戶外機柜結構設計要點研究

郝春霞

摘要：戶外機柜由于其使用環境多種多樣，比室內機柜的環境更加復雜、嚴酷，為保證機柜能夠長期穩定地運行，需要綜合考慮多種因素。在結構設計時，要綜合考慮現場多種氣候條件，考慮設備外殼的耐腐蝕性、防紫外線性能、防水防塵效果以及散熱性等，從而保證機柜電氣性能。該文對戶外機柜的結構設計要點進行詳細分析，希望對戶外柜結構設計提供一些參考。

關鍵詞：戶外機柜防水防塵結構設計接地系統

中圖分類號：TU85文獻標識碼：A ? 文章編號：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，隨著在電力系統中使用的自動化智能化電氣設備越來越多，在戶外運行的機柜設備隨之增加，如開關柜、變頻柜、通信柜、配電柜以及各種電力監測設備等。戶外機柜的結構設計是否合理，將直接影響到設備的現場實際安裝能否快速可靠、設備運行能否長期穩定以及后期運維能否便捷高效。追求更加合理的、實用性強、適應性好的戶外柜結構設計，成為未來必然趨勢。在設計戶外機柜時，通常需要從使用環境、安全性、電磁兼容性、防護等級等多方面進行考慮[1]。

1環境因素對戶外機柜的影響

不同的使用環境，應考慮不同的設計方案。戶外環境中，影響因素多種多樣，不能單一地考慮某一方面的影響，應綜合考慮所有條件。

1.1 紫外線的影響

機柜長期在戶外運行，長期受紫外線照射，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，來提高機柜防紫外線能力。紫外線的照射會導致柜內溫度升高，當溫度過高時會影響設備運行，應增加機柜散熱功能和溫控功能。

1.2 溫度的影響

溫度過高將加速電氣設備的絕緣老化，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期降低一半。對于電子器件則表現在高溫能導致半導體元件的熱擊穿，或者性能降低，導致設備運行故障。常用的機柜散熱方式有：強制風冷散熱、熱交換器散熱和空調散熱，在結構設計時，應充分考慮現場使用條件及成本預算，選擇合適的通風散熱方式[2]。

1.3 空氣濕度的影響

空氣濕度過高會對電氣設備的正常運行產生非常大的影響，降低電氣設備的絕緣強度，甚至引發重大電氣事故。一般最好保持濕度小于60%，不能大于80%。可以在機柜中安裝空調，選擇“除濕”模式，若不理想，應考慮安裝工業除濕機，定時自動除濕。而對于機柜表面處理也應注意，采用電鍍、氧化、烤漆、噴粉等方式來提高其抗腐蝕能力。

高溫高濕會對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，高濕能夠提高化學性物質的活性。高溫高濕為霉菌生長提供關鍵條件。

1.4降雨的影響

強降雨對設備最大的危害是，水會破壞電氣設備的絕緣能力，繼而導致設備損壞，甚至危及人身安全。在結構設計時，應充分考慮機柜的防水等級，做好機柜的密封，防止滲漏;選擇合理的安裝方式;應有防止浸泡的隔離措施等。

1.5沙塵的影響

長期在戶外運行的機柜，若柜內積累沙塵，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會影響散熱，造成設備故障。結構設計時，應做好防塵措施，比如：在進出風口安裝合適的濾棉，增加濾棉同時也會增加風阻，從而影響散熱，要定期進行維護更換;設計專用獨立風道，有效隔離沙塵與器件的接觸，同時兼顧散熱;或機柜整體密封，采用空調散熱的方式進行溫度調節[3]。

1.6鹽霧的影響

鹽霧是安裝于沿海地區的戶外機柜必須考慮的因素。鹽霧對金屬結構和線路具有腐蝕性，會造成電氣設備腐蝕和線路閃落，腐蝕機柜表面涂層，加速機柜腐蝕破壞。在結構設計及選材時應注意：結構件及金屬鎖具必須選用專業產品，可采用不銹鋼材質，當采用普通鋼板時，要求熱鍍鋅處理或表面涂覆處理，涂覆層要求完整無孔，化學穩定，厚度滿足國標要求。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。根據不同地區氣候環境選用適用的腐蝕等級的產品。對于柜內電氣設備的保護，最現實的辦法就是加強機柜的密封性，保證柜內不受鹽霧侵蝕[4]。

2戶外機防塵防水結構設計

對于戶外安裝的機柜，為避免遭受外界惡劣環境影響，機柜的密封性能至關重要。根據《外殼防護等級（IP代碼）》（GB/T 4208-2017），推薦戶外機柜防塵防水等級不低于IP55為宜。第一個數字5為防塵等級，其意義為：不能完全防止塵埃進入，但進入的灰塵不得影響設備的正常運行，不得影響安全;第二個數字5為防水等級，其意義為：向外殼各個方向噴水無有害影響。

水和粉塵進入機柜的途徑一般為風道或是結構件的接縫處，比如門縫、電纜進出口處、鎖具及鉸鏈安裝處。在結構設計時，應選用合適的密封材料及工藝，合理的防水結構設計，從而達到防護等級要求。

全密封的設計可以完全防塵，達到IP6的等級。在機柜各部位結構件的接縫處，都使用橡膠或彈性密封材料實現密封。

常規風冷式散熱，可在進風口和出風口安裝防塵網，這種方式最多能做到IP5的防塵等級。缺點是：機柜長期戶外運行，灰塵容易堵塞防塵網，影響設備性能，應定期清理更換。

機柜的防水設計，重點考慮部位應該是機柜各個結構件的連接部位、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，鎖具應選用防水性能好的鎖具，鉸鏈的安裝可避開接縫處，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進行防護。結構設計應考慮合理的機柜防雨罩及內部導流槽，對于鈑金機柜，應盡可能采用滿焊的方式對結構件進行連接[5]。

3戶外機柜接地系統設計

有效接地可以保護設備，保證人身安全，同時還可以起到屏蔽作用，可以防雷擊、防靜電、保證電磁兼容性。

機柜內應設置保護接地匯流排和信號及屏蔽接地匯流排。保護接地作用為保護人身和設備安全，如保護地、防雷地、防靜電等。信號及屏蔽接地作用為抑制干擾，為信號電壓或是系統電壓提供一個穩定的電位參考點。為了防止對低電平信號的干擾，在機柜內部設計時，注意控制系統的工作地不能和保護接地混用[6]。

保護接地匯流排：機柜內部應設計接地排，通常選用銅材質，可以做表面鍍錫處理，增強其防腐蝕能力，其截面面積應大于50 mm2。機柜內所有電器元件的接地點應通過銅導線均接至接地排，地排地阻小于4Ω;各金屬部件也必須連接至此接地排，任意兩點之間的連接電阻應小于0.1Ω;機柜門、蓋板、外殼、框架等結構件之間應用地線可靠連接，并最終接至接地排，保證電氣連續接地。所有連接地線均應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，結構設計時，應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戶外機柜電磁屏蔽設計

目前各種應用于戶外的電子設備越來越多，電磁環境日益惡化，對于使用在相當惡劣的電磁環境中的機柜，為了避免設備能夠不受現場外界電磁干擾，同時不對其它設備產生干擾，那么設計中電磁屏蔽的設計尤為重要。

在進行機柜屏蔽材料選材時，應考慮現場干擾源的頻率。對于低頻率的情況，可采用鐵磁材料進行屏蔽;對于高頻率的情況，應采用良導體材料進行屏蔽。

機柜內部由于存在大量的電路板，不可避免地會產生相互干擾，影響設備性能。在結構設計中，應采取措施減少這種干擾。比如：在相互干擾的電路板之間設計屏蔽板，屏蔽板應可靠接地;若不接地，那么干擾將會更加嚴重。

在屏蔽體的接縫處最好采用連續焊接，或在接縫處安裝導電的襯墊。對于門框四周，應安裝合適的鈹銅簧片，以提高電磁兼容效果。

對于面板上需要安裝液晶屏、開關、指示燈等器件的情況，應考慮在這些器件的后部專門設計屏蔽罩，屏蔽罩應與所在金屬面板用導電襯墊可靠連接。

5結語

戶外機柜的結構設計除了要美觀、堅固可靠，便于現場快速安裝，方便維護維修外，還應考慮其抗震能力、防腐蝕能力、電磁兼容性等，更不要忽視了機柜的防塵防水能力的設計。兼顧多方面因素考慮，才能設計出安全可靠、符合標準規范、適用客戶需求的產品，同時應充分考慮結構工藝的可行性以及是否滿足經濟性要求，提升生產效益，促進企業發展。

參考文獻

[1] 何洲紅.戶外機柜掛攀零件連接處的結構優化設計[J].科學與財富，2020（4）：365.

[2] 李莉.戶外機柜結構設計中應考慮的問題[J].信息周刊，2018（23）：1.

[3] 李順華.鈑金結構機柜防塵防水設計的研究[J].環球市場，2018（11）：344.

[4] 李珺.電氣工程中防雷接地系統施工技術探析[J].環球市場，2020（10）：278.

[5]葛翰林.基于PLC控制的密封裝置位置監測與安全防護[D].大慶：東北石油大學，2020.

[6]喬雪薇.柴油加氫裝置質量升級改造的自控設計[D].撫順：遼寧石油化工大學，2020.