杨成江1刘汉菁2徐继林3齐高阳4钟正林5谢忠瀚6
都匀供电局 贵州都匀 558000
摘要：本文阐述了变电站电力监控设备由于运行环境恶劣覆灰严重，导致电力监控设备故障频发继而提出制作一种防尘的智能辅助运行机箱的必要性。这种防尘智能辅助运行机箱着重从防尘性能、散热性能和智能告警等方面进行考量设计，为变电站电力监控设备提供一个清洁、舒适的运行环境，从而达到不因设备覆灰严重导致故障的目的，对提高变电站电力监控系统设备可靠、稳定运行水平具有重要意义。
关键词：电力监控设备；机箱；防尘；散热；智能辅助
1 引言
变电站后台监控机、网络交换机、防火墙等设备作为电力监控系统架构的核心节点，作用与地位不言而喻，而且设备数量极其庞大。但这些自带有散热风扇的设备在运行中极易积灰、发热，严重影响设备健康运行，有的甚至出现死机、系统功能瘫痪。这些精密电子设备对环境生存能力极其脆弱，如何保证电力监控系统设备在干净的环境中健康运行就显得非常重要和有意义了。
目前这些设备常规的维护保养手段一般按照设备差异化运维、设备巡视等要求开展，保持主控设备室内适宜的温湿度环境，运行中关闭好机台、机柜等密封门，并做一些设备清扫工作。但这些维保手段和措施并不能有效解决设备处于恶劣环境运行的现状，主要存在几个问题：
1）、变电站电力监控设备运行环境洁净度（这里只考虑尘埃，不考虑有毒气体）远远达不到计算机机房环境要求，这给设备常规运维带来很大的困难。一般计算机机房空气洁净度要求为：直径＞0.5um的灰尘粒子浓度≤18000粒/升。而我们生活中空气洁净度很难达到这个要求，对于一些工业密集或空气状况较差的地区，情况更为严重，单纯采取人工干预手段清洁设备只是疲于奔命，效果极不理想；
2）、电力监控设备数量庞大，难以做到“黎明即起，洒扫庭除，要内外整洁”。电网中电力监控设备数量庞大，日常工作任务及其繁重，虽有设备差异运维巡视作业安排，对于需要处理的设备而言，无异于杯水车薪，况且在设备维作业时，往往也只是一些表面清扫工作，很难做到清五脏净六肺，适用度较低；
3）、常规运维满足不了设备实时运行要求的清洁度指标。很多设备长期处于严重积灰的亚健康状况运行，设备的健康稳定性运行得不到保证；
4）、电力监控设备大多承载电力系统实时业务，如将设备停下来彻底保养清扫，会极大影响系统可用化要求，这又产生了新的生产矛盾。
目前市场上也有很多关于关于防尘计算机机箱设计及其产品，但其或多或少存在一些不足和问题，这些诸多因素限制了它们的活力，尤其在电力系统领域中并没有得到很好推广应用。这些不足和问题主要体现在：
1）直接对计算机主机箱改良，在实际工作中很难操作。如变电站监控机装载变电站监控系统，对其机箱重新改良组装，难度很大，不易实现；
2）主要功能设计的问题。有些只考虑防尘，未考虑由此带来的散热问题；有些虽然都考虑了，但措施过于简单，效果不理想；有些考虑实现功能措施太复杂，如冷凝系统的配置等，在使用中维护工作复杂，难达到工程实用化要求；
3）没有针对性的、性能化的设计。没有对各种需要保护的电力监控设备有针对性去设计，存在使用范围的局限性，况且没有考虑被保护设备的可靠、安全、方便的安装使用；
4）未能实现智能化监控。对设备运行环境的监视，这点对无人值守变电站电力监控设备而言很重要，如果产品没有智能化监控功能就失去它的生命力。
为了解决上述存在的问题，拟研制一种智能辅助运行机箱，将变电站中精密的、尤其自带有风扇极易积灰的电力监控系统设备置于其中运行，优化设备运行环境，提高变电站电力监控系统设备可靠、稳定运行水平具有重要意义。
2 机箱整体架构及其防尘设计
为更好搭载监控机、网络交换机、防火墙等设备运行，智能辅助运行机箱设计成独立的卧式箱体或便于屏柜安装的挂装式箱体。
为方便研究，以解决使用于监控桌内搭载监控机使用的机箱为例说明。
智能辅助运行机箱首要功能就是具有防尘特性，即机箱具有良好的密封性。
依据国家标准电子计算机机房设计规范GB50174-93的空气质量要求，机箱材料采用轻质铝合金，为了更好防尘，机箱除了1个除尘新风口和3个散热出风口，整体采用封闭式结构与外界隔断，按照可同时搭载2台监控机的大小尺寸设计。
箱体前侧面及右侧面均采用合页连接的可开门形式，箱体各内侧面采取交叉撑杠的防沉措施，同时箱体前侧面配置封闭的、可透视的有机玻璃监察窗口。
为保证箱体内部与外界良好隔断，分别在除尘新风口和3个散热出风口处安装活动可取出的风口滤网，滤网孔径约0.9mm左右；同时，在机箱后侧面按照相应工业标准规范预制好电源接口、以太网络接口、UBS接口（仅供鼠标键盘用的接口）、视频VGA接口、视频DVI接口、温度告警信号接口，方便箱内主机、新风净化器、散热风扇、温度控制器等设备与外部连接的各种线缆连接，减少机箱上的线缆接线孔暴露在外面。
在机箱前侧面及右侧面采用合页连接的可开门门框加装橡胶密封条，提高活动连接部位严密性。
3 机箱散热设计
箱体整体采用封闭式结构，机箱的散热情况成为新的主要矛盾，其也是在机箱设计时需主要解决的问题，故在机箱材料选型时选用散热性好的铝合金。
另外为更好的散热，机箱采用负压方式实现机箱内外空气交互流通降温。
在机箱左侧面开一个10cm×10cm方形进风口，安装新风净化器，机箱容积按0.119m3考虑，设计的新风净化器基本要求为：低功率（宜小于20W）、净风量大于120m3/h。
机箱后侧面、左侧面、右侧面各开一个方形散热出风口，大小分别为12cm×12cm、8cm×8cm、8cm×8cm，左侧面、右侧面风口位置对称设置，风口处安装散热风扇，其中后侧面风口为主出风口，左侧面、右侧面风口为辅出风口。
为保证箱内能够负压通风降温，主出风口采用出风量大于150m3/h的散热风扇，设计为常开工作模式；每个辅出风口采用出风量大于100m3/h的带有风叶自动关闭风口功能的散热风扇，设计为自动控制启/停工作模式。
良好的机箱内空间布局设计。采用支架将2台主机腾空安装（支架距箱底面3cm高）并保持两者合理的水平间距，使得主机在机箱内有良好的通风通道；还有机箱内辅助设备的各种线缆统一布线，经过箱体上预制好的接口接出，也利于通风通道的通透性，有效提高机箱负压通风降温效果。
根据国家标准电子计算机机房设计规范GB50174-93的空气温度要求，结合机箱容量实际，通过出风量大于进风量设计，加速箱体内部空气流通，将热空气排到机箱体外即变电站控制室内，而变电站控制室内的大环境有空调调节室温，机箱体内热空气排到机箱体外后会被降温冷化，不至于将原封不动的热空气被当作新风再次送入箱内，理论上是可行的。
4 机箱温度告警等智能辅助设计
为使运行机箱达到更加可用、实用化要求，机箱增加智能辅助等设计：
1）机箱运行温度智能监测告警。机箱前侧面监察窗口处内侧安装带有温度显示的温度控制器，通过与之连接的感温探测棒，将测量到的机箱内环境温度实时显示出来。同时，根据设备适宜温度标准，将温度控制在15～28℃并±5℃的范围内，当温度≥28℃时，温度控制器输出告警1信号；当温度≥33℃时，温度控制器输出告警2信号。并将这两个温度告警信号接入变电站自动化监控系统，对于无人值守变电站，能实时监视设备运行环境温度，便于提前预警处置非常重要。
安装感温探测棒时，应考虑合适的测温区域，宜安装在以2台主机CPU位置之间连线、半径为8cm的轴线中间部位。在机箱顶面内侧中间部位，竖向装一条轨道，将感温探测棒绑定于轨道的滑动螺帽上，方便更好的测温。
2）节能化设计。机箱的散热风口风扇除主风口风扇外，箱体左、右侧面上还有辅风口2个风扇，平时机箱温度低于25℃时，这两个风扇处于停用状态，且在其停止工作状态时相应出风口应自动关闭（保证机箱封闭性），因主散热风口风量大于新风净化器进风口风量，整个机箱仍保持负压通风正常工作。一旦机箱内温度达到25℃及以上时，才启动辅风口风扇工作，这样避免了机箱内温度不高时辅风口风扇仍工作带来不必要的能源消耗。
3）良好的安装和维护便利性。机箱底面设置安装主机的固定支架，在支架纵向框架上设置2个前置挡板和2活动伸缩卡舌，便于支架上主机的平面纵向受力控制；在支架横向框架上设置6个活动伸缩卡舌，中间部位3个和右边部位3个卡舌分别用于支架上2台主机的平面横向受力控制。在支架的三条横向框架中间部位略靠右（保证2台主机安装时横向距离6cm左右）分别设置卡钉，3个卡钉在与横向框架垂直的一直线上；机箱底面外侧四角处各设一凸垫。保证设备安装可靠稳定性。
另外考虑维护使用便利性，机箱前侧面和右侧面采用活动门形式，便于安装维护使用，为有更好封闭性增加锁扣配置；机箱顶面内侧安装轨道，便于调节感温探测棒的适宜测温位置；机箱前侧面布置有可透视的封闭有机玻璃监察窗口，利于直观查看机箱内的环境温度。
5 结语
通过机箱封闭防尘、负压散热及智能辅助等设计，制作出一款适用于变电站后台监控系统智能辅助运行的机箱，以达到后台监控系统能在干净的环境中健康运行的目的。这种使用于监控桌内搭载监控机的机箱试用可行后，其适用范围再作拓展，根据二次设备屏柜安装形状，不改变机箱整体结构和性能，只需稍作适度扁平化设计，在机箱两侧前端增设“耳朵”固件，就很方便将机箱安装到二次屏柜上，搭载网络交换机、加密装置、防火墙等设备运行，为这些电力监控系统架构核心节点健康运行提供优质服务，从而提高变电站二次设备运行稳定性，以便维持电网整体的良好运行。
参考文献：
[1] 邱成悌 编著．电子设备结构设计原理．东南大学出版社，2005.
[2] 《电子计算机机房设计规范》（GB50174-93）.
[3] 数据中心设计规范（GB 50174-2017）[S].
[4] GB/T 3047.2-1992 高度进制为44.45mm的面板、机架和机柜基本尺寸系列.
[5] GB/T 2822-1991 标准尺寸.
[6] SJ/T?207.1-3-1999 中华人民共和国电子行业标准《设计文件管理制度》.
作者简介:杨成江(1976- )，男，电气工程硕士，工程师，主要从事电力系统调度自动化等电力生产工作20年。