户外机柜结构设计要点研究

郝春霞

摘要：户外机柜由于其使用环境多种多样，比室内机柜的环境更加复杂、严酷，为保证机柜能够长期稳定地运行，需要综合考虑多种因素。在结构设计时，要综合考虑现场多种气候条件，考虑设备外壳的耐腐蚀性、防紫外线性能、防水防尘效果以及散热性等，从而保证机柜电气性能。该文对户外机柜的结构设计要点进行详细分析，希望对户外柜结构设计提供一些参考。

关键词：户外机柜防水防尘结构设计接地系统

中图分类号：TU85文献标识码：A   文章编号：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，随着在电力系统中使用的自动化智能化电气设备越来越多，在户外运行的机柜设备随之增加，如开关柜、变频柜、通信柜、配电柜以及各种电力监测设备等。户外机柜的结构设计是否合理，将直接影响到设备的现场实际安装能否快速可靠、设备运行能否长期稳定以及后期运维能否便捷高效。追求更加合理的、实用性强、适应性好的户外柜结构设计，成为未来必然趋势。在设计户外机柜时，通常需要从使用环境、安全性、电磁兼容性、防护等级等多方面进行考虑[1]。

1环境因素对户外机柜的影响

不同的使用环境，应考虑不同的设计方案。户外环境中，影响因素多种多样，不能单一地考虑某一方面的影响，应综合考虑所有条件。

1.1 紫外线的影响

机柜长期在户外运行，长期受紫外线照射，容易造成金属表面涂层的掉色甚至剥落，可以采用电泳加特殊的户外粉墨喷涂工艺，来提高机柜防紫外线能力。紫外线的照射会导致柜内温度升高，当温度过高时会影响设备运行，应增加机柜散热功能和温控功能。

1.2 温度的影响

温度过高将加速电气设备的绝缘老化，使其使用寿命及额定电流下降，研究表明温度每升高10℃，电子器件的使用寿命将比预期降低一半。对于电子器件则表现在高温能导致半导体元件的热击穿，或者性能降低，导致设备运行故障。常用的机柜散热方式有：强制风冷散热、热交换器散热和空调散热，在结构设计时，应充分考虑现场使用条件及成本预算，选择合适的通风散热方式[2]。

1.3 空气湿度的影响

空气湿度过高会对电气设备的正常运行产生非常大的影响，降低电气设备的绝缘强度，甚至引发重大电气事故。一般最好保持湿度小于60%，不能大于80%。可以在机柜中安装空调，选择“除湿”模式，若不理想，应考虑安装工业除湿机，定时自动除湿。而对于机柜表面处理也应注意，采用电镀、氧化、烤漆、喷粉等方式来提高其抗腐蚀能力。

高温高湿会对大气中的污染情况起到加速催化的作用，高温能够加快盐雾的腐蚀能力，高湿能够提高化学性物质的活性。高温高湿为霉菌生长提供关键条件。

1.4降雨的影响

强降雨对设备最大的危害是，水会破坏电气设备的绝缘能力，继而导致设备损坏，甚至危及人身安全。在结构设计时，应充分考虑机柜的防水等级，做好机柜的密封，防止渗漏;选择合理的安装方式;应有防止浸泡的隔离措施等。

1.5沙尘的影响

长期在户外运行的机柜，若柜内积累沙尘，将降低电气元件的绝缘性能，损坏电子元件，某些绝热性的沙尘附着在冷却系统会影响散热，造成设备故障。结构设计时，应做好防尘措施，比如：在进出风口安装合适的滤棉，增加滤棉同时也会增加风阻，从而影响散热，要定期进行维护更换;设计专用独立风道，有效隔离沙尘与器件的接触，同时兼顾散热;或机柜整体密封，采用空调散热的方式进行温度调节[3]。

1.6盐雾的影响

盐雾是安装于沿海地区的户外机柜必须考虑的因素。盐雾对金属结构和线路具有腐蚀性，会造成电气设备腐蚀和线路闪落，腐蚀机柜表面涂层，加速机柜腐蚀破坏。在结构设计及选材时应注意：结构件及金属锁具必须选用专业产品，可采用不锈钢材质，当采用普通钢板时，要求热镀锌处理或表面涂覆处理，涂覆层要求完整无孔，化学稳定，厚度满足国标要求。ISO 9223-1992将大气腐蚀性分为5类：C1-很低;C2-低;C3-中;C4-高;C5-很高。根据不同地区气候环境选用适用的腐蚀等级的产品。对于柜内电气设备的保护，最现实的办法就是加强机柜的密封性，保证柜内不受盐雾侵蚀[4]。

2户外机防尘防水结构设计

对于户外安装的机柜，为避免遭受外界恶劣环境影响，机柜的密封性能至关重要。根据《外壳防护等级（IP代码）》（GB/T 4208-2017），推荐户外机柜防尘防水等级不低于IP55为宜。第一个数字5为防尘等级，其意义为：不能完全防止尘埃进入，但进入的灰尘不得影响设备的正常运行，不得影响安全;第二个数字5为防水等级，其意义为：向外壳各个方向喷水无有害影响。

水和粉尘进入机柜的途径一般为风道或是结构件的接缝处，比如门缝、电缆进出口处、锁具及铰链安装处。在结构设计时，应选用合适的密封材料及工艺，合理的防水结构设计，从而达到防护等级要求。

全密封的设计可以完全防尘，达到IP6的等级。在机柜各部位结构件的接缝处，都使用橡胶或弹性密封材料实现密封。

常规风冷式散热，可在进风口和出风口安装防尘网，这种方式最多能做到IP5的防尘等级。缺点是：机柜长期户外运行，灰尘容易堵塞防尘网，影响设备性能，应定期清理更换。

机柜的防水设计，重点考虑部位应该是机柜各个结构件的连接部位、门缝、锁具及铰链。门缝处可采用安装弹性材料，如橡胶、硅胶等密封条的方式，锁具应选用防水性能好的锁具，铰链的安装可避开接缝处，使其不影响防水性能。若需要安装电缆，可选用电缆防水接头或电缆密封环进行防护。结构设计应考虑合理的机柜防雨罩及内部导流槽，对于钣金机柜，应尽可能采用满焊的方式对结构件进行连接[5]。

3户外机柜接地系统设计

有效接地可以保护设备，保证人身安全，同时还可以起到屏蔽作用，可以防雷击、防静电、保证电磁兼容性。

机柜內应设置保护接地汇流排和信号及屏蔽接地汇流排。保护接地作用为保护人身和设备安全，如保护地、防雷地、防静电等。信号及屏蔽接地作用为抑制干扰，为信号电压或是系统电压提供一个稳定的电位参考点。为了防止对低电平信号的干扰，在机柜内部设计时，注意控制系统的工作地不能和保护接地混用[6]。

保护接地汇流排：机柜内部应设计接地排，通常选用铜材质，可以做表面镀锡处理，增强其防腐蚀能力，其截面面积应大于50 mm2。机柜内所有电器元件的接地点应通过铜导线均接至接地排，地排地阻小于4Ω;各金属部件也必须连接至此接地排，任意两点之间的连接电阻应小于0.1Ω;机柜门、盖板、外壳、框架等结构件之间应用地线可靠连接，并最终接至接地排，保证电气连续接地。所有连接地线均应使用黄绿相间的电缆。

屏蔽接地汇流排：电缆的屏蔽层需可靠接地至汇流排。若屏蔽电缆较多，结构设计时，应考虑安装的美观性与便捷性，使用专用的屏蔽电缆夹及配套汇流排。

4户外机柜电磁屏蔽设计

目前各种应用于户外的电子设备越来越多，电磁环境日益恶化，对于使用在相当恶劣的电磁环境中的机柜，为了避免设备能够不受现场外界电磁干扰，同时不对其它设备产生干扰，那么设计中电磁屏蔽的设计尤为重要。

在进行机柜屏蔽材料选材时，应考虑现场干扰源的频率。对于低频率的情况，可采用铁磁材料进行屏蔽;对于高频率的情况，应采用良导体材料进行屏蔽。

机柜内部由于存在大量的电路板，不可避免地会产生相互干扰，影响设备性能。在结构设计中，应采取措施减少这种干扰。比如：在相互干扰的电路板之间设计屏蔽板，屏蔽板应可靠接地;若不接地，那么干扰将会更加严重。

在屏蔽体的接缝处最好采用连续焊接，或在接缝处安装导电的衬垫。对于门框四周，应安装合适的铍铜簧片，以提高电磁兼容效果。

对于面板上需要安装液晶屏、开关、指示灯等器件的情况，应考虑在这些器件的后部专门设计屏蔽罩，屏蔽罩应与所在金属面板用导电衬垫可靠连接。

5结语

户外机柜的结构设计除了要美观、坚固可靠，便于现场快速安装，方便维护维修外，还应考虑其抗震能力、防腐蚀能力、电磁兼容性等，更不要忽视了机柜的防尘防水能力的设计。兼顾多方面因素考虑，才能设计出安全可靠、符合标准规范、适用客户需求的产品，同时应充分考虑结构工艺的可行性以及是否满足经济性要求，提升生产效益，促进企业发展。

参考文献

[1] 何洲红.户外机柜挂攀零件连接处的结构优化设计[J].科学与财富，2020（4）：365.

[2] 李莉.户外机柜结构设计中应考虑的问题[J].信息周刊，2018（23）：1.

[3] 李顺华.钣金结构机柜防尘防水设计的研究[J].环球市场，2018（11）：344.

[4] 李珺.电气工程中防雷接地系统施工技术探析[J].环球市场，2020（10）：278.

[5]葛翰林.基于PLC控制的密封装置位置监测与安全防护[D].大庆：东北石油大学，2020.

[6]乔雪薇.柴油加氢装置质量升级改造的自控设计[D].抚顺：辽宁石油化工大学，2020.