一种基于热管原理的电力通信设备自动散热装置制作方法研究

2024-04-25常宛露蔡莹乾

机电信息 2024年8期

刘伟常宛露蔡莹乾

（国网郑州供电公司，河南郑州 450006）

0 引言

电力系统通信是电网实现调度自动化和管理现代化的基础，是确保电网安全、经济调度的重要技术手段。随着电力系统的不断发展壮大，电力通信设备数量增加、功率加大，造成了电力通信柜内的发热元件越来越多，发热量也越来越大，对电力通信柜的散热降温要求也越来越高。加之近年的气候变化造成气温上升、高温天气增多，持续的极端高温天气也屡有发生。这些因素使得电力通信柜的运行环境更加恶劣，即使在通信室安装有空调的情况下，通信柜内的温度仍然会超过正常运行的温度，造成通信设备故障、损坏、寿命缩短等情况，影响电力系统的稳定运行。因此，结合电力通信柜的特点，研究出一套有针对性的方案对电力通信柜进行散热处理，对于保障通信设备正常工作、保护电力通信网络的可靠运行非常必要。

1 当前电力通信机柜降温方法存在的问题

电力通信机柜主要安装在机房中，降温方法包括自然对流、强制对流（风冷模式）、热交换器、机柜空调等[1]。

目前，大多数电力通信机柜采用的都是强制对流降温方式，也就是在机柜上安装小型的风扇实现外界和机柜内部的空气交换，将机柜内部的热量带到外部环境中。在夏季炎热时，还可开启机房内的空调，实现对机房的降温。这种模式存在如下缺陷：

1）散热效率低：通信机柜内部空间狭小，设备发热量大，仅通过几个小型风扇难以将机柜内的聚集热量及时散发到外界环境中，会造成机柜内温度过高。

2）可靠性差：通信机柜上安装的散热风扇处于连续工频运行状态，长时间连续运行，容易发生故障和损坏，造成机柜散热不及时。

3）控制不精准：机房空调的控制是根据机房室内的温度进行人工开启和关闭，并不是根据通信机柜内部的温度实时控制。由于通信机柜内安装的设备发热量较大，一般来说通信机柜内部的温度会高于机房温度，因此存在当机房内环境温度尚未达到启动空调的要求时，通信机柜内的温度已经较高的情况。

2 设计思路

笔者在设计电力通信设备自动控温散热装置时主要遵循了如下要点：

1）可靠性：电力通信设备对于保障电网安全运行非常重要，因此本装置必须具有很高的可靠性。

2）智能化：装置应实时监测通信机柜的温度、通信设备表面的温度，并以此为散热装置的控制判据，做到根据实时温度开启、控制散热器，控制散热风扇的转速，实现对通信机柜内部温度、通信设备温度较为精准的控制。

3）扩展性：通信机柜内可能安装有多个发热量大的通信设备，因此装置应有可扩展性，留有足够的输入/输出接口，便于对多个通信设备散热装置进行监控。

4）低功耗：通过采用低功耗元件、散热装置逐级投入、散热风扇变频控制等手段，尽量减少散热装置的功耗，尽量避免额外的热源对机柜内部环境、机房环境的影响。

基于以上几点考虑，笔者提出了如下系统设计方案，如图1所示。

图1 系统设计方案图

控制器：是整个系统的核心元件，可接收机柜温度传感器、通信设备温度传感器的温度，并根据温度传感器反馈的温度，对散热模组上的散热风扇实现开启、关闭；通过PWM方式调整风扇转速，从而实现通信机柜内部和通信设备的精准温度控制；尽量减少风扇功耗，避免额外的热源对机房环境产生影响。控制器可采用面板式安装或导轨式安装。

温度传感器：是一组MEMS温度传感器，分别用于监测通信机柜内部和通信设备表面的温度，作为各个散热模组启动、停止和调速的判据。

通信机柜散热模组：由若干散热风扇和安装支架组成，根据机柜温度的设定值启动、停止和调速。

通信设备散热模组：由铝制散热器、若干散热风扇和相应的安装支架组成，具有 “自冷模式” 和 “变频风冷模式” 两种工作模式。若通信设备发热量不大，工作于 “自冷模式” ，依靠散热器本身即可实现通信设备的降温；若通信设备发热量较大，启动并控制散热风扇的转速，通过散热风扇将更多的热量从通信设备表面带走，此时散热装置即工作于 “变频风冷模式” 。

3 基于热管原理的电力通信设备自动散热装置的制作方法

根据以上设计思路，笔者提出了电力通信设备自动散热装置的制作方法，其原理如图2所示。

图2 电力通信设备自动散热装置原理图

3.1 控制器的制作方法

控制器用于整个通信设备自动散热装置的信息处理和控制，采用STM32单片机进行开发，具有人机界面、温度输入、散热器控制、数据存储、通信控制等主要功能模块。其主要功能如图3所示。

图3 通信设备自动散热装置控制器的主要功能

3.2 机柜散热风扇模组的制作方法

机柜散热风扇模组主要由安装支架和若干轴流风扇组成，其主要作用是利用风扇将机柜内聚集的热空气向外排出。其示意图如图4所示。

图4 机柜散热风扇模组示意图

安装支架有两个作用，一方面是将轴流风扇固定在安装支架之内，另一方面是将整个机柜散热风扇模组固定在通信机柜顶部。

3.3 通信设备散热模组的制作方法

通信设备散热模组主要由散热器底座、散热器、热管和若干轴流风扇组成，其主要作用是将通信设备运行时聚集的热量向外排出。其示意图如图5所示。

图5 通信设备散热模组示意图

热管是一种是利用液体变为气体时吸收热能和气体变成液体时释放热能，即依靠自身内部工作液体的相变来实现传热的元件，具有结构紧凑，导热性高，等温性、热流密度可变性和环境适应性良好等基本特性。在众多传热元件中，热管是最有效的传热元件之一，在电子电气工程中应用很多，它可以将大量的热量通过很小的截面远距离传输而不需外加动力[2]。本装置中采用热管作为散热组件，也正是看重了它的特性。本装置采用的热管为紫铜制作的U型铜管，横截面为扁圆形，内部充有工作介质。U型热管的一端为蒸发端，嵌入散热器底座；另一端为冷凝端，嵌入散热片。散热器底座是一个铝板，贴合安装在电力通信设备表面，热管嵌入散热器底座内。散热器底座的尺寸根据电力通信设备的外观尺寸定制，将通信设备产生的热量传递到热管及散热器中。散热片是一个铝制的翅片型散热器，其下端开有凹槽，可将导热管的冷凝端嵌入其中。散热片本身均有一定的散热能力，当通信设备发热量不大时，利用散热片即可将设备产生的热量迅速扩展到周边环境中。

通信设备散热风扇模组是一个由若干个变频轴流风扇组成的风扇组，通过长螺栓或卡扣固定在散热器的上端。该风扇组以直流12 V或直流24 V供电。散热风扇启动后，可产生快速的气流将散热器散发的热量迅速带走，实现更好的散热效果。通信设备散热风扇模组的启停和转速快慢由控制器进行控制。

从以上叙述可以看出，通信设备散热模组实际上是具有两种工作模式的，分别是自冷模式和变频风冷模式。

自冷模式：当通信设备发热量不大，系统检测到温度较低时，不需要启动散热风扇降温。利用热管散热器本身的散热能力就可以将装置产生的热量扩展到周边环境中，实现通信设备的降温。

变频风冷模式：当通信设备发热量变大，系统检测到温度升高到设定值时，开启通信风扇散热风扇组，可产生快速的气流，通过散热器的翅片将热量从散热器表面迅速带走，实现更好的降温效果。系统可以根据温度传感器的反馈，自动调节风扇的转速，在保证散热效果的同时，减少风扇组的出力，降低功耗。