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[摘 要]针对西北地区冬季高寒低温、夏季太阳辐射强、昼夜温差大、风沙大、强电磁干扰等恶劣环境条件，综合考虑智能二次设备安全稳定运行，对智能一次设备户外汇控柜的结构、功能进行了研究，采用隔温、隔潮、防风沙、滤网换气、热交换器散热等独特设计技术，有效解决了区域恶劣环境因素带来的柜体防护技术难题。
[关键词]智能控制柜；防风沙；散热
中图分类号：TM76；TM63 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）47-0338-01
1.引言
根据智能设备的技术现状，配电装置区域二次设备布置方案通常有以下两种：（1）智能终端、合并单元与GIS汇控柜统一布置于户外就地智能控制柜；（2）保护测控一体化装置、智能终端、合并单元统一布置于户外就地智能控制柜。
由于户外场地环境因素比较恶劣，尤其保护测控装置下放后对智能组件的安装载体——智能控制柜提出了更高的防护要求：必须不小于IP55，即柜体应能防晒防雨防潮。恶劣天气因检修需要而打开柜门时，应能使安装在其内的设备不受影响；尘埃的进入量不能达到妨碍设备正常运转的程度。同时其可靠安全性需符合IEC834-1要求，并能具备三防功能，即防酸、碱、盐的气体。
因此，为了保证智能变电站运行的可靠性和安全性，开展户外智能控制柜的防护、散热、防电磁干扰等防护措施的研究是非常有必要的。
2.智能控制柜基本功能要求
温控功能：冬季平均气温低，智能控制柜柜体需具有良好的保温及加热功能；夏季短暂，日照时间长，大气透明度好，太阳辐射强烈，加上设备本身也会发热，因此智能控制柜柜体还应具有隔热及散热功能。
除湿功能：一般夏季的大气湿度高于智能单元运行湿度上限要求，所以智能控制柜柜体应具有良好的除湿功能。
屏蔽电磁干扰功能：智能控制柜安装于室外一次设备旁，易受电气设备电磁干扰，智能控制柜应具有屏蔽外界电磁干扰的功能。
其他功能：智能控制柜柜体还应具有防水、防尘、防腐蚀、防昆虫及龋齿动物等功能。
2.1 柜体结构组成
1）机柜结构布局主要由左边的温控设备舱、右边的设备舱和机柜底座顶盖组成。
2）温控舱
（1）熱交换器应可适用于-45～45℃环境。
（2）温控系统在机柜的左侧，内循环为下出风，上回风。风道设计要保证设备的前进风、左侧进风和下进风要求。
（3）温控系统的电源从设备舱接入。
（4）温控具备安全防护功能，材料选用不锈钢。
（5）温控设备外循环要保证在沙尘环境下正常运行。
3）功能设备舱
（1）机柜设备舱为前开门。前门采用双层结构，厚为25mm。
（2）主设备列同温控设备之间以及同前门间距不小于75mm。
（3）设备舱的19英寸安装结构的左右和上下为走线区域。
4）顶部结构
柜顶需填充隔热材料以减小太阳直射对柜内设备造成的影响。
5）机柜结构强度及刚度
机柜应具备高强度的机械性能，保障柜内装置在运输、装卸和长期使用等过程中不受损害的同时，还可以防止在无人值守的运行环境下对机柜的人为破坏。机械动载荷能力达到GB/T19183振动与冲击等级要求。
2.2 柜体防尘防水
2.2.1 防尘措施
通常户外柜需要在呼吸孔处加装防尘过滤网，提高柜体的防尘能力。考虑到西北地区风沙大，普通的防尘过滤网需要经常更换，增加了维护人员的工作量。为此，本文提出了采用“瓦楞+旋风结构百叶窗+滤网”的柜体防尘过滤网结构。这种结构大大降低了灰尘进入柜内的概率，提高了柜体的防尘能力，从而降低了设备的维护工作量。见图一：
2.2.2 防水措施
1）顶盖采用斜面 ，门内框采用导流设计，即：向外弯边或上翘设计。
2）箱门的上边沿应有下弯沿进行导流。
3）箱体整体高度应高于地面，防止积水渗入箱体。
4）顶盖除排风口外应无缝隙，并且满焊，实现无缝对接。
5）加大箱檐并加强门框密闭，选用优质的“Ω”型密闭圈或其他有效的方式。
6）箱门要求平整，不变形，箱门应有加强措施，并能有效的与密闭圈配合。
7）为防止出现不必要的接缝，箱体的主体和基座两节不能使用螺栓进行拼接。
8）应有防止水沿面渗入呼吸孔或箱体的措施。
2.3 柜体加热除湿
智能控制柜内装设加热、除湿装置，其工作模式为在柜内湿度达到一定时，温湿度传感控制器启动电加热器和位于柜内顶部的风扇，将柜内湿气排出柜外；当柜内温度上升到某一温度时，柜内风扇启动，柜外新鲜空气经过滤后自机柜下层进入柜内，将柜内热气从机柜上部排出柜外。
2.4 柜体材料
1）用于柜体的金属材料应具备抗腐蚀和电化学反应的能力。
2）用于柜体的非金属材料应无脱层、空洞等缺陷。
3）柜体非金属材料不应腐蚀、破坏其他材料制作。
4）非金属零部件（包括绝缘电线、电缆和发泡材料）应为自熄性材料、其阻燃性能应能通过阻燃试验的要求。
5）所有外露非金属制造应能抵抗紫外线，经过模拟太阳辐射试验后，无裂纹、针孔、破损等现象。
2.5 柜体抗寒、抗电磁干扰措施
智能单元的面板须采用具有抗电磁干扰的材料，且安装时，智能单元面板与柜内面板要拼接完好，达到整体屏蔽的功能。为解决抗寒问题，在装置面板与装置主体之间加装保温隔热材料。装置面板上的显示灯、按钮及插口等利用引线穿过保温隔热材料与装置主体内元件相连。 3.智能控制柜散热方案
传统变电站场内端子箱内装置仅为电缆及端子排，无电子设备，其自身发热量小，且对柜内温度要求不高。智能变电站智能控制柜内安装了保护、测控装置以及智能终端、合并单元等重要的电子装置，其自身发热量大，装置本身的稳定运行要求柜内温度控制在-5℃～40℃。西北地区夏季日照时间长，大气透明度好，太阳辐射强烈，而且装置运行时发热量大，导致安装于户外的智能控制柜柜内温度极易超出装置的正常工作范围，从而影响设备安全稳定运行。
本文提出以下四种柜体降温方案：
3.1 加装隔热柜
对控制柜加装隔热柜，柜壁贴隔热膜，隔离外界太阳光直射及其它热源。经试验，通过红外测温对比，加装隔热柜后箱内温度与未改造箱体相比降低了1～2℃，散热效果较差。
3.2 加装风扇
柜内与柜外直接连通，通过增大风量，可以使柜内温度基本接近柜外温度。柜外冷风从柜底直接进入柜内，经柜内风路变为热风从上部流出。
优点：功耗较低，多个风扇可以互相備份，噪音相对低，结构简单，重量成本都很低。
缺点：风扇一般寿命较短，两至三年需要更换，内外循环无隔离，灰尘和湿度不易控制，油烟容易堵塞，空气中硫化物等污染无法控制。
3.3 加装空调
在控制柜柜壁加装空调，其散热原理与家用空调原理一致，通过冷媒和压缩机制冷或制热。
优点：散热效果非常好，防护等级高（内外循环隔离），可制冷可加热。
缺点：价格昂贵，功耗很高，噪音相对大，维护工作量稍大，需每年清洗滤网，每3-5年补充冷媒。 采用空调时，需要占用额外设备空间，在柜门或屏侧处外置或内嵌安装。
3.4 加装热交换器
柜内与柜外隔离，从柜外底部进入热交换器的冷空气分为多路，对非直接接触的柜内循环空气进行冷却，然后从热交换器顶部流出，柜内循环空气变为冷空气从热交换器底部进入柜内，对装置散热后变为热空气从柜顶进入热交换器，进行新一轮的循环。
优点：功耗相对较低，防护等级高（内外循环隔离），柜内不易进灰，寿命相对长。
缺点：成本高于风扇，噪音相对风扇偏高，由于与户外没有直接通风，柜内外有温差时热交换才能实现，温差越大，冷却效果越明显，所以本方案不能保证柜内与柜外温度相同，一般选择冷却功率时，使柜内温度等于柜外温度+5℃即可。
4.结 论
本文针对西北地区夏季太阳辐射强烈，柜内温度高，提出了经济适宜的柜体散热方案，即采用热交换器的柜体散热方式。
针对西北地区风沙大，柜体防尘要求高，提出了采用“瓦楞+旋风结构百叶窗+滤网”的柜体防尘网结构形式。
[关键词]智能控制柜；防风沙；散热
中图分类号：TM76；TM63 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）47-0338-01
1.引言
根据智能设备的技术现状，配电装置区域二次设备布置方案通常有以下两种：（1）智能终端、合并单元与GIS汇控柜统一布置于户外就地智能控制柜；（2）保护测控一体化装置、智能终端、合并单元统一布置于户外就地智能控制柜。
由于户外场地环境因素比较恶劣，尤其保护测控装置下放后对智能组件的安装载体——智能控制柜提出了更高的防护要求：必须不小于IP55，即柜体应能防晒防雨防潮。恶劣天气因检修需要而打开柜门时，应能使安装在其内的设备不受影响；尘埃的进入量不能达到妨碍设备正常运转的程度。同时其可靠安全性需符合IEC834-1要求，并能具备三防功能，即防酸、碱、盐的气体。
因此，为了保证智能变电站运行的可靠性和安全性，开展户外智能控制柜的防护、散热、防电磁干扰等防护措施的研究是非常有必要的。
2.智能控制柜基本功能要求
温控功能：冬季平均气温低，智能控制柜柜体需具有良好的保温及加热功能；夏季短暂，日照时间长，大气透明度好，太阳辐射强烈，加上设备本身也会发热，因此智能控制柜柜体还应具有隔热及散热功能。
除湿功能：一般夏季的大气湿度高于智能单元运行湿度上限要求，所以智能控制柜柜体应具有良好的除湿功能。
屏蔽电磁干扰功能：智能控制柜安装于室外一次设备旁，易受电气设备电磁干扰，智能控制柜应具有屏蔽外界电磁干扰的功能。
其他功能：智能控制柜柜体还应具有防水、防尘、防腐蚀、防昆虫及龋齿动物等功能。
2.1 柜体结构组成
1）机柜结构布局主要由左边的温控设备舱、右边的设备舱和机柜底座顶盖组成。
2）温控舱
（1）熱交换器应可适用于-45～45℃环境。
（2）温控系统在机柜的左侧，内循环为下出风，上回风。风道设计要保证设备的前进风、左侧进风和下进风要求。
（3）温控系统的电源从设备舱接入。
（4）温控具备安全防护功能，材料选用不锈钢。
（5）温控设备外循环要保证在沙尘环境下正常运行。
3）功能设备舱
（1）机柜设备舱为前开门。前门采用双层结构，厚为25mm。
（2）主设备列同温控设备之间以及同前门间距不小于75mm。
（3）设备舱的19英寸安装结构的左右和上下为走线区域。
4）顶部结构
柜顶需填充隔热材料以减小太阳直射对柜内设备造成的影响。
5）机柜结构强度及刚度
机柜应具备高强度的机械性能，保障柜内装置在运输、装卸和长期使用等过程中不受损害的同时，还可以防止在无人值守的运行环境下对机柜的人为破坏。机械动载荷能力达到GB/T19183振动与冲击等级要求。
2.2 柜体防尘防水
2.2.1 防尘措施
通常户外柜需要在呼吸孔处加装防尘过滤网，提高柜体的防尘能力。考虑到西北地区风沙大，普通的防尘过滤网需要经常更换，增加了维护人员的工作量。为此，本文提出了采用“瓦楞+旋风结构百叶窗+滤网”的柜体防尘过滤网结构。这种结构大大降低了灰尘进入柜内的概率，提高了柜体的防尘能力，从而降低了设备的维护工作量。见图一：
2.2.2 防水措施
1）顶盖采用斜面 ，门内框采用导流设计，即：向外弯边或上翘设计。
2）箱门的上边沿应有下弯沿进行导流。
3）箱体整体高度应高于地面，防止积水渗入箱体。
4）顶盖除排风口外应无缝隙，并且满焊，实现无缝对接。
5）加大箱檐并加强门框密闭，选用优质的“Ω”型密闭圈或其他有效的方式。
6）箱门要求平整，不变形，箱门应有加强措施，并能有效的与密闭圈配合。
7）为防止出现不必要的接缝，箱体的主体和基座两节不能使用螺栓进行拼接。
8）应有防止水沿面渗入呼吸孔或箱体的措施。
2.3 柜体加热除湿
智能控制柜内装设加热、除湿装置，其工作模式为在柜内湿度达到一定时，温湿度传感控制器启动电加热器和位于柜内顶部的风扇，将柜内湿气排出柜外；当柜内温度上升到某一温度时，柜内风扇启动，柜外新鲜空气经过滤后自机柜下层进入柜内，将柜内热气从机柜上部排出柜外。
2.4 柜体材料
1）用于柜体的金属材料应具备抗腐蚀和电化学反应的能力。
2）用于柜体的非金属材料应无脱层、空洞等缺陷。
3）柜体非金属材料不应腐蚀、破坏其他材料制作。
4）非金属零部件（包括绝缘电线、电缆和发泡材料）应为自熄性材料、其阻燃性能应能通过阻燃试验的要求。
5）所有外露非金属制造应能抵抗紫外线，经过模拟太阳辐射试验后，无裂纹、针孔、破损等现象。
2.5 柜体抗寒、抗电磁干扰措施
智能单元的面板须采用具有抗电磁干扰的材料，且安装时，智能单元面板与柜内面板要拼接完好，达到整体屏蔽的功能。为解决抗寒问题，在装置面板与装置主体之间加装保温隔热材料。装置面板上的显示灯、按钮及插口等利用引线穿过保温隔热材料与装置主体内元件相连。 3.智能控制柜散热方案
传统变电站场内端子箱内装置仅为电缆及端子排，无电子设备，其自身发热量小，且对柜内温度要求不高。智能变电站智能控制柜内安装了保护、测控装置以及智能终端、合并单元等重要的电子装置，其自身发热量大，装置本身的稳定运行要求柜内温度控制在-5℃～40℃。西北地区夏季日照时间长，大气透明度好，太阳辐射强烈，而且装置运行时发热量大，导致安装于户外的智能控制柜柜内温度极易超出装置的正常工作范围，从而影响设备安全稳定运行。
本文提出以下四种柜体降温方案：
3.1 加装隔热柜
对控制柜加装隔热柜，柜壁贴隔热膜，隔离外界太阳光直射及其它热源。经试验，通过红外测温对比，加装隔热柜后箱内温度与未改造箱体相比降低了1～2℃，散热效果较差。
3.2 加装风扇
柜内与柜外直接连通，通过增大风量，可以使柜内温度基本接近柜外温度。柜外冷风从柜底直接进入柜内，经柜内风路变为热风从上部流出。
优点：功耗较低，多个风扇可以互相備份，噪音相对低，结构简单，重量成本都很低。
缺点：风扇一般寿命较短，两至三年需要更换，内外循环无隔离，灰尘和湿度不易控制，油烟容易堵塞，空气中硫化物等污染无法控制。
3.3 加装空调
在控制柜柜壁加装空调，其散热原理与家用空调原理一致，通过冷媒和压缩机制冷或制热。
优点：散热效果非常好，防护等级高（内外循环隔离），可制冷可加热。
缺点：价格昂贵，功耗很高，噪音相对大，维护工作量稍大，需每年清洗滤网，每3-5年补充冷媒。 采用空调时，需要占用额外设备空间，在柜门或屏侧处外置或内嵌安装。
3.4 加装热交换器
柜内与柜外隔离，从柜外底部进入热交换器的冷空气分为多路，对非直接接触的柜内循环空气进行冷却，然后从热交换器顶部流出，柜内循环空气变为冷空气从热交换器底部进入柜内，对装置散热后变为热空气从柜顶进入热交换器，进行新一轮的循环。
优点：功耗相对较低，防护等级高（内外循环隔离），柜内不易进灰，寿命相对长。
缺点：成本高于风扇，噪音相对风扇偏高，由于与户外没有直接通风，柜内外有温差时热交换才能实现，温差越大，冷却效果越明显，所以本方案不能保证柜内与柜外温度相同，一般选择冷却功率时，使柜内温度等于柜外温度+5℃即可。
4.结 论
本文针对西北地区夏季太阳辐射强烈，柜内温度高，提出了经济适宜的柜体散热方案，即采用热交换器的柜体散热方式。
针对西北地区风沙大，柜体防尘要求高，提出了采用“瓦楞+旋风结构百叶窗+滤网”的柜体防尘网结构形式。