铁路用室外柜设计和探讨

侯石岩

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

随着中国铁路不断快速发展，对工程建设短周期和投入低成本的要求也日趋明显。相对于传统在信号楼机械室集中放置信号设备，使用室外分布式设置信号设备的形式，能减少电缆铺设长度、缩短建设周期、降低后期维护成本，提升信号设备安装灵活性。研发性能可靠、工作稳定的室外柜就显得尤其重要。

1 室外柜结构设计

全电子执行单元室外柜采用双层门板结构，采用自然对流热交换方式，IP设计等级为55，外观尺寸为1 700×700×800（高×宽×深， mm），内部整体框架焊接式设计，其结构示意如图1所示。机柜主要由以下几部分组成：内部整体框架（焊接）、前门、后门、顶板罩、底座、左侧门板和右侧门板。

图1 全电子执行单元室外柜结构示意图Fig.1 Outdoor cabinet structure of full-electronic executive unit

1）内部整体框架：左侧内门板、右侧内门板、内部顶板、内部底板4个部分整体焊接，增加柜体的强度和刚度。左侧内门板、右侧内门板的外侧设计百叶窗结构，门板内侧安装过滤网，实现内外层热交换。

2）前后门组成：内门板、门板加强筋、门锁机构、发泡胶条、导电密封条，外门板通过铰链和整体焊接式内部柜体连接。

3）左右侧外门组成：外门通过螺钉与焊接在内门板表面的支撑柱紧固连接，内门和外门板间隙形成散热、防尘、防水通道。

4）机柜顶部组成：顶板罩、顶部罩加强筋，顶板设计为2°的斜面结构，可以防止雨雪堆积、防辐射，顶部侧面设计的百叶窗结构与柜体形成通风散热循环系统。

5）底座：底部横梁、底部挡板；底部横梁和内部整体框架焊接构成一体。

2 IP防护设计思路

1） IP防护要求

考虑到室外环境恶劣，IEC61969-3《户外机柜气候和机械试验及安全》中对雨雪、冰雹环境因素的试验规定了IP55等级。GB4208-2008《外壳防护等级的分类》从防止灰尘等异物进入和防水两方面规定电气设备外壳的防护等级，其中防尘等级5要求不能完全防止尘埃进入，但进入的灰尘量不得影响设备的正常运行，不得影响安全；雨水进入机柜对电子设备的危害极大，危害设备的安全与正常运行，防水侵入户外机柜设备等级5规定2.5～3 m距离用规定的喷嘴在流量12.5 L/min条件下每平方米喷水时间1 min，试验至少3 min向机柜外壳各个方向喷水无影响。

2） 机柜结构设计

机柜结构的工艺水平、密封结构的设计及密封材料件的选型是实现机柜IP55及以上等级指标的两个重要方面。

全电子执行单元室外柜为整体焊接式内部柜体，在焊接中保证焊接工艺质量，不能有多余焊渣，虚焊、漏焊、焊丝粘连等问题；前后门使用发泡胶条、导电密封条，保证前后门内门的密封性；底部进出线孔采用密封胶或者满足IP55等级的穿线孔密封；门锁防护等级不低于IP55。

经过实际的淋雨试验测试（喷嘴直径6.3 mm，距离2.5～3 m，水流量（12.5±0.625）L/min，持续时间至少3 min），全电子执行单元室外柜的IP防护能力满足设计要求。

3 环境温度影响分析

机柜左右侧外门与内门间隙以及前后门外门与内门间隙，配合底部进风孔和顶部的百叶窗通风孔，形成散热通道，将内层设备的热量由下而上带出到柜外。

全电子执行单元室外柜（1 700×700×800，高×宽×深，mm）在不同环境温度条件下，柜内温度的仿真情况如图2、3所示。

图2 环境温度20℃仿真情况Fig.2 Simulation at ambient temperature of 20℃

图3 环境温度50℃仿真情况Fig.3 Simulation at ambient temperature of 50℃

从图2、3可以看出，在20 ℃环境温度时，柜内最高温度为55 ℃。在50 ℃环境温度时，柜内最高温度为70 ℃。

保持高度和宽度不变的情况，将机柜深度改为1 000 mm，进行温度仿真，结果如图4所示。

对比图2、4可知，增大机柜的深度，可使柜内温度降低4 ℃。增大机柜深度，有利用柜内风速增大，减少机柜内部热流涡旋现象，机柜散热性能更高。

极端环境温度条件下，需考虑安装热交换器，加快热量交换，降低柜内温度。

图4 机柜深度1 000 m下温度仿真结果Fig.4 Temperature simulation at cabinet depth of 1 000 m

具体可从以下几个方面选择。

1） 传导换热方式。

几种常见材料的导热系数，如表1所示。

表1 几种常见材料的导热系数Tab.1 Thermal conductivity of several common materials

2） 强制对流换热方式。

3） 液体冷却方式。

4 防太阳辐射

对机柜顶部罩有斜面和无斜面进行热仿真，仿真结果如图5、6所示。

图5中机柜顶部水平，太阳辐射使机柜顶部壳体表面最高温度为63.4 ℃，机柜顶罩内部温度为37.7 ℃；图6中机柜顶部倾斜角度大约是1.43°，太阳辐射使机柜顶部壳体表面最高温度为55.8 ℃，机柜顶罩内部温度为33 ℃，由于倾斜角度的存在，使机柜顶罩内部受太阳辐射温升降低了4.7 ℃。

另外，可通过在机柜表面喷涂防晒隔热涂层，减少太阳辐射。

5 湿度影响分析

对于电子产品，相对湿度控制在30%～80%比较适宜。湿度超过90%时，会使金属器件锈蚀和电器绝缘性能下降。

当与空气接触的物体表面温度低于空气的露点时，其表面会发生凝露现象。露点或者露点温度是指在固定气压之下，空气中所含的气态水达到饱和而凝结成液态水所需要降至的温度。

在空气温度保持不变的情况下，相对湿度越高，其露点温度也越高，且越接近空气温度。也就是说，相对湿度越高的空气，越容易因气温突变而发生凝露。室外柜凝露一般发生在柜壁内表面，当柜壁内表面温度降低到柜内空气的露点以下时，就会在内壁产生凝露。

防止室外柜凝露问题的重点在于提高柜壁内表面温度和降低室外柜内部空气的相对湿度。

全电子执行单元室外柜内部为发热设备，双层柜体间形成的通风风道会将热量带出到柜外，一定程度能够降低湿度。全电子执行单元室外柜在室外（中国西安，8月）运行一段时间内的温湿度统计如图7、8所示。

图5 机柜顶部水平仿真结果Fig.5 Thermal simulation when the top cover of cabinet is horizontal

图6 机柜顶部倾斜仿真结果Fig.6 Thermal simulation when the top cover of cabinet is inclined

图7 全电子执行单元室外柜内外温度比较Fig.7 Comparison of temperature in and outside of outdoor cabinet of full-electronic executive unit

图8 全电子执行单元室外柜内外湿度比较Fig.8 Comparison of humidity in and outside of outdoor cabinet of full-electronic executive unit

就当前使用环境看，全电子执行单元室外柜的设计符合预期目标。

为避免结露，可以考虑优先选用低成本的表面保温材料提高温度，防止冷凝。或使用吸湿剂除湿，在预算范围内，也可以考虑使用加热棒提高柜内温度。

6 总结

通过对全电子执行单元室外柜的仿真和实际测试，全电子执行单元室外柜满足设计预期。但当使用环境极端恶劣时，需要考虑额外增加温湿度的控制设备、喷涂防辐射材料，这些措施会增加产品的成本。另外，针对不同运用场景，可对室外柜的外形尺寸进行单独设计。

需要说明的是，室外柜的应用环境复杂，影响其性能的因素可能还有许多，比如酸雨、盐雾、雷电、地震等，今后要在后续的实际应用中根据使用环境需求进一步研究。