開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)散熱與通風(fēng)的設(shè)計(jì)

摘 要：金屬封閉式開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，因柜內(nèi)發(fā)熱元器件比較多，溫升過(guò)高會(huì)引起電器的機(jī)械性能和電氣性能下降，最后導(dǎo)致高壓電器的工作故障，甚至造成嚴(yán)重事故。為了保證高壓電器在工作年限內(nèi)安全運(yùn)行，必須將柜內(nèi)溫升控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許溫度之內(nèi)，在開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，就要考慮散熱與通風(fēng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)健詞：開(kāi)關(guān)柜；散熱；通風(fēng)

1 開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)散熱與通風(fēng)的設(shè)計(jì)原則

1.1 柜進(jìn)風(fēng)口要大于風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口，建議比值為1.5：1。

1.2 柜進(jìn)風(fēng)口要低于風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口。

1.3 在柜進(jìn)風(fēng)口和風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口之間，不應(yīng)有明顯的障礙物和發(fā)熱器件。

1.4 出風(fēng)口必須和風(fēng)機(jī)配合設(shè)計(jì)，并盡可能放置于柜體頂部。

1.5 柜體出風(fēng)口，即風(fēng)道上風(fēng)口應(yīng)距風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口有一定距離，一般應(yīng)為100～200mm，使風(fēng)道中的風(fēng)在截面上盡可能均勻。

1.6 對(duì)柜體內(nèi)無(wú)風(fēng)道的強(qiáng)迫風(fēng)冷，特別要注意進(jìn)風(fēng)口位置和大小的設(shè)置，它的設(shè)置對(duì)冷卻效果有極大的影響。

1.7 當(dāng)柜體無(wú)防護(hù)等級(jí)要求，而柜底又沒(méi)有進(jìn)線(xiàn)電纜地溝時(shí)，柜體可不要底板，也不需要單獨(dú)設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)口。

1.8 當(dāng)柜體的防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP50，在進(jìn)風(fēng)口需加設(shè)進(jìn)風(fēng)網(wǎng)板過(guò)濾時(shí)，就要加大進(jìn)風(fēng)口的面積，以保證風(fēng)機(jī)的需要，不可使柜內(nèi)造成負(fù)壓狀態(tài)，而不利于散熱。必要時(shí)要在進(jìn)風(fēng)口安裝風(fēng)機(jī)，強(qiáng)迫進(jìn)風(fēng)以保證冷卻需要。

1.9 當(dāng)設(shè)計(jì)較大的并聯(lián)風(fēng)道、特殊風(fēng)道時(shí)，或當(dāng)設(shè)備內(nèi)無(wú)風(fēng)道而又有多處熱源時(shí)，柜體設(shè)計(jì)要和內(nèi)部設(shè)計(jì)一起進(jìn)行，并有效地互相配合。

2 自然風(fēng)冷散熱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 自然風(fēng)冷散熱的設(shè)備內(nèi)部空間應(yīng)比較寬敞，有較大的散熱空間。

2.2 設(shè)備應(yīng)有足夠的順暢的空氣通道。

（1）設(shè)備下部設(shè)進(jìn)風(fēng)口。如設(shè)備無(wú)底板及有地溝，可不單獨(dú)設(shè)進(jìn)風(fēng)口。（2）設(shè)備上部設(shè)出風(fēng)口。采用不加頂蓋、頂蓋支起、頂蓋沖各種網(wǎng)孔等，而且進(jìn)出風(fēng)口盡可能要和柜體防護(hù)等級(jí)一致，（3）設(shè)備內(nèi)部的發(fā)熱器件盡可能放置在設(shè)備上部，便于散熱，并可避免熱量影響其它部件。

2.3 當(dāng)有很重的發(fā)熱部件（大變壓器）必須放置在下部時(shí)，則應(yīng)使其上部有較大的空間或空氣通道，必要時(shí)應(yīng)將熱量引開(kāi)，另設(shè)出風(fēng)口排氣。

3 強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱與通風(fēng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)組成

強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱適用于中等功率設(shè)備的散熱，一般設(shè)備功率在7000kW以下。元器件和聯(lián)接母線(xiàn)由電路已經(jīng)確定，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是將散熱器、風(fēng)道和風(fēng)機(jī)，科學(xué)、合理地組合成強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)。由于所選擇的散熱器的材質(zhì)、型式、大小的不同；風(fēng)道的組成型式不同；風(fēng)機(jī)的型式、風(fēng)量、風(fēng)壓的不同，就使結(jié)構(gòu)組合呈現(xiàn)多樣化，也使冷卻效果成為系統(tǒng)中多種參數(shù)的函數(shù)。合理的選型、設(shè)計(jì)計(jì)算、樣機(jī)實(shí)驗(yàn)、修改、定型等過(guò)程是達(dá)到理想效果的必然途徑。

3.2 散熱效果計(jì)算

3.3 風(fēng)道設(shè)計(jì)

風(fēng)道是形成強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱的重要組成部分，在散熱器設(shè)計(jì)或選定后，風(fēng)道的基本尺寸也就確定了。風(fēng)道的設(shè)計(jì)是和風(fēng)機(jī)的選型配合進(jìn)行的。風(fēng)道的型式和尺寸決定風(fēng)的流向、風(fēng)速的大小，并決定風(fēng)冷散熱的效果。

風(fēng)道的形式多種多樣，我們一般常用的有兩種：串聯(lián)風(fēng)道和并聯(lián)風(fēng)道。

3.3.1 串聯(lián)風(fēng)道

串聯(lián)風(fēng)道是指將發(fā)熱器件的結(jié)構(gòu)單元重疊封閉放置時(shí)（一般取上下重疊），只形成一個(gè)進(jìn)風(fēng)口，一個(gè)出風(fēng)口，風(fēng)流依次冷卻器件的風(fēng)道。

主要特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用標(biāo)準(zhǔn)單元構(gòu)件組成風(fēng)道，也可設(shè)計(jì)整體式風(fēng)道。（2）占用空間小。（3）效果良好。

3.3.2 并聯(lián)風(fēng)道

并聯(lián)風(fēng)道是指將發(fā)熱器件的結(jié)構(gòu)單元并列放置時(shí)，風(fēng)流同時(shí)經(jīng)過(guò)每個(gè)單元的風(fēng)道。

主要特點(diǎn)：（1）冷卻均勻。風(fēng)流由進(jìn)口進(jìn)入后，流經(jīng)每個(gè)單元到達(dá)出口時(shí)，各單元流經(jīng)的風(fēng)量、風(fēng)速、溫度都是相等的，故冷卻均勻。（2）風(fēng)阻小，只有單層單元的風(fēng)阻。（3）散熱效果好。

3.3.3 選用方法

兩種風(fēng)道目前使用的都很普遍。

（1）發(fā)熱器件功率損耗較大時(shí)，如單只元件實(shí)際電流大于1000A時(shí)，選用并聯(lián)風(fēng)道較多。效率高，并且均勻。（2）并聯(lián)風(fēng)道占用空間較大。整體并聯(lián)風(fēng)道要用較大的軸流風(fēng)機(jī)，體積、噪音都較大，同時(shí)往往要和柜體一起設(shè)計(jì)，由柜體組成風(fēng)道。（3）中等功率的設(shè)備（7000kW以下）使用串聯(lián)風(fēng)道較多。結(jié)構(gòu)緊湊，并且簡(jiǎn)單。

3.3.4 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

（1）風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓要和風(fēng)道的設(shè)計(jì)相適應(yīng)。串聯(lián)風(fēng)道中，每層散熱器的風(fēng)阻（散熱器進(jìn)出風(fēng)口的壓差）都使風(fēng)速降低，影響散熱效果，所以，在串聯(lián)層數(shù)較多時(shí)（>6層），應(yīng)考慮使用風(fēng)壓較大的離心式風(fēng)機(jī)。在完全封閉的串聯(lián)風(fēng)道中，在總風(fēng)量不變時(shí)，各層的風(fēng)速應(yīng)相等。此時(shí)，進(jìn)口處的空氣溫度低，而出口處的溫度高，即對(duì)下層的散熱效果好，而對(duì)上層的散熱效果差，同時(shí)，空氣隨溫度的升高而膨脹，更不利于上層的散熱。并聯(lián)風(fēng)道本身的進(jìn)風(fēng)口面積較大，風(fēng)阻較小，要使每個(gè)單元都流經(jīng)同樣風(fēng)速，風(fēng)溫的風(fēng)量就要采用大風(fēng)量的軸流風(fēng)機(jī)。（2）散熱器散熱片的方向要和風(fēng)道中風(fēng)流的方向一致。（3）無(wú)論何種風(fēng)道，為提高風(fēng)速，增強(qiáng)散熱效果，都可以在抽風(fēng)式的進(jìn)風(fēng)口或吹風(fēng)式的出風(fēng)口設(shè)置檔風(fēng)板，迫使風(fēng)量集中于散熱器。（4）要注意柜體進(jìn)出風(fēng)口的大小、位置的設(shè)計(jì)。進(jìn)風(fēng)口面積要大于風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口；進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)阻應(yīng)盡量小，必要時(shí)，進(jìn)風(fēng)口可加小風(fēng)機(jī)；進(jìn)風(fēng)口的位置要低于風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口，較低為好。（5）無(wú)論何種風(fēng)道，風(fēng)進(jìn)入風(fēng)道后首先要冷卻散熱器，不可被其它發(fā)熱器件阻攔。此類(lèi)器件必須放于從屬冷卻的位置。（6）風(fēng)道可以設(shè)計(jì)成整體式也可以設(shè)計(jì)成單元組合式。設(shè)計(jì)要有利于風(fēng)速的流暢和有效，風(fēng)道內(nèi)部盡可能光滑，在保證電氣間隙和爬電距離的要求下，盡可能避免風(fēng)短路。（7）要處理好進(jìn)出風(fēng)道的帶電母線(xiàn)的絕緣設(shè)計(jì)。過(guò)線(xiàn)孔隙可以是補(bǔ)充風(fēng)量的進(jìn)風(fēng)口，它以結(jié)構(gòu)的合理為主來(lái)完成。

4 結(jié)束語(yǔ)

柜體的散熱與通風(fēng)是柜內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮的重要因素，合理的風(fēng)口、風(fēng)道、風(fēng)機(jī)、散熱片的設(shè)計(jì)才能保證柜內(nèi)溫升達(dá)到合適的水平。