电力机柜散热方式的研究

摘 要 随着电力电子技术的发展，对电力机柜的散热能力也提出了更高的要求。由于散热设计与机柜的结构设计密不可分，在机柜设计前即需确定散热的方式。本文从散热原理出发，就常用的机柜通风散热方式进行了介绍与分析，阐述了各

散热方案的选用原则与设计要点。

关键词 电力机柜；散热；对流；风冷

中图分类号 TP308文献标识码 A文章编号 1673-9671-（2012）111-0162-02

随着中国经济的快速发展，生产和生活对电力的依赖程度越来越大，稳定的电力供应已经不单影响着人们日常生活质量，更关乎经济社会的发展与稳定。在影响电力装置可靠性的多种因素中，散热是至关重要的一个。作为众多精密设备载体的电力机柜，选择合理的散热方式显得尤为重要。

1 散热的原理与分类

在热力学中，热量的传递方式主要有三种：热传导，热对流和热辐射。物质本身或当物质与物质接触时，能量的传递就被称为热传导，这是自然界最普遍的一种热传递方式。热对流指的是流动的流体将热带走的热传递方式。热辐射则是依靠射线辐射传递热量，日常最常见的就是太阳辐射。在日常的热量传递中，这三种方式都不是孤立的，而是同时发生共同起作用的。

电子设备热结构设计通常分为三个层次：器件级、PCB板级、系统级。电力机柜的散热系统属于系统级，将机柜内部安装的各个设备散发出的热量转移到柜外是其主要目的。由于机柜与其内部安装的设备接触面积有限，所以机柜的散热系统主要是通过空气的热对流方式来实现的。常用的散热方案有自然对流、强制对流、闭式循环制冷三种，分别通过柜体开通风孔、加装风机、配备热交换器和工业空调器等方法来实现。

2 方案的选择与实现

2.1 自然对流

自由通风就是通过空气的自然对流将热量带走的一种基本散热方式，一般通过在柜体开通风孔来实现。这种散热方式效率低，但是由于它的结构简单、无噪音、零维护，特别是不依赖其他设备，所以可靠性高。对于机柜内发热量不大的情况，一般采用此种方式。

在柜体上开通风孔的目的是为了充分利用气流的对流换热作用。通风孔的位置要有利于气流形成有效的自然对流通道：柜体下部设有进风口，上部设有出风口，冷空气经过柜体下部的通风孔进入柜体，被加热后通过柜体上部的通风孔流出，达到散热的目的。为防止灰尘落入通风孔，顶部开通风孔后需加装防尘板。当有一系列机柜需要并柜时，通风孔不可开在两侧。通风孔的形状、大小可根据机柜应用场所、电磁兼容性及可靠性要求进行选择、布置。

选用自然通风方式散热要求柜体的内部空间应比较宽敞，有较大的散热空间，能提供足够的顺畅的空气通道。柜体内部的发热器件尽可能防止在柜体上部，便于散热，并可避免热量影响其他部件。.当有很重的发热部件必须放置在下部时，则应使其上部有较大的空气通道，必要时应另设出风口，将热量导出。

2.2 强制对流

强迫风冷就是利用外力驱使空气高速对流把热量带走的散热方式。强迫风冷式散热的特点是散热效率高，典型方法就是使用风机。强制风冷的能力比自然散热大10倍左右，但是成本、噪声和复杂性需相应增加。此方式适用于适用于柜内有较大热源，或使用环境状况较差的情况。强制对流效果的好坏，重点在于风机的选择和风道的设计。

2.2.1 风机的选择

风机可分为轴流式和离心式两类。轴流式风机的特点是风量大、风压小。离心式风机的特点是风压较高，一般用于阻力较大机柜的冷却。

选择风机时应主要考虑风量、风压、噪音、体积等因素。当要求风量大、风压低的机柜，尽量采用轴流式风机，反之，则选用离心式风机。风机的类型确定后，再根据要求来选择具体的型号和尺寸。当所选风机的风量或风压不能满足要求时，可考虑风机的串联或并联方式。

对于一些特殊的场合，风机工作时的噪音应控制在一定范围之内。风机进风口受阻做产生的噪音比其出风口受阻所产生的噪音大好几倍，所以一般应保证风机进风口距离阻挡物至少30 mm的距离，以免产生额外的噪音。对于不得不采用大风量、高风压从而产生较大噪音的情况，可以在机柜的进风口、出风口、前后门内侧、风机框面板、侧板等处，在不影响进风的条件下贴吸音材料，吸音效果较好的材料主要是多孔介质，如玻璃棉，厚度越厚越好。有时由于没有合适的风机而选择了较高转速的风机，可在保证设计风量的前提下，通过调整风机的电压降低风机的转速，从而降低风机的噪音。风机安装在柜体上时，可在风机下面安装减震器，进行隔振以减少噪音。

通常情况下，机柜的进、出风口都加装有过滤棉。过滤棉根据材质的不同，可分为四种类型：合成纤维过滤棉、无纺布过滤棉、玻璃纤维过滤棉、活性炭过滤棉。按照过滤能力可将过滤棉分为粗效、中效、高效等数种，其中粗效过滤棉主要过滤大于5μm的尘埃粒子，中效过滤棉主要过滤大于1 μm的尘埃粒子。过滤棉最好能配合振动电机使用，定期自动除尘，可有效延长过滤棉更换周期。也可安装温控器来控制风机，延长过滤棉的更换周期的同时还可延长风机的寿命。

2.2.2 风道的设计

强迫风冷系统中，通风管道是不可或缺的组成部分。流动的空气有如电流，哪儿阻力小就往哪儿走。如果没有风道，风就会绕过阻力大的散热器，而设计合理的风道则可以显著提升系统的散热能力。

风道首先应尽量短，这样可以降低风道的阻力损失，节省材料，方便制造与安装。其次，尽量采用直管，避免急剧拐弯、骤然扩张或收缩。扩展的张角不得超过20°，收缩的锥角不得大于60°，风道的截面积最好和风机的出口一致且接近于正方形。另外，还应采用光滑材料制作管道，所有搭接都应顺着流动方向设置风道与机柜的进、出风口之间的位置也有要求。柜进风口要大于且低于风道进风口；柜进风口和风道进风口之间，不应有明显的障碍物和发热器件；风道上风口应低于机柜出风口一定距离，一般取100 mm～200 mm，使风道中的风尽可能均匀排出。对于重要的独立风道可用帆布风管直接与机柜出风口软连接，减震增效的同时还降低了制造与安装的难度。

2.2.3 鼓风与抽风的比较

机柜中风机设置位置的不同，又把强制风冷散热系统分为鼓风与抽风两种方式。

鼓风系统是把风机设置于机柜机下侧部或底部的进风口，把外界冷空气吹入柜内，这样可以建立机柜内部与环境之间微弱的正压，并产生一部分涡流，改善换热性能。鼓风冷却的特点是风压大、风量比较集中。通常用在柜内热源分部不均，风阻较大的情况。但是风机电动机的热量也被带入柜内，影响散热效果，非密封式机柜还会有漏风现象。

抽风系统是从机柜抽出受热的空气，风机的电动机热量不会进入柜内，而且还可以从柜体缝隙中抽入一部分冷空气，提高了冷却效果。抽风的特点是风量大，风压小，各部分风量比较均匀。抽风冷却主要适用于热源比较分散、风阻较小的柜体。由于热空气的密度比较小，因此抽风机一般都装在柜体顶部或上侧面。为防止气流短路，只允许在柜体底侧开通风孔。

所以，当柜内风阻相同，且柜体有缝隙存在时，抽风形式的冷却效果比鼓风形式好，但缺点就是未经过滤的空气则可从机柜缝隙或线孔进入柜内。

2.3 闭式循环制冷

在诸如高温、需冲刷或空气中含有粉尘或腐蚀性化学物的恶劣情况下，环境中的空气就不许进入机柜，此时就需要通过闭式循环制冷系统来散热。这种闭式循环制冷系统包含两个独立的循环系统，一个系统将周围空气隔绝在外，在柜内冷却、循环干净空气；另一个系统使用外界空气或水来带走热量。机柜中使用的实例就是热交换器和机柜空调，其中机柜空调是唯一可以使柜内温度低于环境温度的散热方式。

2.3.1 热交换器

热交换器按照其冷却介质，一般可以分为：空气/空气热交换器、空气/水热交换器。它们按安装方式可分为：壁挂式和顶装式。

空气/空气热交换器有两个相互隔离的空气流动空间，一个与机柜内部相通，另一个与外部空间相通，柜内的热空气被吸入热交换器内，热空气的热量通过散热片由热管传到热交换器的另一端，然后通过外部空气的流动将热量排到大气中。

空气/水热交换器，其工作原理与空气/空气热交换器是一样的，只是冷却介质是水，可以通过调节进口水温度和流量来改变热交换器的功率。其优点是专门用于多尘、多油及高热负载的地方，缺点是必须要有供水管路。

2.3.2 机柜空调

风机和热交换器适用于柜内温度高于环境温度的情况，但是当环境温度高于柜内温度时，那就应该考虑使用机柜空调了。空调按照其安装方式，一般可以分为：壁挂式、嵌入式和顶置式。按其制冷原理，可分为压缩机式和半导体式。压缩式机柜空调通过压缩机将冷媒压缩、冷凝放热，再蒸发吸热来降低环境的温度，制冷量大但能耗高。半导体空调通过电子的迁移转移能量，没有压缩机和冷媒，空调的结构比较紧凑，制冷量较小但能耗低。

选择空调时应该注意空调制冷量应达到机柜内部设备散热量的110%左右。机柜应该密封以防止外部空气进入，同时使用门控开关来防止开关门时冷凝水的大量产生。柜体要做好对冷凝水的防护设计，防止冷凝水流入柜体内部。空调内外部进出风口应通风顺畅不被遮挡，以保证最佳的空气循环效果。

考虑到冷凝水的因素，空调的温度并不是设置的越低越好，一般35℃即可很好的平衡设备寿命和减少冷凝水这两者的关系。温度越低，机柜内电子元器件产生的内应力越大，这会加速电子元器件的机械损伤和电气参数的变化，进而影响机柜的稳定性。所以在相同换热量的情况下，风量越大越好，且小温差大风量又有利于防止机柜内局部过热现象的产生。

空调散热方法的效果显著，但是也存在一些问题。空调体积较大，运行成本高，且运行时会有振动产生。空调需要不定期的检修，冷凝器翅片需要定期清洗，增加了维护成本。而且如果现场有防爆要求，那空调的价格就更加昂贵。这些都是选用空调前需要考虑的问题。

3 结束语

在电力机柜中，即便最微小的过热也能造成极为严重的后果，轻则故障停机故，重则酿成事故。因此，机柜不能只关注本身的结构设计，还要兼顾散热的要求。上面所述的各种散热方法分别适用于不同要求，有着各自的优点与弊端。遇到具体情况，应本着经济实用的原则，设计出一种或多种具体方案，然后再仿真比较和验证，从而确定出最优方案和结构。

参考文献

[1]吕永超，陈双根.电子设备热分析、热设计及测试技术综述及最新进展[J].电子机械工程，2007，23（1）：5-10.

[2]于庆，李峰.电子设备机械结构设计手册[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3] GB/T 14295-2008，空气过滤器[S].

[4]赵殳.电子设备热设计[M].北京：电子工业出版社，2009.

[5]干练，刘永，侯春枝.电子机柜专用空调机特殊要求的研究[J].制冷，2009，28（02）：40-42.

作者简介

王健（1982—），男，助理工程师，主要从事电力机柜结构设计工作。

推荐访问： 机柜 散热 电力 方式 研究