電氣柜的故障防護方法研究

2018-05-16 10:08:43杜曉陽季海波杜飛朱美玲詹志明

機械工程師 2018年4期

杜曉陽，季海波，杜飛，朱美玲，詹志明

（1.寧波吉利汽車研究開發有限公司，浙江寧波 315336；2.池州職業技術學院，安徽池州 247100）

0 引言

電氣柜是重要的電氣設備，塵埃和水分等進入后，會對里面的產品產生危害，可能會造成設備失效；因此，對其進行故障防護很有必要。田翔等[1]對電梯控制柜進行了研究，可以為電氣柜防護提供參考。王納林[2]對鏜床電氣柜進行了研究，對本文的研究提具有借鑒意義。文獻[3]～[6]對電氣柜及相關產品，從不同角度進行了深入研究，為本文的電氣柜防護研究帶來借鑒作用。文獻[7]～[8]詳細分析了開關柜的故障，對本文電氣柜故障防護具有較大的指導意義。文獻[9]～[15]對電氣柜各個方面進行了深入研究，也為本文的研究提供重要參考。然而文獻中關于電氣柜故障防護中未進行系統的防護方法研究。為了能夠系統地對電氣柜故障防護進行研究，本文從防護設計的基本原理、標準和方法出發，并引用實際案例進行探討。研究表明,給出的電氣柜故障維護方法具有理論科學性和工程可行性。本文的研究能夠從理論角度獲得電氣柜故障防護方法，對于拓寬電氣產品設計人員的設計思路和提升專業技術水平具有參考價值。

1 電氣柜故障防護標準

塵埃和水侵入電氣設備或者產品會造成以下的危害：改變內部設備的電氣性能，造成設備的短路；阻滯和磨損內部的運動零部件；阻塞通風口，過濾網等，影響設備散熱。塵埃按粒徑大小劃分為粗塵，其粒徑大于等于40 μm，極易沉降；細塵，其粒徑為10～40 μm，人可以見到，一般加速沉降；微塵，其粒徑為0.25～10 μm，人眼不可以看見，一般等速沉降；超微塵，其粒徑小于等于0.25 μm，人眼不可以看見，其可以長期懸浮。容易損壞電氣柜的水分，特指空氣中含礦物質的水和鹽霧等。因此，電氣柜的故障維護標準主要根據防塵和防水來制定。

根據GB 4208-2008/IEC 60529:2001標準的規定，電氣或者電子設備的外殼防護等級（即IP代碼）通常由2位阿拉伯數字組成，常見的如IP20、IP54和IP68等，其具體含義如表1和表2所示。表1中，對設備防護的含義，即防止固體異物進入；對人員防護的含義，即防止接近危險部件。

表1 固體防護等級

2 電氣柜故障防護方案研究

電氣柜的故障維護方法主要有：風道結構角度的維護，包括風道進出風口和風道結合部的縫隙；結構性角度的維護，包括門縫、電纜進出口、部件的結合縫隙和防護網的選擇。下面將對故障維護方法進行詳細論述。

2.1 風道結構的防護方法

風道結構的維護主要關注兩個部位，即風道進出風口和風道結合部縫隙。

1）風道進出風口的防護案例。圖1所示為電氣柜風道進出風口的防護設計案例示意圖。圖1中箭頭表示風向，風從下部進風口進入風道，經過風道迷宮隔板，由出風口進入電氣柜，然后出去。右圖為左圖所選框中部位的局部放大圖。

由圖1案例可見，對于風道進出風口的防護設計，主要有3個要素：a.防水結構要素：風道迷宮隔板將從進風口進入的風中水分去除，使其不能進入上部，從而不能進入電氣柜內部；b.防塵結構要素：風道出風口安裝的防塵罩和防塵網，能夠有效避免空氣中的塵埃經過風道進入電氣柜；c.排水結構要素：風道結構中設計的積水排出口，可以將風道中的水分排出。

圖2所示為典型的隔離風道結構圖。隔離風道的設計一般用于對散熱和防護要求較高的產品，民用和商用的較多；非隔離風道的結構形式較為簡單，成本相對較低，工業產品中使用的比較多。

表2 液體防護等級說明

圖1 電氣柜風道進出口防護案例的示意圖

圖2 典型的隔離風道結構圖

風道防護設計的要點有：a.當非隔離風道進風口的位置在機柜、模塊底部時，氣流在通過防塵網引起的壓力損失小；進風口位置離地面控制在100 mm左右；b.風道出風口一般風速較高，在2 m/s以上，因此可不加防塵網，但如果采用上出風設計時，必須考慮頂部防塵防水；c.負壓抽風系統的散熱效果優于正壓吹風系統，但是正壓吹風系統的防塵效果明顯優于負壓抽風系統，同時，由于風扇在兩個系統中的工作環境溫度差別較大，正壓吹風系統的風扇壽命一般優于負壓抽風系統；d.尤其注意，風道設計與電氣柜的散熱設計密切相關，需要綜合散熱和防護兩方面需求統一進行考慮。

2）風道結合部縫隙的防護設計。一般采用安裝密封條或者涂抹密封膠達到防護目的，對IP55要求設備在進風口大于1 mm的縫隙均要進行處理。

2.2 結構性結合部位的防護方法

1）門縫的防護設計。門縫的防護設計，一般采用密封膠條進行封堵，常見的有三元已丙橡膠密封條和發泡膠。目前較為高端的機柜一般采用點發泡膠的方式，可以取得較好的防護效果。圖3所示為門縫采用發泡膠防護的示意圖。密封材質的選用原則為：針對不同的使用環境條件，密封膠條和配套使用的粘接劑與密封劑，在抗老化、耐腐蝕、耐酸堿、防蟲、抗霉菌和防紫外線等方面的要求也不同，應當根據不同的需求來選擇密封材質。例如風力發電產品中，一般要求密封材料具備一定的阻燃等級。

2）電纜進出口的防護設計。在電氣產品的柜體上不可避免地需要設計電纜進出口，在有防塵防水要求的情況下，一般采用防水接頭進行處理。防水接頭主要包括線纜過線類和接插件類，如圖4和圖5所示。防水接頭的使用設計要求為：a.過線類線纜需要足夠高的拉伸強度；b.單個防水接頭只可穿過單根線纜；c.線纜在穿過活動部件上的防水接頭時，需要根據實際情況預留出一段線纜，以防止部件活動線纜拉扯受力，同時預留出的線纜也要注意彎折方向和防剮蹭保護，如圖6所示，防水接頭位于柜門上，當柜門開合時線纜隨之拉伸彎折。

3）結構件結合縫隙。對于結構件的結合縫隙一般是采用涂密封膠或者是加裝密封條來達到IP防護等級的要求。

4）通風口的防塵網選擇。圖7為防塵網結構圖，呈現折疊式形態。防塵網的規格要求為，需采用具有阻燃性的材料HF-1，應當采用金屬網，以防蟲鼠危害，起保護作用。防塵網應用的結構設計要考慮：a.滿足電氣柜的熱學要求；b.具有良好的保護功能，能避免電氣柜被外物破壞；c.具有工程上的便利性，比如維修和清潔等。