開關柜結構散熱與通風的設計

摘 要：金屬封閉式開關設備運行時，因柜內發熱元器件比較多，溫升過高會引起電器的機械性能和電氣性能下降，最后導致高壓電器的工作故障，甚至造成嚴重事故。為了保證高壓電器在工作年限內安全運行，必須將柜內溫升控制在標準規定的允許溫度之內，在開關柜結構設計時，就要考慮散熱與通風的設計。

關健詞：開關柜；散熱；通風

1 開關柜結構散熱與通風的設計原則

1.1 柜進風口要大于風道進風口，建議比值為1.5：1。

1.2 柜進風口要低于風道進風口。

1.3 在柜進風口和風道進風口之間，不應有明顯的障礙物和發熱器件。

1.4 出風口必須和風機配合設計，并盡可能放置于柜體頂部。

1.5 柜體出風口，即風道上風口應距風機進風口有一定距離，一般應為100～200mm，使風道中的風在截面上盡可能均勻。

1.6 對柜體內無風道的強迫風冷，特別要注意進風口位置和大小的設置，它的設置對冷卻效果有極大的影響。

1.7 當柜體無防護等級要求，而柜底又沒有進線電纜地溝時，柜體可不要底板，也不需要單獨設計進風口。

1.8 當柜體的防護等級達到IP50，在進風口需加設進風網板過濾時，就要加大進風口的面積，以保證風機的需要，不可使柜內造成負壓狀態，而不利于散熱。必要時要在進風口安裝風機，強迫進風以保證冷卻需要。

1.9 當設計較大的并聯風道、特殊風道時，或當設備內無風道而又有多處熱源時，柜體設計要和內部設計一起進行，并有效地互相配合。

2 自然風冷散熱的結構設計

2.1 自然風冷散熱的設備內部空間應比較寬敞，有較大的散熱空間。

2.2 設備應有足夠的順暢的空氣通道。

（1）設備下部設進風口。如設備無底板及有地溝，可不單獨設進風口。（2）設備上部設出風口。采用不加頂蓋、頂蓋支起、頂蓋沖各種網孔等，而且進出風口盡可能要和柜體防護等級一致，（3）設備內部的發熱器件盡可能放置在設備上部，便于散熱，并可避免熱量影響其它部件。

2.3 當有很重的發熱部件（大變壓器）必須放置在下部時，則應使其上部有較大的空間或空氣通道，必要時應將熱量引開，另設出風口排氣。

3 強迫風冷散熱與通風的結構設計

3.1 結構組成

強迫風冷散熱適用于中等功率設備的散熱，一般設備功率在7000kW以下。元器件和聯接母線由電路已經確定，結構設計的任務是將散熱器、風道和風機，科學、合理地組合成強迫風冷系統。由于所選擇的散熱器的材質、型式、大小的不同；風道的組成型式不同；風機的型式、風量、風壓的不同，就使結構組合呈現多樣化，也使冷卻效果成為系統中多種參數的函數。合理的選型、設計計算、樣機實驗、修改、定型等過程是達到理想效果的必然途徑。

3.2 散熱效果計算

3.3 風道設計

風道是形成強迫風冷散熱的重要組成部分，在散熱器設計或選定后，風道的基本尺寸也就確定了。風道的設計是和風機的選型配合進行的。風道的型式和尺寸決定風的流向、風速的大小，并決定風冷散熱的效果。

風道的形式多種多樣，我們一般常用的有兩種：串聯風道和并聯風道。

3.3.1 串聯風道

串聯風道是指將發熱器件的結構單元重疊封閉放置時（一般取上下重疊），只形成一個進風口，一個出風口，風流依次冷卻器件的風道。

主要特點：（1）結構簡單，可用標準單元構件組成風道，也可設計整體式風道。（2）占用空間小。（3）效果良好。

3.3.2 并聯風道

并聯風道是指將發熱器件的結構單元并列放置時，風流同時經過每個單元的風道。

主要特點：（1）冷卻均勻。風流由進口進入后，流經每個單元到達出口時，各單元流經的風量、風速、溫度都是相等的，故冷卻均勻。（2）風阻小，只有單層單元的風阻。（3）散熱效果好。

3.3.3 選用方法

兩種風道目前使用的都很普遍。

（1）發熱器件功率損耗較大時，如單只元件實際電流大于1000A時，選用并聯風道較多。效率高，并且均勻。（2）并聯風道占用空間較大。整體并聯風道要用較大的軸流風機，體積、噪音都較大，同時往往要和柜體一起設計，由柜體組成風道。（3）中等功率的設備（7000kW以下）使用串聯風道較多。結構緊湊，并且簡單。

3.3.4 設計注意事項

（1）風機的風量、風壓要和風道的設計相適應。串聯風道中，每層散熱器的風阻（散熱器進出風口的壓差）都使風速降低，影響散熱效果，所以，在串聯層數較多時（>6層），應考慮使用風壓較大的離心式風機。在完全封閉的串聯風道中，在總風量不變時，各層的風速應相等。此時，進口處的空氣溫度低，而出口處的溫度高，即對下層的散熱效果好，而對上層的散熱效果差，同時，空氣隨溫度的升高而膨脹，更不利于上層的散熱。并聯風道本身的進風口面積較大，風阻較小，要使每個單元都流經同樣風速，風溫的風量就要采用大風量的軸流風機。（2）散熱器散熱片的方向要和風道中風流的方向一致。（3）無論何種風道，為提高風速，增強散熱效果，都可以在抽風式的進風口或吹風式的出風口設置檔風板，迫使風量集中于散熱器。（4）要注意柜體進出風口的大小、位置的設計。進風口面積要大于風道進風口；進風口的風阻應盡量小，必要時，進風口可加小風機；進風口的位置要低于風道進風口，較低為好。（5）無論何種風道，風進入風道后首先要冷卻散熱器，不可被其它發熱器件阻攔。此類器件必須放于從屬冷卻的位置。（6）風道可以設計成整體式也可以設計成單元組合式。設計要有利于風速的流暢和有效，風道內部盡可能光滑，在保證電氣間隙和爬電距離的要求下，盡可能避免風短路。（7）要處理好進出風道的帶電母線的絕緣設計。過線孔隙可以是補充風量的進風口，它以結構的合理為主來完成。

4 結束語

柜體的散熱與通風是柜內結構設計需考慮的重要因素，合理的風口、風道、風機、散熱片的設計才能保證柜內溫升達到合適的水平。