RT轨道交通

通风散热机柜如何防尘、防潮和防水？

文 / 2020-10-12 07:14

摘要：在铁路/城市轨道交通系统设备实际运行中，散热、灰尘、凝露等机柜微环境越来越影响电气、电子设备的安全稳定运行，目前这类问题造成的故障越来越多，受到广大技术人员的重视。本文讲述通风防尘机理、除湿防凝露方法及适用场合和智能化管理机柜微环境的方案。

1.为什么机柜微环境重要性凸显

电气、电子特性稳定和技术成熟：百年的工业、建筑的电气、电子理论、工程实践和标准规定，其设计、组装、联动保护已经日臻完善，解决了由已知的电气问题造成的故障

智能化的需求和紧凑模块化的设计对微环境的要求日趋严格：

1）自动化和智能化的需求，需要大量基于芯片的电路板

2）空间节省及成本节省的需求，对柜内空间节省的要求和易于更换维护的需求，工业产品更加紧凑模块化，因而对散热性和绝缘性要求越来越高

灰尘和潮湿凝露恰是上述两个问题的天敌：

1）灰尘积累降低散热性，影响电路板散热、功率组件或单元散热

2）灰尘结合潮气凝露，降低绝缘强度，造成放电、闪络或击穿，也会造成电路板电位漂移，电容放电等等问题

总之，随着运行时间推移，莫名其妙的各种故障，由偶尔到频繁地发生

电气设备微环境隐患

变化的微环境是成熟稳定电气电子产品故障的原因：

电气电子产品是基于稳定温度、湿度和灰尘状况，才可在散热均衡、绝缘强度不变和预期寿命内腐蚀的状况下，稳定地运行

但是，持续散热而导致灰尘不断增加的变量破坏了散热均衡，实时变化的潮湿凝露，却实时影响着绝缘强度和腐蚀进展，这二者变化特性，是稳定运行电气电子产品故障的原因

智能微环境管理的重要性

1）运行稳定的保障：

良好的柜内微环境能保障电气、电子设备运行稳定良好，因此良好的通风散热和防尘、适合的除湿防凝露方法越来越受到重视

2）完善智能化运维：

环境数据检测：温度、湿度、灰尘浓度或其它有害气体等柜内环境数据检测

智能的滤材更换管理和自清灰控制，实现微环境预维护，保障电气设备运行稳定

弥补电气设备微环境管理的空白，助力智能化系统现场层的环境子系统完善

2.机柜微环境管理系统

2.1用途介绍

方向：柜内灰尘管理、湿度管理、温度管等环境参数和安全的管理

方案：具有智能通风防尘环控、自动除湿防凝露和电气设备消防等方案

突破：1）通风散热时，完好解决防尘难题，实现高效通风散热且完好防尘，解决灰尘对电气、电子装置造成故障和隐患

2）各种除湿方案，完好解决苛刻环境除湿难题，保障户外、关键设备或环境苛刻的电气设备安全稳定运行

完善：弥补电气设备微环境管理的空白，保障设备安全稳定运行，实现了智能化运维现场层的完善

智能化升级：各类智能化系统的现场层设备微环境状况的数据监测、远程控制和安全运行保障的软、硬件支撑

致力：电气设备全生命周期微环境管理和安全稳定运行的保障

2.2 方案组成

3.机柜散热防尘

3.1 IP55/54的机柜防尘滤网是否防尘？

通常认为，IP5X机柜装上IP5X过滤风扇（也称风扇及出口过滤器或风扇及滤网），就能防止灰尘进入机柜，实际情况如何呢？

实际上并不能有效防尘进入机柜，运行后，灰尘会持续进入机柜，图2是安装在机柜上的IP5X进风滤窗，灰尘已经使滤棉变黑，图3是安装IP5X过滤风扇和风窗的机柜内器件上积累的灰尘。

3.2 机柜散热防尘标准依据

依据国标GB_T 4208-2017 外壳防护等级第13.4 条规定,见图4，IP5X的机柜外壳防尘的方法：

1）第一种外壳：工作周期内壳内的气压低于周围大气压力，例如因热循环效应引起（即机柜内外有通风散热状况），应按照防尘6标准测试，即采用真空泵抽气方式，模拟机柜热循环效应，需要在低于2kPa的壳内外压差情况下，快速抽气2小时或低速抽气8小时

2）第二种外壳：外壳内气压与周围大气压力相同，即机柜内外无通风散热的静态运行，应按照防尘5测试，即模拟无热循环效应，不与真空泵连接，试验持续8小时

总结：

根据标准，通风散热方式的IP5X机柜需要防尘时，应采用IP6X通风防尘装置

3.3 机柜散热防尘方案

依据机柜防尘的实际经验和标准规定，满足需要散热机柜防尘的方案：

1）机柜防护等级≧IP5X

2）散热装置选配：

第一种外壳类型，即内外有压差的通风散热方式，须配置IP6X过滤风扇，兼具通风散热和防尘；

第二种外壳，即内外无压差的散热方式，配置机柜空调。

3.4 方案对比

散热方式

散热效果

防尘效果

运行电耗

(以散热2KW计）

维护

室外应用

机柜空调

制冷散热

好

≧2.4KW

(制冷≈1.4KW+除冷凝水≧1KW）

冷媒补充≈1~2年

可以

IP6X过滤风扇

通风散热

好

约0.13KW

滤材更换

可以，采用≧IP65级别

3.5 IP5X与IP6X防尘设计差异

1） IP5X过滤风扇防尘的难点

有风压时，滤材变形，孔隙和间隙增大，因而不能很好防尘，这就是众多配有IP5X过滤风扇机柜，还大量进尘的根本原因

2） IP6X过滤风扇防尘原因

须卓越的结构设计，保障2Kpa风压下，不变形、无缝隙，达到静态和动态均防尘

4.机柜除湿防凝露

4.1 四种大除湿方案

1） 常规除湿，湿度控制除湿

2） 冷凝除湿，将设备内空气中的水蒸气冷凝成水排出

3） 露点控制除湿，采用凝露的温度、湿度的二元关系，有效的解决潮湿凝露问题

4） 微正压冷凝除湿，建立微正压以减少空气进入设备，再冷凝除湿

4.2 常规除湿

常规除湿，通常采用湿度控制器，来控制加热器，以除湿。

影响柜内设备的是微凝露，微凝露是温度、湿度相关的二元关系，因此常规除湿的效果，往往达不到用户设备除湿的需求。

4.1 冷凝除湿

1）除湿原理

半导体制冷将潮气冷凝成水

采用半导体制冷除湿方式，主动将密闭空间的潮湿空气在风扇的作用下吸入除湿风道，空气中的水汽经过半导体制冷机构后冷凝成水

冷凝水排出柜外

通过导水管排出柜体，可以达到很好的除湿效果。该方案通过减低空气中含水量，使相对湿度和绝对湿度同时下降

2）适用场合

无结冰期的地区且密封严实的电气设备

3）注意事项

不能降低电气安全距离

防止小动物顺着水管进入机柜内部

4.1 露点控制除湿

凝露的温度、湿度二元关系：即便水蒸气量恒定，温度变化，湿度也会变化，如图1 湿度曲线。如果从温度为20℃、相对湿度为60％的状态下，仅使温度降到15℃，其相对湿度就会上升到82％。如果温度进一步降低到12℃，湿度超过100％的话，空气中的水蒸气就会呈水滴状态，即发生凝露。同理，如果温度恒定，湿度逐渐上升至100%，也会发生凝露。因此，凝露是温度、湿度二元关系

露点（也称凝露温度点）：某一相对湿度的状况下，其环境温度不断下降，则相对湿度不断上升，相对湿度上升到100%时，空气中的水汽会凝结成水滴状态，对应此临界状态的温度，成为凝露温度点，简称露点

露点控制技术：凝露是温度、湿度二元关系，仅通过监测温度除湿或监测湿度除湿，均不符合凝露的客观规律。露点控制技术是基于凝露的温度、湿度二元关系，同时做了大量试验佐证，而实现有效除湿防凝露的实用技术

除湿防凝露的重点：绝大多数的电气和电子装置均可以在相对湿度≧95%的状况下正常工作，但是在装置内部产生附着在元件、导体或连接处的微凝露，则会造成这些位置的物理变化，如锈蚀、电阻增大、介电强度下降，尤其是再微灰尘，则更会导致电气设备（尤其是强电设备）闪络放电、甚至放炮

更科学的除湿：根据温度、湿度二元关系的大量试验，可实时动态掌握凝露温度，通过控制加热器避免达到凝露温度，实现动态除湿和无凝露

适用：多种场合和多种电气设备除湿