就地模塊機箱設計方法探討

許超偉，韓國平，屈琳

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

2017年，為全面系統解決智能變電站當前存在問題，進一步推進變電站“更安全、更可靠、更智能”，加快開展第三代智能變電站技術研究及試點示范建設，就地模塊作為第三代智能站的組成部分，為實現變電站一次主設備信息采集的數字量轉換和傳輸的設備，安裝在一次設備機構箱或匯控箱。面臨更加嚴酷的氣候、電磁及機械環境，散熱問題日益影響裝置可靠性。本文在結構設計和散熱方面做了多種分析和嘗試，為裝置開發提供相關的參考和借鑒。

1 機箱結構形式設計思路

目前電力保護機箱以鋁型材拼接結構形式居多，就地模塊從結構上分為前面板、框架和插件三部分。插件采取后插拔便于更換維護?？蚣懿捎免k金折彎成型后焊接的加工方式，框架側邊靠近高發熱量印制板部分如圖1示意采用鏤空設計，保證印制板可插拔的同時，可以實現插件散熱板與殼體外部空氣接觸快速散熱。母線板和人機線路板合二為一，減少板卡之間依靠帶纜聯結，為了提升裝置在振動沖擊方面的性能，在插件印制板靠近歐式連接器位置設置導向凸起，在母線板對應位置設置定位槽。前面板采用鋁壓鑄方式，指示燈孔、數碼管開孔區域、按鍵等全部一次壓鑄成型，節省了傳統鉚接支柱等工序，加工精度形狀位置一致性良好。壓鑄成型的前面板表面處理后采用貼面膜形式，裝置型號、指示燈定義比較靈活。有利于裝置標準化批量加工，使殼體在成本和加工效率方面得到較大提升。

圖1

2 機箱散熱設計方案

隨著電子設備小型化和集成化的發展，組裝密度日漸提高，組件和設備的熱密度流也在迅速增加。電子設備熱控制系統設計的基本任務就是在熱源和熱沉之間提供一條低熱阻的通道，電子設備的熱控制首先從確定元器件或設備的冷卻方法開始，冷卻方法的選擇直接影響元器件或設備的組裝設計、可靠性、重量和成本等。要有效地控制元器件和設備的溫度，需要確定他們的發熱量、與散熱有關的結構尺寸及工作環境條件等要求。設備工作中發熱產生的熱量等于功率的耗散，目前電力設備中發熱主要集中在電源板和CPU板，而CPU板卡發熱以光模塊和CPU芯片為主。就地模塊作為貼近一次設備安裝的電力保護裝置其高、寬、深分別為17.7cm×12cm×24cm，該模塊其電功率約17.5W，安全系數取1.2，耗散功率為21W，熱流密度可以用以下公式估算：

式中，ψ為熱流密度，W/cm2；P為耗散功率，W；A為總表面積，cm2。

圖2 按照熱流密度、溫升選擇冷卻方法

根據上述計算結合圖1可以看出，溫升為60℃時，自然散熱方式熱密度流小于0.02W/cm2，就地模塊熱密度流為0.011W/cm2采用空氣自然冷卻進行散熱，是最簡單可靠的冷卻方法。自然冷卻可以是空氣自然對流、導熱和輻射換熱的單獨作用或者兩種以上換熱形式的組合。針對機箱的散熱需求，考慮了幾種散熱方案。

方案一：將就地模塊側板設置成散熱孔形式，殼體內部噴涂黑色啞光油漆增加吸熱效果。優點：結構簡單，成本低。實現容易，靠近側板的印制板組件能較快將熱量傳遞到箱體外部。同時，解決IP防護要求中的垂直滴水問題。缺點：內部空氣導熱通道受PCB板卡阻礙，傳熱速度慢。

方案二：圖3所示為使用熱管導熱，在插件面板上安裝散熱片的組裝示意圖?？紤]到插件更換維修本方案在分面板上加裝T型散熱片或者拉制一體擠壓成型帶散熱片型材分面板，散熱片內部與發熱元件接觸，外部鰭片與外部空氣接觸。優點：結構簡單，成本較低。能夠針對發熱較大元器件高效解決局部發熱問題。缺點：需要犧牲面板表面空間，出線端子、SPF(Small Form-factor Pluggable)光模塊、RJ45網口等出線都沒有空間設計。另外，由于熱管的設置CPU板卡亦無法布置稍微高一點的元器件，使本已經小型化的就地模塊空間愈發窘迫。

圖3

圖4

方案三：在側板加裝散熱片，或者側板做成散熱片形狀。發熱量較大插件可以布置在靠近散熱片處。設計如圖4中，紅色示意輪廓拉制一體擠壓成型帶散熱片型材，擠壓鋁型材散熱片經過數控加工后，邊緣與框架折彎邊重疊配合形成封閉空腔為內部元器件提供電磁屏蔽空間，同時又保證散熱翅片外露，依靠六棱支柱與CPU板卡固定保證高發熱元件CPU芯片和散熱片接觸，同時另一高發熱元件光模塊也直接與散熱片相連。散熱片與CPU芯片接觸區域涂導熱硅脂，散熱片與光模塊之間設置導熱襯墊增大導熱系數降低熱阻，使他們產生的發熱迅速的傳遞到散熱片上，散熱翅片直接與殼體外部空氣接觸從而實現快速散熱。優點：成本最低，結構簡單，提供一種可插拔的依靠自然散熱的方式。解決關鍵發熱元件散熱控制整個裝置的溫升，保證裝置溫升在正常工作范圍內，經過比較最終選擇此方案。

3 設計方案仿真

在確定好機箱的大致方案后，進行了散熱的軟件仿真。仿真環境邊界條件設置為機箱外部環境60℃，11個就地模塊最大程度集中安裝，按照遠比實際安裝密度嚴酷的情況進行仿真模擬，同時對就地模塊殼體內部溫度通過熱電偶測量。根據仿真結果柜頂溫度約為72～75℃，柜子中部溫度約為67℃，柜子底部約為63℃。可以看出，由于熱空氣上升，柜內溫度呈現上熱下冷的現象，且越靠近發熱模塊的截面，平均溫度越高。柜內發熱量表面溫度最高約為92攝氏度，最低約為84.6℃，上部模塊溫度較高與實際測量基本一致。就地模塊最小溫升24.6℃，最大溫升32℃，均滿足采用自然散熱最大溫升不超過40℃的要求。

4 結語

就地模塊裝置散熱設計從殼體的整體散熱、發熱元件的局部散熱、熱量傳導方式、導熱硅脂、導熱墊導熱材料等方面做了有益的探討。在設計過程中運用熱仿真軟件，有效地減少了設計過程中的反復試驗，加快了項目的進度，提升了設計的效率。