一、前言

　　由于變電站業務需求及技術的進步，促使變電站一、二次設備的融合，功能向智能化發展，也產生了智能終端設備配置及安裝的變化，使其從原來的戶內開放式放置向戶外密閉式放置過渡。在戶外無遮擋情況下，陽光輻射以及設備本身耗散的熱量作用使得密封機柜內部溫度有可能超出設備允許的范圍，裝置長時間在超負荷高溫下運行，會引起元器件性能的降低，進而導致裝置故障，影響整個系統的穩定性，因此在密封的戶外機柜中如何控制內部的溫度，成為戶外機柜設計的關鍵。

　　目前對于復雜系統熱負荷設計分析，大多采用有限元分析方法。本文以SolidWorks Simulation軟件對戶外機柜內部的流場、溫度場進行計算分析，為戶外機柜熱仿真提供一種直觀效果，提高計算的閱讀力。另外根據仿真結果可方便地修改局部結構，使結構設計逐步達到最優。

　　二、 熱傳遞機理

　　通常，熱量的傳輸有三種方式。

　　(1)傳導。傳導是固體中熱傳遞的主要方式。其傳熱量與材質的熱導率、溫差、通過的面積成正比，與通過的長度成反比。

　　(2)對流。對流是固體表面與附近流體間的傳熱方式。傳熱量的大小與對流系數、表面積、表面與流體間的溫差成正比。

　　(3)輻射。熱輻射是在一定溫度下的物體通過電磁波的形式向外發射的過程。物體熱輻射的大小與物體表面積、物體表面輻射系數和溫度的4次方成正比。

　　密閉戶外機柜的散熱設計就是遵循以上原理，對機柜結構進行優化，合理布局內部元件，選擇合適的散熱方式，達到對裝置內部元器件散熱的目的。

　　三、建立數學模型

　　1.控制方程

　　在計算過程中，要考慮流體、傳熱的綜合效果，其計算基礎如下。

　　在穩態情況下：流體的連續方程為。 其中u、v、w為x、y、z方向的速度分量。

　　動量方程為

　　其中p為壓力，為粘滯系數。

　　能量方程為。

　　仿真計算就是通過求解3個方程，獲得流體在穩態時各點的u、v、w分布以及P和T分布情況。

　　2.建立物理模型

　　整個機柜外殼尺寸為1000mm×600mm×550mm。內部裝有2個6U 半寬機箱，2個1U全寬 機箱，2個風機對2個半寬機箱進行強制風冷，機柜內部靠下的空間安裝1個風機進行空氣的強制對流，機箱上下排列。為使仿真結果更加準確，根據每塊印制板上不同散熱模塊進行細分，對2個半寬機箱的內部元件布置進行仿真建模處理。印制板設定為絕熱材料。機箱內部元件熱量主要靠對流與輻射傳遞給空氣及殼體，熱量再通過戶外機柜外殼與外界進行熱交換。考慮到風機會影響內部流體分布，結構設計時在風機與機箱間加裝導流罩。系統整體模型見圖1。

　　四、設定仿真結構方案

　　戶外機柜在熱設計時應滿足的要求及需考慮的問題。

　　(1)應滿足設備可靠性的要求。

　　(2)應滿足設備預期工作的熱環境要求。

　　(3)應符合相關標準、規范要求。

　　(4)應對冷卻方法進行權衡分析，使設備在壽命周期內費用最低，可靠性最高。

　　(5)應提高設備的可維修行性。

　　(6)應考慮太陽輻射給設備帶來的熱問題。

　　(7)應防止各種微粒的沉積，以免增大設備熱阻，降低冷卻效果。

　　(8)應盡量防止工作周期、功率、熱環境變化引起的熱瞬變，使溫度波動減小到最少。

　　根據熱設計的要求及需考慮的問題，戶外環境、內部空間及裝置確定后，能夠影響整個系統散熱的因素只有結構方案，即外殼加不加遮陽板、內外氣體有無強制對流、密閉空間內部有無風機等。

　　根據以上所述，確定五種方案進行分析。

　　(1)單層結構，不通風，不加風機，機箱自然散熱。

　　(2)單層結構，不通風，散熱風機在機箱上部。

　　(3)雙層結構，不通風，散熱風機在機箱上部。

　　(4)單層結構，不通風，散熱風機在機箱下部。

　　(5)單層結構，有通風，散熱風機在機箱下部。

　　五、設定參數

　　此次分析的環境參數如表1所示。2U半寬裝置內部的單板分布如圖2所示，參數設置如表2所示。

　　六、算例分析

　　對以上五種情況進行熱分析，計算出內部機箱表面溫度與平均流體溫度的差別，從而得到最佳的設計方案，如圖3～圖7所示。

　　從分析數據及兩種分布圖可以看出以下幾點。

　　(1)方案1中箱體內部空氣的流動靠自身重力驅動，流速緩慢，熱交換較慢。從流場及溫度場的分布圖看出內部溫度不同層的溫差較大，裝置局部有過熱現象，不利于裝置的散熱，不符合正常運行要求，只能靠加裝防護層、內循環風機或開孔通風解決局部過熱的問題。

　　(2)方案2從內部溫度場分布圖的顏色對比看，內部空氣溫度較為平均，機箱表面溫度在正常應用條件之間，符合運行要求。

　　(3)方案3與方案2相比，內部平均溫度下降4°左右，符合運行要求。

　　(4)方案 4 與方案 2 相比，風機在機箱下部的散熱效果較好，平均溫度比方案2更低，其結果符合運行要求。

　　(5)方案5與以上不與外界通風的方案相比，箱體開通風孔后的散熱效果最好，其結果符合運行要求。但開通風孔增加了箱體對灰塵及雨雪的防護難度。

　　七、結論

　　本文以變電站內戶外機柜為例，對戶外機柜熱設計過程 中的設計要素和設計方案進行仿真比較。從以上方案分析的 數據可以看出：

　　(1)開通風孔與無通風孔兩種情況都能滿足當前內部元件正常運行的溫度要求，但考慮到防護要求，結構設計時，柜體不用開通風孔。

　　(2)單層與雙層結構都能滿足元器件正常運行，考慮到成本需求，柜體應設計為單層結構。

　　(3)當機箱強制對流散熱時，把風機安裝在裝置下部效果最好。

　　從以上熱分析可以得出戶外機柜的結構設計方案為：單層結構、箱體不開孔、內部增加強制對流風機，就可滿足此系統的散熱需求。