēng)散熱方式[2]。

1.3 空氣濕度的影響

空氣濕度過(guò)高會(huì)對(duì)電氣設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生非常大的影響，降低電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度，甚至引發(fā)重大電氣事故。一般最好保持濕度小于60%，不能大于80%?？梢栽跈C(jī)柜中安裝空調(diào)，選擇“除濕”模式，若不理想，應(yīng)考慮安裝工業(yè)除濕機(jī)，定時(shí)自動(dòng)除濕。而對(duì)于機(jī)柜表面處理也應(yīng)注意，采用電鍍、氧化、烤漆、噴粉等方式來(lái)提高其抗腐蝕能力。

高溫高濕會(huì)對(duì)大氣中的污染情況起到加速催化的作用，高溫能夠加快鹽霧的腐蝕能力，高濕能夠提高化學(xué)性物質(zhì)的活性。高溫高濕為霉菌生長(zhǎng)提供關(guān)鍵條件。

1.4降雨的影響

強(qiáng)降雨對(duì)設(shè)備最大的危害是，水會(huì)破壞電氣設(shè)備的絕緣能力，繼而導(dǎo)致設(shè)備損壞，甚至危及人身安全。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮機(jī)柜的防水等級(jí)，做好機(jī)柜的密封，防止?jié)B漏;選擇合理的安裝方式;應(yīng)有防止浸泡的隔離措施等。

1.5沙塵的影響

長(zhǎng)期在戶外運(yùn)行的機(jī)柜，若柜內(nèi)積累沙塵，將降低電氣元件的絕緣性能，損壞電子元件，某些絕熱性的沙塵附著在冷卻系統(tǒng)會(huì)影響散熱，造成設(shè)備故障。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)做好防塵措施，比如：在進(jìn)出風(fēng)口安裝合適的濾棉，增加濾棉同時(shí)也會(huì)增加風(fēng)阻，從而影響散熱，要定期進(jìn)行維護(hù)更換;設(shè)計(jì)專用獨(dú)立風(fēng)道，有效隔離沙塵與器件的接觸，同時(shí)兼顧散熱;或機(jī)柜整體密封，采用空調(diào)散熱的方式進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)[3]。

1.6鹽霧的影響

鹽霧是安裝于沿海地區(qū)的戶外機(jī)柜必須考慮的因素。鹽霧對(duì)金屬結(jié)構(gòu)和線路具有腐蝕性，會(huì)造成電氣設(shè)備腐蝕和線路閃落，腐蝕機(jī)柜表面涂層，加速機(jī)柜腐蝕破壞。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選材時(shí)應(yīng)注意：結(jié)構(gòu)件及金屬鎖具必須選用專業(yè)產(chǎn)品，可采用不銹鋼材質(zhì)，當(dāng)采用普通鋼板時(shí)，要求熱鍍鋅處理或表面涂覆處理，涂覆層要求完整無(wú)孔，化學(xué)穩(wěn)定，厚度滿足國(guó)標(biāo)要求。ISO 9223-1992將大氣腐蝕性分為5類：C1-很低;C2-低;C3-中;C4-高;C5-很高。根據(jù)不同地區(qū)氣候環(huán)境選用適用的腐蝕等級(jí)的產(chǎn)品。對(duì)于柜內(nèi)電氣設(shè)備的保護(hù)，最現(xiàn)實(shí)的辦法就是加強(qiáng)機(jī)柜的密封性，保證柜內(nèi)不受鹽霧侵蝕[4]。

2戶外機(jī)防塵防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于戶外安裝的機(jī)柜，為避免遭受外界惡劣環(huán)境影響，機(jī)柜的密封性能至關(guān)重要。根據(jù)《外殼防護(hù)等級(jí)（IP代碼）》（GB/T 4208-2017），推薦戶外機(jī)柜防塵防水等級(jí)不低于IP55為宜。第一個(gè)數(shù)字5為防塵等級(jí)，其意義為：不能完全防止塵埃進(jìn)入，但進(jìn)入的灰塵不得影響設(shè)備的正常運(yùn)行，不得影響安全;第二個(gè)數(shù)字5為防水等級(jí)，其意義為：向外殼各個(gè)方向噴水無(wú)有害影響。

水和粉塵進(jìn)入機(jī)柜的途徑一般為風(fēng)道或是結(jié)構(gòu)件的接縫處，比如門縫、電纜進(jìn)出口處、鎖具及鉸鏈安裝處。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選用合適的密封材料及工藝，合理的防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而達(dá)到防護(hù)等級(jí)要求。

全密封的設(shè)計(jì)可以完全防塵，達(dá)到IP6的等級(jí)。在機(jī)柜各部位結(jié)構(gòu)件的接縫處，都使用橡膠或彈性密封材料實(shí)現(xiàn)密封。

常規(guī)風(fēng)冷式散熱，可在進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口安裝防塵網(wǎng)，這種方式最多能做到IP5的防塵等級(jí)。缺點(diǎn)是：機(jī)柜長(zhǎng)期戶外運(yùn)行，灰塵容易堵塞防塵網(wǎng)，影響設(shè)備性能，應(yīng)定期清理更換。

機(jī)柜的防水設(shè)計(jì)，重點(diǎn)考慮部位應(yīng)該是機(jī)柜各個(gè)結(jié)構(gòu)件的連接部位、門縫、鎖具及鉸鏈。門縫處可采用安裝彈性材料，如橡膠、硅膠等密封條的方式，鎖具應(yīng)選用防水性能好的鎖具，鉸鏈的安裝可避開(kāi)接縫處，使其不影響防水性能。若需要安裝電纜，可選用電纜防水接頭或電纜密封環(huán)進(jìn)行防護(hù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮合理的機(jī)柜防雨罩及內(nèi)部導(dǎo)流槽，對(duì)于鈑金機(jī)柜，應(yīng)盡可能采用滿焊的方式對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行連接[5]。

3戶外機(jī)柜接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

有效接地可以保護(hù)設(shè)備，保證人身安全，同時(shí)還可以起到屏蔽作用，可以防雷擊、防靜電、保證電磁兼容性。

機(jī)柜內(nèi)應(yīng)設(shè)置保護(hù)接地匯流排和信號(hào)及屏蔽接地匯流排。保護(hù)接地作用為保護(hù)人身和設(shè)備安全，如保護(hù)地、防雷地、防靜電等。信號(hào)及屏蔽接地作用為抑制干擾，為信號(hào)電壓或是系統(tǒng)電壓提供一個(gè)穩(wěn)定的電位參考點(diǎn)。為了防止對(duì)低電平信號(hào)的干擾，在機(jī)柜內(nèi)部設(shè)計(jì)時(shí)，注意控制系統(tǒng)的工作地不能和保護(hù)接地混用[6]。

保護(hù)接地匯流排：機(jī)柜內(nèi)部應(yīng)設(shè)計(jì)接地排，通常選用銅材質(zhì)，可以做表面鍍錫處理，增強(qiáng)其防腐蝕能力，其截面面積應(yīng)大于50 mm2。機(jī)柜內(nèi)所有電器元件的接地點(diǎn)應(yīng)通過(guò)銅導(dǎo)線均接至接地排，地排地阻小于4Ω;各金屬部件也必須連接至此接地排，任意兩點(diǎn)之間的連接電阻應(yīng)小于0.1Ω;機(jī)柜門、蓋板、外殼、框架等結(jié)構(gòu)件之間應(yīng)用地線可靠連接，并最終接至接地排，保證電氣連續(xù)接地。所有連接地線均應(yīng)使用黃綠相間的電纜。

屏蔽接地匯流排：電纜的屏蔽層需可靠接地至匯流排。若屏蔽電纜較多，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮安裝的美觀性與便捷性，使用專用的屏蔽電纜夾及配套匯流排。

4戶外機(jī)柜電磁屏蔽設(shè)計(jì)

目前各種應(yīng)用于戶外的電子設(shè)備越來(lái)越多，電磁環(huán)境日益惡化，對(duì)于使用在相當(dāng)惡劣的電磁環(huán)境中的機(jī)柜，為了避免設(shè)備能夠不受現(xiàn)場(chǎng)外界電磁干擾，同時(shí)不對(duì)其它設(shè)備產(chǎn)生干擾，那么設(shè)計(jì)中電磁屏蔽的設(shè)計(jì)尤為重要。

在進(jìn)行機(jī)柜屏蔽材料選材時(shí)，應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)干擾源的頻率。對(duì)于低頻率的情況，可采用鐵磁材料進(jìn)行屏蔽;對(duì)于高頻率的情況，應(yīng)采用良導(dǎo)體材料進(jìn)行屏蔽。

機(jī)柜內(nèi)部由于存在大量的電路板，不可避免地會(huì)產(chǎn)生相互干擾，影響設(shè)備性能。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)采取措施減少這種干擾。比如：在相互干擾的電路板之間設(shè)計(jì)屏蔽板，屏蔽板應(yīng)可靠接地;若不接地，那么干擾將會(huì)更加嚴(yán)重。

在屏蔽體的接縫處最好采用連續(xù)焊接，或在接縫處安裝導(dǎo)電的襯墊。對(duì)于門框四周，應(yīng)安裝合適的鈹銅簧片，以提高電磁兼容效果。

對(duì)于面板上需要安裝液晶屏、開(kāi)關(guān)、指示燈等器件的情況，應(yīng)考慮在這些器件的后部專門設(shè)計(jì)屏蔽罩，屏蔽罩應(yīng)與所在金屬面板用導(dǎo)電襯墊可靠連接。

5結(jié)語(yǔ)

戶外機(jī)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了要美觀、堅(jiān)固可靠，便于現(xiàn)場(chǎng)快速安裝，方便維護(hù)維修外，還應(yīng)考慮其抗震能力、防腐蝕能力、電磁兼容性等，更不要忽視了機(jī)柜的防塵防水能力的設(shè)計(jì)。兼顧多方面因素考慮，才能設(shè)計(jì)出安全可靠、符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、適用客戶需求的產(chǎn)品，同時(shí)應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)工藝的可行性以及是否滿足經(jīng)濟(jì)性要求，提升生產(chǎn)效益，促進(jìn)企業(yè)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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