一种密封散热电气柜设计研究

摘  要：城市轨道交通因为方便快捷、发车间隔短、故障率低、准时率高等优点，深受全国广大人民的热爱。为了完善轨道交通车辆的功能，减少故障率的发生，各车辆公司和研究所也在不停地研究和探索。从最初的有人驾驶发展到如今的无人驾驶，伴随着轨道车辆功能的不断增加和完善，车辆内电气设备及监控电气元器件也不断增多，安装环境要求也越来越复杂和严格，电气柜的设计也趋于多样性。文章打破了传统的开放式电气柜设计理念，创造性的开发了一种满足防水防尘等级的密封式散热电气柜。

关键词：轨道交通；电气柜；防水防尘；密封；散热

轨道交通都是依靠电作为驱动的一种交通工具，因此车辆上布置有各种功能的电气设备及线缆，用以电和信号的传输。一般，车内设备依靠车辆外部的车体实现密封性能，可以不单独设计防水防尘结构。但是随着无人驾驶技术的快速发展，车辆内部的监测设备及检测电气元器件也越来越多，为了减少车辆故障率的发生，业主对车内设备的安装环境提出了更高的要求。文章以某市轨道交通线为例，详细讲述了一种密封散热电气柜的设计及优化研究。

1  方案设计

通常，电气柜位于车辆的车体内部，传统的电气柜仅靠内装外柜的防护就能满足柜内设备及电气元器件的安装使用要求，所以均设计为开放式结构，不再考虑防尘防水要求。近年来，随着无人驾驶技术的崛起，对设备及电气元器件的故障率要求达到了一个巅峰。为了给电气柜柜内设备及电气元器件提供一个更好的安装环境，降低潮湿环境、粉尘污染对其功能的影响，就出现了下文所设计的密封式散热电气柜。它不仅延续了传统电气柜轻量化、方便维护及检修的优点，而且达到了标准GB/T 4208-2017 《外壳防护等级（IP代码）》要求的IP 54防水防尘等级。

1.1 外形设计

根据总体图，确定电气柜可用空间，同时避让内装外柜上安装的设备，充分利用可用空间，设计出柜体轮廓，最大外形尺寸为722 mm×386 mm×1853 mm。

1.2 柜内设备排布

首先，根据电气原理图统计出电气柜柜内需要安装的设备，包含2个标准的3U主机、34个手动复位断路器、8个自复位断路器、4个SMITT继电器、3片1等级端子排、7片2等级端子排、120片4等级端子排。

因为主机深度较大，且前部需要出线及维护空间，所以布置在C形柜体的上部位置。上部空间布置主机后，剩余空间可放下4个SMITT继电器。

因为断路器和端子排较多，需要空间较大，将其布置在柜体的中间位置。为了充分利用可用空间，放下所有的断路器和端子排，将中部空间设计成双层结构。考虑到端子排上接线比较多，如果设置在铰链门板上，会导致开、关门困难，故将其布置在背板上，断路器布置在铰链门上。

1.3 柜内布线

梳理电气柜柜内设备及其电气接口，明确柜内电缆等级种类，进行分束布置，避免电磁干扰。SMITT继电器接口主要是控制线，标准的3U主机接口主要是电源线、音频线、视频线、网络线和传感器的线，断路器接口主要是电源线，端子排接口主要是电源线和控制线。这些电缆按照耐压等级划分，音频线、视频线、通信网络线、传感器线属于1、2等级电缆，电源线和控制线属于4等级电缆。

根据电缆布线规则，1、2等级电缆可以捆扎在一起。但是为了避免产生电磁干扰，1、2等级电缆和4等级电缆需分开布置。根据标准要求，两种等级的电缆分开布置可以使用金属板隔开，也可以将两者保持大于100 mm的间距分开捆扎[1]。根据柜内空间综合考虑，决定将主线束沿着柜体左、右两侧布线。由于柜内空间狭小，设置金属板隔开后不方便后期线束的维护，所以将两种等级电缆保持一定距离隔开布置。

1.4 模块化设计

近年来，模块化设计已经越来越多的运用到车辆上[2，3]。车辆都是采用流水线生产，模块化可以节省工位干活的时间，提高生产效率。因此，为了实现模块化布线，在柜体的上部和下部分别增加了分段连接器，除了网线和信号线不能分段外，其余电缆均通过连接器分段。设置分段连接器后，与电气柜连接的大部分电缆压接都可以在流水线外制作，大大节省了流水线上工位制作的时间。

1.5密封设计

此电气柜特殊之处在于需要达到IP 54的防水防尘等级，现对非封闭位置处进行密封结构设计。

（1）铰链门：在铰链门门框四周设计凹槽，然后在凹槽里面放置密封垫，铰链门关闭时压缩密封垫达到密封性能。

（2）上部进线孔：采用管接头和波纹管进线，靠接头本身的性能实现密封。

（3）下部进线孔：由于下部进线孔与底架分线箱相通，空间较小，所以采用ROXTEC夹块实现密封。

（4）安装孔：考虑安装误差，为了方便调节，将电气柜柜体上的安装孔设计为长圆孔。为了保证密封性能的实现，安装后将螺栓周圈打胶密封。

1.6散热设计

电气柜柜内放置有主机和电气元器件，其工作时都有会产生热量，所以密封柜需考虑内部散热问题。在电气柜的顶部设计了电风扇，为柜内降温。在电气柜的下部，设计了通风孔，保证柜内、外空气的流通。下部的通风孔向下开，保证水不会进入到柜内，同时在孔内侧粘接防尘棉，保证灰尘不会进入柜内。

1.7照明设计

电气柜组装完成装上车后，发现柜内塞满了设备和线缆，仅靠内饰照明无法清楚的看清电气柜内部标识，所以增加照明灯具很有必要 。结合电气柜结构特点，为了能够让灯光完全覆盖内部区域，在上、下部区域各设置一个照明灯，以方便后期维护。

2  试验验证

本文设计的电气柜为一种全新的结构，所以按照标准 IEC 61373-2010《铁路应用－机车车辆设备－冲击和振动试验》和GB/T 4208-2017 的相关要求做试验。结果表明，该电气柜满足冲击振动和IP 54防水防尘要求。

3  结论

本文根据业主的新要求，成功研发出了一种新的电气柜结构。不仅具有传统电气柜轻量化、模块化、安装可靠的特点，而且增加了IP 54的防尘防水及散热功能。随着轨道交通无人驾驶技术的大力发展，业主要求的不断提高，本文设计的电气柜将成为今后设计的重要参考。

参考文献：

[1] 刘雅琴， 梅兰风，王雄海，等.一种基于模块化的机车托架布线设计[J].中国科技信息， 2024， （19）： 119-121.

[2]王文平， 贲晓东，刘云峰.面向工位的25型铁路客车制动系统模块化设计探索[J].智慧轨道交通， 2021， 58（6）： 28-33.

[3]李新康，吕枭，王聪.模块化设计在我国轨道交通产品中的应用与展望[J].铁道车辆， 2024， 62（4）： 1-4.