电工电子设备机柜安全的基本要素和设计要求

中煤电气有限公司 徐华云

机柜是电工电子设备机械结构产品属性的表现形态之一，其安全设计要求源于电工电子设备机械结构的相关标准，而电工电子设备机械结构的安全设计则源于：

GB 19517-2009《国家电气设备安全技术规范》；

GB/T 25295-2010《电气设备安全设计导则》；

GB/T 18663.1-2008《电子设备机械结构 公制系列和英制系列的试验 第1部分：机柜、机架、插箱和机箱的气候、机械试验及安全要求（IEC 61587-1:2007）》；

GB/T 18663.2-2007《电子设备机械结构 公制系列和英制系列的试验 第2部分：机柜和机架的地震试验（IEC 61587-2:2000）》；

GB/T 18663.3-2007《电子设备机械结构 公制系列和英制系列的试验 第3部分：机柜、机架和插箱的电磁屏蔽性能试验（IEC 61587-3:2006）》。

本文是将这些基础标准中的相关要求综合于对机柜产品属性这一对象的进一步描述。

所谓机柜产品属性，即机柜可以作为商品由制造商提供给用户。

本文指出了机柜的安全的基本要素和设计要求。不排除可以达到要求的任何不同于本文所述的要求，只要这些方法经过试验或评估可以满足安全水平的要求。

机柜一般用金属材料制造，但其中的结构件可能会用其他非金属材料制造。在涉及安全设计时，认为金属材料具备导电的特性，而非金属材料则应满足对绝缘材料的要求。

一、机柜安全的基本要素

机柜的安全的基本要素会因产品的特点的不同而会有差异，应注意了解产品标准更为细致的规定。基本要素主要包括

1、使用期限内的安全（预期寿命）

安全水平应在产品使用期限内保持不变，即保证在规定使用期限内机柜应保持规定的安全水平，即使在超过适当使用期限,也不允许造成危险。

2、承受预见危险的能力

机柜应能承受预见会出现、且能引起危险的物理和化学作用（如静态或动态、液体或气体、热或特殊气候等）时不会造成危险。并且：

——一旦出现危险（过载），采用安全的技术手段中断技术过程（例如可立即切断电源）；

——能截获或处置由于材料缺陷、磨损或过载、跌落造成危险的部件

3、电击危险防护的能力

对电击危险，其主要特征表现为：

——人体构成闭合电路的一个组成部分，使人体的一部分相当于电路中的负载阻抗；

——在一个相当长的持续时间间隔内，有足以危及人身安全的电流通过人体；

——在人身的某两个部分之间施加足以危及人身安全的接触电压。

设计上，针对上述特征应采取相应的技术手段，实现对电击危险的防护：

——电能直接作用的防护；

——电能间接作用的防护。

电能直接作用的防护技术措施有：

——绝缘技术；

——防直接接触保护。主要的技术措施有：采用安全特低电压、外壳防护、电气隔离等；

——防间接接触保护。主要的技术措施有：保护接地，双重绝缘结构，故障切断等。

4、耐热能力

由于电流的热效应、铁磁材料损耗、介质损耗、局部放电、机械损耗及设备内部的功能性发热元件会使机柜的温度升高，而大于周围的环境温度。

固体绝缘在热应力作用下会使绝缘材料或工程塑料软化、变形、脱层。然后在机械应力作用下断裂、破坏而丧失功能，造成电击危险；支撑带电零件的绝缘过热会引发燃烧而酿成火灾。

电气绝缘的耐热能力和绝缘等级选择是机柜安全设计的必备因素。包括导电部件，支撑带电零件的电气绝缘的耐热能力是依据其温度特性和固体绝缘物的耐热等级用温升指标来考核。温升限值的规定对机柜因使用环境、工作周期、使用寿命的不一样而规定有不同限值。

5、防直接接触保护的能力

防直接接触保护设计要满足保护人和动物不受与机柜带电部分直接接触时所造成危险的要求。设计的防护措施必须在任何情况下，都能使危险的带电部分不会被有意或无意触及，或者将带电部分的电压值或触及电流值降低到没有危险的程度。

6、防间接接触保护的能力

外露可导电部分是指机柜的可触及的导电部分，不是带电部分，但在故障情况时能处于危险的接触电压之下。

防间接接触保护设计要满足保护人和动物接触到机柜外露导电部分上危险的接触电压时所造成危险的要求。

7、可靠的电气联接和机械联接

应充分考虑机柜在使用中受到的热、振动及其他机械应力作用，其联接的松动或脱落而造成电击、机械危险。

8、防止静电积聚的措施

应有防止静电积聚的技术措施。

9、选择适应的材料

材料的选择应满足：

——采用的材料在产品制造过程中和所有可能的运行状态下都不能对人的健康、生命产生有害影响；

——应有足够的抗老化能力；

——用于有腐蚀危险的部件应采用抗腐蚀的材料。

10、人体工效学的应用

机柜的外形、结构、尺寸、布局等要与人体尺寸、体力、环境和生理学、解剖学的特点相匹配，即符合人类工程学。

二、机柜安全设计要求

（一）环境适应性

1、使用环境温度的设定

一般规定为户内机柜的周围空气温度不超过40℃而且在24h内平均温度不超过35℃。周围空气温度的下限为-5℃。

运输、贮存和安装条件一般为度范围在-25 ℃～+55℃之间。

2、大气条件的设定

一般规定为内机柜的大气条件为空气清洁，在最高温度为40℃时，其相对湿度不超过50%；在较低温度时，允许有较大的相对湿度。例如在20℃时的相对湿度为90%，但应考虑到由于温度的变化，有可能会偶尔产生适度的凝露。

3、污染等级的设定

为了确定电气间隙和爬电距离，应按下列四个微观环境的划分，确定机柜使用环境的污染等级：

污染等级1: 无污染或仅有干燥的、非导电性的污染，该污染无任何影响。

污染等级2: 一般仅有非导电性污染，然而必须预期到凝露偶然发生短暂的导电性污染。

污染等级3: 有导电性污染或由于预期的凝露使干燥的非导电性污染变为导电性污染。

污染等级4: 造成持久的导电性污染，例如由于导电尘埃或雨雪引起的。

4、海拔高度的设定

一般规定为海拔高度不超过2000 m。海拔2000 m以上时应修正温升限值。

5、特殊使用条件

特殊使用条件例如：超出规定的温度值、相对湿度或海拔高度、在使用中，温度和/或气压急剧变化，以致在机柜内易出现异常的凝露、空气被尘埃、烟雾、腐蚀性微粒、放射性微粒、蒸汽或盐雾严重影响、暴露在强电场或磁场中、暴露在高温中、受霉菌或微生物侵蚀、安装在有火灾或爆炸危险的场地、遭受强烈振动或冲击。

（二）电击危险防护

1、绝缘的基本要求

（1）绝缘电阻

绝缘电阻值按产品的使用环境、使用场所、应用的功能在产品标准规定相应的数值，应根据所规定的数值选择绝缘材料。

通过测量绝缘电阻能有效地发现下列缺陷：

——两极间有穿透性的导电通道；

——受潮；

——表面污垢（比较有、无屏蔽环极时所测得的值即可知）。

通过测量绝缘电阻一般不能发现下列缺陷：

——绝缘中的局部缺陷（如不穿透的局部损伤或裂缝、含有气泡、分层脱开等）；

——绝缘的老化（因为老化了的绝缘，其绝缘电阻还可能是相当高的）。

（2）泄漏电流

应该注意这样的实际情况，即应用在机柜任何品质优良、完好的绝缘在正常工作时都会有漏电流流过绝缘经外壳流入大地，应予以限制。

（3）接触电流

接触电流仅在人体或人体模型形成电流通路时才存在。就安全而言，主要考虑可能流过人体的有害电流（该电流不一定等于流过保护导体的电流）。

有害电流作用在人体上的主要表现为感知、反应、摆脱和电灼伤。

（4）固体绝缘的耐热等级

a) 耐热等级的规定

固体绝缘材料的耐热等级见表1。

表1 固体绝缘材料的耐热等级

b) 绝缘结构

标明某绝缘制品（产品）为某耐热等级，并不说明该制品（产品）绝缘结构中的每一种绝缘材料都具有相同的温度极限。绝缘结构的温度极限与其中各绝缘材料的温度极限可能不直接相关。

在绝缘结构中，绝缘材料的温度极限可能因受到其他组成材料的保护而有所提高，也可能因材料间不相容而使绝缘结构的温度极限低于各个组成材料的温度极限。

c) 绝缘的使用期

机柜的实际使用期取决于运行中的特定条件。这些条件可以随环境、工作周期和产品类型的不同而有很大的变化。此外，预期使用期还取决于产品尺寸、可靠性、有关设备的预期使用期以及经济性等方面的要求。

绝缘的使用期在很大程度上取决于其对氧气、湿度、灰尘和化学物质的隔绝程度。在给定温度下，受到恰当保护的绝缘的使用期会比自由暴露的大气中的绝缘的使用期长，但机柜一般不会采取这样的措施保护绝缘的使用。

（5）耐电痕化

固体绝缘材料的电痕化是指在电应力和电解杂质对材料表面的联合作用下，固体绝缘材料表面形成导电通路的过程。固体绝缘材料在放电作用下引起蚀损而造成电气短路、引发燃烧。

通常情况下，采用在潮湿条件下相比电痕化指数和耐电痕化指数来表示电气绝缘材料自身的耐湿绝缘能力。

相比电痕化指数（CTI）是指材料经受50滴电解液而没有电痕化的以伏特为单位的最大电压值；耐电痕化指数（PTI）是指材料经受50滴电解液而不出现电痕化的以伏特为单位的最大电压值。

电痕化影响着电气设备的爬电距离。固体绝缘材料按相比电痕化指数（CTI）分四类，以比较各种固体绝缘材料在试验条件下的性能：

——绝缘材料组别Ⅰ 600≤CTI

——绝缘材料组别Ⅱ 400≤CTI＜600

——绝缘材料组别Ⅲa 175≤CTI＜400

——绝缘材料组别Ⅲb 100≤CTI＜175

CTI即是绝缘材料表面经受50滴电解液而不形成电痕化的最高电压值。

（6）耐非正常的热和火

由于绝缘材料在电的作用下可能受到热应力影响且有可能使机柜的安全性降低，为了使绝缘材料在非正常热和火的作用下不应产生不利的影响，机柜的材料应具有相应的耐非正常热和火的能力。可以根据材料的可燃性类别来选择绝缘材料。

当在机柜进行试验时，可采用灼热丝试验。

当在材料上进行试验时，可根据所选择的可燃性分类法，可选择采用火焰试验（与可燃性类别无关）、电热丝引燃（HWI）试验和电弧引燃（AI）试验。

（7）耐潮湿

要考虑的电气绝缘受潮的情况有：

表面受潮，即在相对湿度大于98%的环境下，电气绝缘表面被水汽包围，在环境温度突然变化或电气绝缘表面温度低于环境温度时，水汽在电气绝缘表面凝结成水膜，使绝缘部件表面绝缘电阻下降，造成表面的爬电或闪络。

体内受潮，即在高温的环境中由于水汽扩散渗入电气绝缘内部使吸入潮气的电气绝缘的理化性能发生变化，例如体积电阻下降，介电常数增加、机械性能亦下降，从而导致绝缘性能破坏造成电击危险。

（8）不能认可为电气绝缘的绝缘材料

由于机柜使用功能、安全性的要求,以下材料不能认可为电气绝缘:

未经浸渍处理的木、棉、丝、纸和类似纤维或吸水性材料。

2、防直接接触保护设计要求

（1）绝缘防护

绝缘防护即是采用绝缘技术将危险的带电部分与外界全部隔开，防止在正常工作条件下与危险的带电部分的任何接触，是一种完全的防护。

用以覆盖带电部分的绝缘层应该足够牢固，不采用破坏性手段不应被除去。

使用的绝缘必须能长期承受在运行中可能受到的机械、化学、电气、及热应力的影响（例如摩擦、碰撞、拉压、扭曲、高低温及变化、电蚀、大气污秽、电解液等产生的应力影响。

用作直接接触防护的绝缘材料应满足绝缘电阻、介质强度、泄漏电流的考核要求。

（2）外壳或遮栏的防护的设计要求

采用外壳或遮栏可将危险的带电部分与外部完全隔开，从而避免从任何方向或经常接近的方向直接触及危险的带电部分，是一种完全的保护。

外壳防护除最少符合GB 4208—2008规定的IP20外，且:

——外壳防护的壳体应是封闭的连续体，且固定在规定的位置上，设计制造得使用者或第三者不借于工具不能拆卸或打开；

——外壳应有足够的机械强度及稳定性，即材料、结构、尺寸具备足够的稳定性和耐久性，能承受正常使用中可能出现的机械压力、碰撞和不正常操作引起的应力变化。

3、防间接接触保护的设计要求

（1）接地保护

a) 在设计上采取的接地保护是指为防止发生电击危险而与下列部件进行电气连接的一种措施：

——裸露导电部件；

——主接地端子；

——外部导电部件；

——接地电极；

——电源的接地点或人为的中性点。

b) 机柜的接地装置设计应:

——接地端子必须用螺纹紧固件联接，接地端子附近壳体处应清晰、永久地标志保护接地符号，接地符号不能设置在可拆卸的零件上；

——仅用手不能将接地端子的夹紧导体松开，并且采用弹簧垫圈等防松措施来防止接地导线从端子脱落；

——接地装置不允许联接除绿／黄双色芯线的接地保护线外的其他导线；

——接地端子上所有金属零件不会因这些零件与保护接地导线或其金属相接触而产生电腐蚀。

（2）接地电阻

接地电路的阻抗是复数阻抗，包含电阻分量、电容分量和电感分量，所有这些分量都影响接地电路的载流能力。由于接地网的接地电抗相对于接地电阻来说通常可忽略不计，因此其接地阻抗通常用接地电阻表示。测量接地电阻的目的是：验证新装接地系统；检查现有接地系统的变化情况；测定危险的跨步电压和接触电压等。

对于Ⅰ类设备，接地应满足以下要求：

——确保保护电路的连续性,即外露的可导电部分与接地点之间确保导电连续性；

——任意外露的可导电部分与接地点之间的电阻不大于0.1Ω；

——保护导体的截面积应满足表2的要求。

表2 保护导体的截面积（单位为平方毫米）

（三）机械危险防护

外壳防护

机柜应设计有一个坚固、连续、封闭的外壳或罩壳，以将带电零件、机械结构部分包封起来，防止异物进入和人体直接触及带电部分和运动部件。外壳上允许有规定尺寸的开口，但其遮挡物不允许能被任意拆卸。

所谓不允许被任意拆卸，指的是用于防护的部件只能使用工具或钥匙才能将其移除。

一般情况，外壳防护包括以下两种形式的防护:

——防止人体触及或接近外壳内部的带电部分和触及运动部件（光滑的旋转轴和类似部件除外），防止固体异物进入外壳内部。

——防止水进入外壳内部达到有害程度。

外壳防护的分类分级系统的代号由特征字母IP和两个特征数字组成，见GB 4208—2008。一般情况，只有按规定完成相应的试验，并检验合格后，才能在机柜或机柜的某个部分上标注IP的标识。

2、机械危险防护

机柜在防止机械危险保护的结构设计应满足:

——外部不应有锐边、尖角和锋利凸出部分；

——外形和重心位置应使机柜有足够稳定性，放置在地面、支架、托架、台座等上时不会受振动或其他外界的作用力而倾倒或跌落；

——凡不能用手移动或搬运的机柜应装置符合安全要求吊装装置；

——运行时可拆卸的部件，如工具、夹具等由于质量太大而不能用手搬运时，则应标出质量数据，并指出是部件质量还是整机质量。

3、机械强度

机柜的外部结构应有足够的机械强度，以保证机柜在使用中不会由于操作疏忽而造成外壳破坏，或爬电距离、电气间隙减小到不允许的程度，甚至触及到带电零件。

（四）电气联接和机械联接

1、Ⅰ类电气设备

应使当任何导线、螺钉、螺母、垫圈、弹簧及类似零件松动或从原来位置脱落时，不能造成易触及的金属零部件带电。

2、Ⅱ类电气设备

应使当任何导线、螺钉、螺母、垫圈、弹簧及类似零件松动或从原来位置脱落时，不能造成附加绝缘或加强绝缘上的爬电距离和电气间隙减小到产品安全标准的规定的50%以下。

3、机械联接

可采取的有效措施有：

——采用弹簧垫圈、弹性垫片或止动垫圈等方法锁定螺钉、螺母；

——采用粘结剂锁定不由使用者拧动的螺钉、螺母。

4、电气联接

（1）为接通电路而进行的联接仅用弹簧垫圈进行锁定是不够的，应注意导线可能从其联接处脱落的以下情况:

——没有专门器件将导线在接线端子或焊接处附近固定；

——用于联接导线在联接零件如螺钉、螺母、接插件、弹性类等无充分锁定的措施；

——采用接线片，接插件或类似联接件的导线接头，联接件未将导线绝缘一起夹紧；

——仅靠弹性件来联接的接头。

（2）在满足下述情况的设计时，导线不会从其联接处脱落:

——导线在联接处已被专门器件固定，固定器件可用弹簧垫圈防松；

——导线被固定在接线端子上，而接线端子的联接件（螺钉、螺母等）松动等仍能留在原来位置，例如接线端子螺钉在联接后由其他零件压住进行锁定的方法；

——短而硬的导线（单芯硬线）在接线端子联接件（螺钉、螺母等）松动时仍能在原来位置；

——导线在焊接前已相互“钩住”。

（3）对电气联接的螺钉材料、衬垫系统的设计应：

——传递电气接触压力的螺钉应旋入金属中；

——自切螺钉、自攻螺钉不采取特殊措施不宜用作电气联接；绝缘材料制成的螺钉不应用作任何电气联接；

——接触压力不能通过易收缩减易变形的绝缘材料传递。对机械联接应能承受正常使用中的机械应力；

——螺钉不应用诸如锌、铝等软的或易蠕变的金属制造；

——用绝缘材料制成的螺钉，其公称直径必须在3mm以上。

（4）电气联接的联接形式，插头和联接器、内部布线槽、电源线和接地芯线的颜色等连接要素设计应：

——联接装置，例如配有插头的电源线，应具有防水保护的电源进线座，或具有防水保护的电缆耦合器及配套电源线，以及一组外接电源的接线端子等；

——电源线不应低于普通橡胶护层或聚氯乙稀护层软线，电源插销不应联接多于一根的软线；、

——电源线中的绿／黄组合色芯线只能用作保护接地；

——布线槽、金属件上供绝缘导线穿过的孔应光滑、无锐棱、应有效防止布线与运动件接触。

（五）噪声、振动和抗震

1、噪声

降低噪声对人员的影响，特别是对操作人员的影响是安全设计的重要目标。噪声设计要依据规定的噪声限值和测量方法的规定进行。降低噪声的设计往往会明显增加制造的成本，因此应优先考虑有针对性的设计。

2、振动

在设计上，要从以下几个主要方面限制振动对人的影响：

——振动强度：以加速度来描述，计量单位为m／s2；

——振动频率：范围为8 Hz～10000Hz。振动可能是周期性的，也可能是具有分布频谱的随机或非周期性，还可能为某频带范围内的连续冲击型激振；

——振动方向：以心脏为原点，直角座标系相应方向（X、Y、Z）上进行；

——振动持续时间：指人体在振动环境中的连续暴露时间，它的限值与振动强度值有关。

3、抗震

抗震设计的目的是降低地震条件下对机柜的影响，以及这种影响进而对人体的危害。

抗震设计要依据设计对象使用环境的地震情况和对地震破坏影响的估计。

（六）防止过热和低温

机柜外壳温度过高（过热）或过低（低温）易灼伤人体的皮肤，外壳的热辐射还会影响周围设备的安全运行，对此应有设计措施加以防护。

应研究机柜外壳表面的功能状况，例如区分功能性热表面及其相邻的表面、过冷表面极其相邻的表面等，以针对不同的表面对人体伤害的影响大小提出设计上的措施。

（七）标志和说明书

1、制造商提供的资料

作为安全信息的一部分，应该将相关的、不能作为标准内容的设计信息和有关数据整理成随制造商供货的资料。这些资料（连同产品的样本）将成为视同供货合同的一部分，除非制造商和用户有专门的协议。

资料的内容可以是产品使用说明书的内容，也可以是产品样本内容，其一部分应在标志中给出。

产品样本的内容是设计和制造者的承诺，因此也视同供货合同的一部分。

涉及到机柜安全的资料内容包括：制造商的名称或商标、产品的设计型号或系列号、符合的产品标准号、安装、操作和维修条件、正确使用的条件、环境要求、设备的额定值、合格标记或认证标志、接线端子的识别和标志、IP代号、对安全标志的说明、用户对确保安全的责任的声明，例如对确保设备的保护接地连续性的声明。

2、标志

应以类型、批号、编号或其他信息加以区分，以使产品可供识别并可追溯到制造商。该识别信息应设计为可读且无法去除的标志标注在设备上。

应满足用户尽可能从制造商获得全部资料，因此制造商的名称和商标及产品的设计型号或系列号必须标在产品上，最好是在铭牌上。

标志的设计应必须采用中文、持久、易识、清晰的字体，符号、代号必须符合国家标准，且必须标出的信息有：额定数据、防电击类型（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类）、外壳防护等级（IP标志）、接线图（如果有）、型号，制造商名称和地址。

如果上述标注方法不可行，识别信息应设计在随产品的使用说明书中。

3、使用说明书

使用说明书的设计应包含：运行条件、安装说明、操作说明、功能描述、安全事项、维护保养、运输与贮存。

使用说明书还应包括对存在不明显的潜在风险提出适当的警告。