鐵路用室外柜設計和探討

侯石巖

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

隨著中國鐵路不斷快速發展，對工程建設短周期和投入低成本的要求也日趨明顯。相對于傳統在信號樓機械室集中放置信號設備，使用室外分布式設置信號設備的形式，能減少電纜鋪設長度、縮短建設周期、降低后期維護成本，提升信號設備安裝靈活性。研發性能可靠、工作穩定的室外柜就顯得尤其重要。

1 室外柜結構設計

全電子執行單元室外柜采用雙層門板結構，采用自然對流熱交換方式，IP設計等級為55，外觀尺寸為1 700×700×800（高×寬×深， mm），內部整體框架焊接式設計，其結構示意如圖1所示。機柜主要由以下幾部分組成：內部整體框架（焊接）、前門、后門、頂板罩、底座、左側門板和右側門板。

圖1 全電子執行單元室外柜結構示意圖Fig.1 Outdoor cabinet structure of full-electronic executive unit

1）內部整體框架：左側內門板、右側內門板、內部頂板、內部底板4個部分整體焊接，增加柜體的強度和剛度。左側內門板、右側內門板的外側設計百葉窗結構，門板內側安裝過濾網，實現內外層熱交換。

2）前后門組成：內門板、門板加強筋、門鎖機構、發泡膠條、導電密封條，外門板通過鉸鏈和整體焊接式內部柜體連接。

3）左右側外門組成：外門通過螺釘與焊接在內門板表面的支撐柱緊固連接，內門和外門板間隙形成散熱、防塵、防水通道。

4）機柜頂部組成：頂板罩、頂部罩加強筋，頂板設計為2°的斜面結構，可以防止雨雪堆積、防輻射，頂部側面設計的百葉窗結構與柜體形成通風散熱循環系統。

5）底座：底部橫梁、底部擋板；底部橫梁和內部整體框架焊接構成一體。

2 IP防護設計思路

1） IP防護要求

考慮到室外環境惡劣，IEC61969-3《戶外機柜氣候和機械試驗及安全》中對雨雪、冰雹環境因素的試驗規定了IP55等級。GB4208-2008《外殼防護等級的分類》從防止灰塵等異物進入和防水兩方面規定電氣設備外殼的防護等級，其中防塵等級5要求不能完全防止塵埃進入，但進入的灰塵量不得影響設備的正常運行，不得影響安全；雨水進入機柜對電子設備的危害極大，危害設備的安全與正常運行，防水侵入戶外機柜設備等級5規定2.5～3 m距離用規定的噴嘴在流量12.5 L/min條件下每平方米噴水時間1 min，試驗至少3 min向機柜外殼各個方向噴水無影響。

2） 機柜結構設計

機柜結構的工藝水平、密封結構的設計及密封材料件的選型是實現機柜IP55及以上等級指標的兩個重要方面。

全電子執行單元室外柜為整體焊接式內部柜體，在焊接中保證焊接工藝質量，不能有多余焊渣，虛焊、漏焊、焊絲粘連等問題；前后門使用發泡膠條、導電密封條，保證前后門內門的密封性；底部進出線孔采用密封膠或者滿足IP55等級的穿線孔密封；門鎖防護等級不低于IP55。

經過實際的淋雨試驗測試（噴嘴直徑6.3 mm，距離2.5～3 m，水流量（12.5±0.625）L/min，持續時間至少3 min），全電子執行單元室外柜的IP防護能力滿足設計要求。

3 環境溫度影響分析

機柜左右側外門與內門間隙以及前后門外門與內門間隙，配合底部進風孔和頂部的百葉窗通風孔，形成散熱通道，將內層設備的熱量由下而上帶出到柜外。

全電子執行單元室外柜（1 700×700×800，高×寬×深，mm）在不同環境溫度條件下，柜內溫度的仿真情況如圖2、3所示。

圖2 環境溫度20℃仿真情況Fig.2 Simulation at ambient temperature of 20℃

圖3 環境溫度50℃仿真情況Fig.3 Simulation at ambient temperature of 50℃

從圖2、3可以看出，在20 ℃環境溫度時，柜內最高溫度為55 ℃。在50 ℃環境溫度時，柜內最高溫度為70 ℃。

保持高度和寬度不變的情況，將機柜深度改為1 000 mm，進行溫度仿真，結果如圖4所示。

對比圖2、4可知，增大機柜的深度，可使柜內溫度降低4 ℃。增大機柜深度，有利用柜內風速增大，減少機柜內部熱流渦旋現象，機柜散熱性能更高。

極端環境溫度條件下，需考慮安裝熱交換器，加快熱量交換，降低柜內溫度。

圖4 機柜深度1 000 m下溫度仿真結果Fig.4 Temperature simulation at cabinet depth of 1 000 m

具體可從以下幾個方面選擇。

1） 傳導換熱方式。

幾種常見材料的導熱系數，如表1所示。

表1 幾種常見材料的導熱系數Tab.1 Thermal conductivity of several common materials

2） 強制對流換熱方式。

3） 液體冷卻方式。

4 防太陽輻射

對機柜頂部罩有斜面和無斜面進行熱仿真，仿真結果如圖5、6所示。

圖5中機柜頂部水平，太陽輻射使機柜頂部殼體表面最高溫度為63.4 ℃，機柜頂罩內部溫度為37.7 ℃；圖6中機柜頂部傾斜角度大約是1.43°，太陽輻射使機柜頂部殼體表面最高溫度為55.8 ℃，機柜頂罩內部溫度為33 ℃，由于傾斜角度的存在，使機柜頂罩內部受太陽輻射溫升降低了4.7 ℃。

另外，可通過在機柜表面噴涂防曬隔熱涂層，減少太陽輻射。

5 濕度影響分析

對于電子產品，相對濕度控制在30%～80%比較適宜。濕度超過90%時，會使金屬器件銹蝕和電器絕緣性能下降。

當與空氣接觸的物體表面溫度低于空氣的露點時，其表面會發生凝露現象。露點或者露點溫度是指在固定氣壓之下，空氣中所含的氣態水達到飽和而凝結成液態水所需要降至的溫度。

在空氣溫度保持不變的情況下，相對濕度越高，其露點溫度也越高，且越接近空氣溫度。也就是說，相對濕度越高的空氣，越容易因氣溫突變而發生凝露。室外柜凝露一般發生在柜壁內表面，當柜壁內表面溫度降低到柜內空氣的露點以下時，就會在內壁產生凝露。

防止室外柜凝露問題的重點在于提高柜壁內表面溫度和降低室外柜內部空氣的相對濕度。

全電子執行單元室外柜內部為發熱設備，雙層柜體間形成的通風風道會將熱量帶出到柜外，一定程度能夠降低濕度。全電子執行單元室外柜在室外（中國西安，8月）運行一段時間內的溫濕度統計如圖7、8所示。

圖5 機柜頂部水平仿真結果Fig.5 Thermal simulation when the top cover of cabinet is horizontal

圖6 機柜頂部傾斜仿真結果Fig.6 Thermal simulation when the top cover of cabinet is inclined

圖7 全電子執行單元室外柜內外溫度比較Fig.7 Comparison of temperature in and outside of outdoor cabinet of full-electronic executive unit

圖8 全電子執行單元室外柜內外濕度比較Fig.8 Comparison of humidity in and outside of outdoor cabinet of full-electronic executive unit

就當前使用環境看，全電子執行單元室外柜的設計符合預期目標。

為避免結露，可以考慮優先選用低成本的表面保溫材料提高溫度，防止冷凝。或使用吸濕劑除濕，在預算范圍內，也可以考慮使用加熱棒提高柜內溫度。

6 總結

通過對全電子執行單元室外柜的仿真和實際測試，全電子執行單元室外柜滿足設計預期。但當使用環境極端惡劣時，需要考慮額外增加溫濕度的控制設備、噴涂防輻射材料，這些措施會增加產品的成本。另外，針對不同運用場景，可對室外柜的外形尺寸進行單獨設計。

需要說明的是，室外柜的應用環境復雜，影響其性能的因素可能還有許多，比如酸雨、鹽霧、雷電、地震等，今后要在后續的實際應用中根據使用環境需求進一步研究。