电气机柜防尘技术分析

发布于：2022-09-16 14:34:16 来自：电气工程/电气工程原创版块 [复制转发]

知识点：防尘

IP防护等级定义

在IP防护体系中，IP代码表明了外壳防止固体异物或水进入的防护等级及其附加信息。IP代码组成：由IP代码字母、第一位特征数字、第二位特征数字、附加字母、补充字母组成，不要求规定数字时，应由字母“X”代替。第一位特征数字即为防止固体进入与接近危险部件，第二位特征数字表示防止进水造成有害影响。

如IP54即表示防尘等级为5级，防水等级为4级。

第一位特征数字代表的防止固体进入的防护等级

散热方案与防尘

内置空调散热

机柜配备制冷系统,蒸发器和功率器件采用密闭的方式安装在机柜内部,冷凝器和压缩机放置在外循环风道,也可以放置柜体外。由于功率单元被密封在柜体内，只要采用合适的密封胶条就可以完全隔绝外界灰尘进入，因此功率单元防尘等级可以达到IP6X。这种形式的散热方案可以使柜体维持在最佳工作温度，但空调结构复杂，成本和使用能耗较大。

热交换机散热

采用热交换器的机柜，门板四周采用密封条将柜内与柜外完全隔离，柜内空气进行内循环，通过热交换器和外界空气进行热交换，这种形式避免了灰尘进入柜体内部，能达到IP6X防护等级。但是由于柜内空气和柜外空气进行了二次换热才能将功率单元的热量传导到柜外，柜内和柜外环境温度始终存在一个温度差，导致柜内电子器件的环境温度较高，因此电子设备的失效率也大大增加。

液冷散热

液冷散热主要是采用液冷板，离心泵驱动液体流经液冷板实现功率器件的散热，与传统空调制冷系统相比节约能耗，但该方式的安全性较低，因此设计与安装要求十分严格。该散热方式的防尘方式与空调散热类似，直接采用密封的方式将机柜内外隔离，可以实现IP6X的防护等级。

强制风冷散热

风扇强制风冷能适用于功率较大的电气设备，安装维护方便，相对其他散热方式来说成本较低，因此在电气机柜中被广泛使用。同时由于强制风冷采用的是柜内柜外直通风的模式，外界的灰尘不可避免的会进入机柜内部，因此，机柜内风扇位置、进风口和出风口位置、功率器件布局，单板安装方向、风道的畅通性都影响防尘效果。

以上几种散热方式，只有强制风冷散热的机柜受灰尘影响比较大，需要重点考虑。

防尘设计

在强迫风冷结构中，颗粒的主要沉积机理为惯性沉积、布朗扩散沉积、湍流沉积以及静电沉积，不同直径粒子的沉降机理有所不同。电气机柜合理的设计能大大减少灰尘的沉积，或者减少在关键器件上的沉积，尽量减小灰尘对机柜的影响。

进风口防尘网

根据机柜防尘要求，选用相应的防尘网材料。大多数电气机柜可以选用聚氨酯发泡、聚丙烯丝织、聚酯合成纤维类的防尘网。其中G3/G4/F5（EN 779，分别对应计重法80%≤E<90%、90%≤E或比色法40%≤E<60%）等级的防尘网可以满足防尘等级IP5X，过滤等级越高，防尘性能越好，但同时阻力也越大，因此需要综合考虑使用的防尘网等级。另外，根据防尘试验指标的要求，需要计算防尘网的更换或者维护周期，以免防尘网堵塞。

风速和风道设计

大颗粒灰尘在电气机柜中主要以惯性沉积为主，即是沿着流线运动的颗粒不随着流线在风道中阻挡结构上发生弯曲，而是由于惯性作用射向阻挡物表面发生沉积。它们对于风速比较敏感，风速越大，在进入防尘网之后与纤维碰撞的几率增大。沉积效应与参数Stk关系密切，Stk的数值可以通过下式计算：

各参数定义详见文献[5]

在设计风道时，需要尽量避免各种挡板，转角，横向放置的单板和器件等等，这些障碍物都会受到大颗粒灰尘的撞击，从而导致惯性沉积。

小颗粒灰尘(＜0.1μm)的行为模式主要是布朗扩散，在使用F6以上高等级防尘网的时候，风速不宜太大。因为风速降低之后，小颗粒灰尘在防尘网中滞留的时间变长，随着布朗运动的扩散，就会有更多的机会撞击防尘网，从而被防尘网捕获。

进入机柜以后的灰尘颗粒，主要受到空气流场的作用而随着气流运动，另外由于机柜内有电场的存在，会使灰尘发生荷电，因此也会受到电场力的影响，再加上重力的影响，这三种力量决定了灰尘颗粒的运动特性。对于受到风道内障碍物的阻挡或者粒子相互撞击而脱离气流的灰尘颗粒，大颗粒主要受重力的影响而向下沉积，因此在机柜内，不宜将对灰尘敏感器件水平安装，防止沉积的灰尘对其造成影响。小颗粒更容易受到电场力的影响而随着电场方向运动。交流电场中产生的电场力方向不断改变，其作用在一段时间的总体效果为0。而直流电场产生的电场力方向始终不变，其作用效果显著，因此在单板上直流电路，直流器件的针脚和直流线缆上常常会附着较多的小灰尘颗粒，在防尘设计时需重点防护这些位置。

分级防护

对灰尘不敏感而又发热量大的器件，比如电感，变压器等，可以放置在风道内，加上散热器、风扇，形成一个低防护、高效散热的风道。而对于敏感器件，可以放置在机柜内独立的密闭空间，他们的连接线缆可以采用毛刷或塔形橡胶密封件进行密封。这样在柜内形成一个IP6X的防护区域，满足了敏感器件的高防护要求。相对内置空调散热、热交换器散热、液冷散热来说，强制风冷散热加分级防护运行稳定可靠、维护便利、成本低。