中間跨接法有源以太網(wǎng)電涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)方法

李祥超，蔡露進(jìn)，楊悠

（南京信息工程大學(xué) 中國氣象局氣溶膠－云－降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京210044）

中間跨接法有源以太網(wǎng)電涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)方法

李祥超，蔡露進(jìn)，楊悠

（南京信息工程大學(xué) 中國氣象局氣溶膠－云－降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京210044）

針對中間跨接法有源以太網(wǎng)絡(luò)遭受雷擊事故導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信號中斷或終端設(shè)備損壞的問題，通過對中間跨接法有源以太網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)及網(wǎng)絡(luò)信號類電涌保護(hù)器（surge protection device，SPD）設(shè)計(jì)理論的分析，設(shè)計(jì)了中間跨接法有源以太網(wǎng)絡(luò)SPD。依據(jù)IEC61643－21：2012《低壓電涌保護(hù)器第21部分：電信和信號網(wǎng)絡(luò)SPD性能要求和試驗(yàn)方法》中的規(guī)定，對中間跨接法有源以太網(wǎng)絡(luò)SPD的電路進(jìn)行了試驗(yàn)。得出以下結(jié)論，信號SPD部分：隨著沖擊電壓的增大，開始時(shí)線間殘壓呈遞增的趨勢，之后急劇下降，最后穩(wěn)定在40 V左右，通流不斷增大，但在開始沖擊時(shí)，信號部分的SPD存在盲區(qū)；線－地殘壓與通流隨著沖擊電壓增大而增大。同一沖擊電壓下，線間殘壓與通流隨著退耦電阻的增大而減小，增大退耦元件的阻值可以提高箝位元件SR05的損壞電壓并減小通流，但卻犧牲了網(wǎng)絡(luò)的插入損耗。電源SPD部分：隨著沖擊電壓的增大，殘壓開始時(shí)不斷增大，最終穩(wěn)定在某一值附近；通流隨著沖擊電壓的增大不斷增大。提出了中間跨接法有源以太網(wǎng)電涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)思路，在防雷中有一定參考價(jià)值意義。

中間跨接法有源以太網(wǎng)，SPD，通流，殘壓，插入損耗，設(shè)計(jì)方法

0 引言

結(jié)合了以太網(wǎng)和IP技術(shù)的有源以太網(wǎng)技術(shù)作為一種實(shí)現(xiàn)FTTP（Fiber To The Premises）的新技術(shù)越來越引起人們的關(guān)注。它相對于無源光網(wǎng)技術(shù)，具有傳輸距離更長，帶寬更寬，組網(wǎng)更靈活等特點(diǎn)，而且可成為FTTP技術(shù)的新寵[1－2]。其中有源以太網(wǎng)絡(luò)已發(fā)展成為常用的網(wǎng)絡(luò)通信之一[3－6]。然而根據(jù)氣象部門對雷擊事故調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明：通信線纜每年因雷電過電壓所導(dǎo)致的損壞事故不計(jì)其數(shù)，事故將引起信號的中斷或交換機(jī)I/O設(shè)備接口的損壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

目前國內(nèi)外學(xué)者對網(wǎng)絡(luò)通信的SPD做了相當(dāng)充分的研究[7－10]。李祥超等人在《智能型1000 M 網(wǎng)絡(luò)SPD的研制》文中提出了多級保護(hù)的設(shè)計(jì)方法，利用通流容量大且分布電容小的防雷器件，設(shè)計(jì)了智能型千兆網(wǎng)絡(luò)信號SPD。并且對1000 M網(wǎng)絡(luò)信號SPD進(jìn)行試驗(yàn)測試，得出具有通流容量大、信號衰減小的結(jié)論[11]。翁若方等人在《通信系統(tǒng)浪涌保護(hù)器的性能試驗(yàn)及評價(jià)分析》文中提出在信號防雷產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中產(chǎn)品自身的安全性和可靠性和防雷的有效性往往是矛盾的，在設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況考慮取兩者的折衷點(diǎn)，才能真正保證信號設(shè)備運(yùn)行安全[12]。到目前為止，眾多學(xué)者對部分網(wǎng)絡(luò)端口SPD的設(shè)計(jì)方法做充分性的研究，但對中間跨接法有源以太網(wǎng)SPD設(shè)計(jì)方法的研究甚少。

基于此，作者根據(jù)中間跨接法有源以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及傳輸特性參數(shù)的特點(diǎn)，采用多級防護(hù)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了中間跨接法有源以太網(wǎng)SPD。對中間跨接法信號部分有源以太網(wǎng)絡(luò)SPD進(jìn)行測試，網(wǎng)絡(luò)信號部分：將雷電沖擊電壓與線－線間及線－地間的殘壓及通流的關(guān)系進(jìn)行了分析；電源部分：將沖擊電壓與殘壓及通流關(guān)系進(jìn)行分析。并對安裝了信號SPD部分的插入損耗進(jìn)行了測量及分析。同時(shí)，改變了退耦元件的阻值進(jìn)行試驗(yàn)與分析。得出具有一定價(jià)值的結(jié)論，為中間跨接法有源以太網(wǎng)SPD的設(shè)計(jì)提供了思路。

1 中間跨接法有源網(wǎng)絡(luò)SPD電路分析

中間跨接法有源以太網(wǎng)指的是在現(xiàn)有的以太Cat.5布線基礎(chǔ)框架不做任何改動(dòng)的情況下，在為一些基于IP的終端傳輸數(shù)據(jù)信號的同時(shí)，還能為此類設(shè)備提供直流供電的技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)的五類網(wǎng)線有四對雙絞線，但是在10M BASE－T和100M BASE－T中只用到其中的兩對，IEEE802.3af允許兩種用法，其中應(yīng)用空閑腳供電時(shí)，4、5腳連接為正，7、8腳連接為負(fù)，這種方法稱為中間跨接法。

根據(jù)依據(jù) IEC61643－21：2012《低壓電涌保護(hù)器第21部分：電信和信號網(wǎng)絡(luò)SPD性能要求和試驗(yàn)方法》中的要求，以及依據(jù)中間跨接法有源以太網(wǎng)的供電和通信方式，設(shè)計(jì)一種中間跨接法有源以太網(wǎng)絡(luò)電涌保護(hù)器，能夠有效地釋放雷電波的能量和抑制雷電過電壓，能夠起到較好的防雷效果，保證中間跨接法有源以太網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

有源以太網(wǎng)絡(luò)電涌保護(hù)器的組成有三部分：一是第一級保護(hù)電路，主要作用是用來釋放雷電波能量；二是退耦元件，根據(jù)電路信號的特點(diǎn)，選用電阻或電感；三是線間箝位，用來抑制線間的雷電差模過電壓，其工作過程是：當(dāng)雷電波沿著線纜傳輸經(jīng)過第一級保護(hù)電路時(shí)，雷電流的主要能量對地釋放，雷電過電壓的幅值相對減小，雷電波殘余的能量通過退耦元件，退耦元件起到緩沖隔離的作用，部分雷電波能量被吸收，經(jīng)過退耦元件的殘余雷電波再加到線間箝位電路，將線間的雷電過電壓限制在一定的幅值范圍。

圖1 中間跨接法有源以太網(wǎng)電涌保護(hù)器原理圖Fig.1 The schematic diagram of mid－span active ethernet SPD

有源以太網(wǎng)中間跨接法SPD的結(jié)構(gòu)如圖1所示，有兩個(gè)部分組成：一是網(wǎng)絡(luò)信號防護(hù)部分。RJ45是接口，1、2端及3、6端為網(wǎng)絡(luò)信號端口，網(wǎng)絡(luò)信號防護(hù)部分電涌保護(hù)器的結(jié)構(gòu)由GDT1、GDT2為兩個(gè)三極氣體放電管組成雷電波能量對地釋放電路；R1、R2、R3、R4組成的退耦電路；及 T1、T2組成的線間箝位電路組成。其工作過程是：當(dāng)雷電波從輸入端進(jìn)入電涌保護(hù)器，GDT1、GDT2首先將雷電波的能量對大地進(jìn)行釋放，并將雷電過電壓的值限制在一定的幅值范圍，殘余的能量經(jīng)退耦電阻 R1、R2、R3、R4加到線間箝位器件T1、T2上，將線間電壓限制在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端口能夠承受的電壓范圍。

其中箝位器件為SR05，SR05的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。SR05是由1個(gè)TVS（D5）和四個(gè)普通二極管（D1D2D3D4）構(gòu)成的橋電路，電路中利用整流橋電路來減小TVS的分布電容值。SRO5的分布電容值約為8 pF，對網(wǎng)絡(luò)信號傳輸?shù)挠绊懞苄　?/p>

圖2 SR05的原理圖Fig.2 The schematic diagram of SRO5

二是供電電源部分：中間跨接法有源以太網(wǎng)供電電壓的范圍在44 V～57 V，典型值為48 V，典型的工作電流為10～350 mA。供電部分的電涌保護(hù)器的結(jié)構(gòu)包括：由Rn1、Rn2組成對地雷電波能量釋放電路，其同時(shí)將雷電過電壓的幅值限制在一定的范圍；L1、L2組成的電感退耦電路；Rt、Rn構(gòu)成線間箝位電路，使線間的殘壓限制在設(shè)備端口能夠承受的范圍以內(nèi)。Rt為溫度保險(xiǎn)絲，Rn為氧化鋅（ZnO）壓敏電阻。

2 中間跨接法的有源以太網(wǎng)SPD測試與試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

根據(jù) IEC61643－21：2012《低壓SPD第21部分：電信和信號網(wǎng)絡(luò)電涌保護(hù)器性能要求和試驗(yàn)方法》中的規(guī)定，本試驗(yàn)由試驗(yàn)1和試驗(yàn)2組成，試驗(yàn)原理如圖3所示。試驗(yàn)1采用了8/20 μs雷電波對中間跨接法的有源以太網(wǎng)信號部分的SPD進(jìn)行測試。試驗(yàn)中，氣體放電管的直流放電電壓為230 V，電阻值為 2.2 Ω，SR05的動(dòng)作電壓為 5 V，并使用 TDS 3012型示波器采集存儲SPD兩端的電壓及電流波形。信號部分的試驗(yàn)由三個(gè)部分構(gòu)成：第一部分為氣體放電管沒有動(dòng)作時(shí)線－線間殘壓與通流的測試，第二部分為氣體放電管有動(dòng)作時(shí)線－線間殘壓與通流的測試，第三部分為氣體放電管有動(dòng)作時(shí)線－地殘壓與通流的測試。在第一部分試驗(yàn)中，從0 kV開始，以0.01 kV為步長，對SPD進(jìn)行沖擊，直至SPD中的退耦元件（電阻）或箝位元件（SR05）損壞。在第二部分試驗(yàn)中，從0.6kV開始，以0.2 kV為步長，對SPD進(jìn)行沖擊，直至SPD中的退耦元件（電阻）或箝位元件（SR05）損壞。在第三部分試驗(yàn)中，施加0.5 kV～6 kV，以0.5 kV為步長的沖擊電壓對SPD進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。同時(shí)使用SP30120數(shù)字合成掃頻儀對中間跨接法有源以太網(wǎng)絡(luò)SPD進(jìn)行幅頻特性曲線測量。為了提高SPD防雷有效性，使用退耦元件（電阻阻值為5.1 Ω和8.2 Ω）進(jìn)行上述第一部分及第二部分試驗(yàn)。試驗(yàn)2采用了8/20 μs雷電波對中間跨接法有源以太網(wǎng)電源部分的SPD進(jìn)行測試。使用8/20 μs沖擊電壓發(fā)生器對SPD施0.6 kV～6.0kV，以步長為0.2 kV的沖擊電壓進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。其中壓敏電阻的沖擊電壓為66 V，電感阻值為47 μF，并使用TDS 3012型示波器采集存儲SPD兩端的電壓及電流波形。

圖3 試驗(yàn)原理圖Fig.3 The schematic diagram of the experiment

2.2 試驗(yàn)波形分析

試驗(yàn)過程中，測量線－線間殘壓、通流波形時(shí)，雖然不同阻值退耦元件的SPD響應(yīng)及損害的沖擊電壓不一致（在下面數(shù)據(jù)中將做出詳細(xì)分析），但是它們的殘壓和通流波形變化過程是大致相同的。所以筆者將選用電阻值為2.2 Ω的線－線間殘壓、通流波形來具體分析。

不同沖擊電壓下的線－線間殘壓、通流波形圖如圖4所示。圖4（a）、4（b）分別是沖擊電壓為 0.03 kV、0.6 kV時(shí)的波形圖，圖中曲線A為電壓波形，曲線B為電流波形。圖4（a）中，在0.03 kV的沖擊電壓下，由于沖擊電壓無法使氣體放電管無法動(dòng)作，僅有第二級箝位元件（SR05）動(dòng)作，此時(shí)為SPD的盲區(qū)。由波形可知，在小的沖擊電壓下，箝位元件（SR05）把沖擊電壓箝位到一個(gè)很小的值，圖4（a）中殘壓約為16 V。圖4（b）中，在0.6 kV的沖擊電壓，此時(shí)氣體放電管動(dòng)已經(jīng)動(dòng)作，由波形可知，在氣體放電管組成的第一級保護(hù)電路和由SR05箝位電路作用下，殘壓及通流都限制到一個(gè)較小的值，圖中殘壓約為60 V，通流約為220 A。

圖4 不同沖擊電壓下的線-線間殘壓、通流波形圖Fig.4 Oscillograms of line-line residual voltage and current flow with difference impulse voltage

圖5為SR05響應(yīng)的殘壓、通流波形圖。

圖5 SR05響應(yīng)的殘壓、通流波形圖Fig.5 Performance of SR05 of residual voltage and current flow

試驗(yàn)中，SR05響應(yīng)存在三個(gè)狀態(tài)，分別為正常狀態(tài)（圖5（a））、臨界狀態(tài)（圖5（b））、擊穿狀態(tài)（圖5（c））。圖5（a）的沖擊電壓為 2.0 kV，圖5（b）的為3.6 kV，圖5（c）的為 3.8 kV，圖中曲線A為電壓波形，B為電流波形。由圖5（a）可知，在SR05的正常狀態(tài)下，SR05對沖擊電壓有一個(gè)很好的箝位作用。由圖5（b）可知，隨著沖擊電壓的漸漸增大，SR05慢慢深度飽和，處于臨界狀態(tài)，對沖擊電壓的箝位作用有所下降。由圖5（c）可知，SR05擊穿之后是處于一個(gè)短路狀態(tài)，對沖擊電壓無箝位作用。

圖6為電源部分SPD的試驗(yàn)波形圖，沖擊電壓為0.6 kV，其中圖中曲線A為電壓波形，B為電流波形。圖中殘壓值為約200 V，通流約為355 A。

圖6 電源部分SPD殘壓、通流波形圖Fig.6 Oscillograms of residual voltage and current flow of power supply SPD component

2.3 線-線間殘壓分析

圖7為線-線間殘壓圖，圖7（a）為氣體放電管沒有動(dòng)作時(shí)的殘壓圖，圖7（b）為氣體放電管動(dòng)作時(shí)的殘壓圖。

圖7 線-線間殘壓曲線圖Fig.7 Curves of residual voltage between lines

由圖7（a）可知，由于沖擊電壓較小，氣體放電管沒有發(fā)生動(dòng)作，只有SR05元件發(fā)生動(dòng)作，SPD存在盲區(qū)；在不同阻值的退耦元件下SR05的損壞電壓不同，隨著阻值的增大，SR05所能承受的損壞電壓增大，圖中分別對應(yīng)的損壞電壓為0.13 kV、0.22 kV、0.31 kV；線－線間殘壓隨著沖擊電壓增大而增大，后期慢慢趨于穩(wěn)定。阻值大的退耦元件作用下殘壓的增長率小于阻值小的。由圖（b）可知，氣體放電管及SR05開始動(dòng)作時(shí)，開始時(shí)的殘壓分別箝位到61 V、65 V、70 V附近，相比之下，殘值偏高，是因?yàn)樵谶@一段沖擊電壓作用，氣體放電管處于一個(gè)輝光放電階段，而隨著沖擊電壓增大，氣體放電管將會(huì)進(jìn)入弧光放電階段，線－線間殘壓箝位到一個(gè)更低的值，基本上在40 V的附近，圖中開始弧光放電的沖擊電壓分別為2.0 kV、1.8 kV、1.8 kV；其后隨著沖擊電壓的增大，線－線間殘壓隨著沖擊電壓的增大有略增的趨勢，但基本上趨于穩(wěn)定；SR05的損壞電壓分別3.6 kV、4.2 kV、5.4 kV。在表1中也可以得出此規(guī)律，其中表1為信號部分SPD響應(yīng)過程的沖擊電壓。

表1 信號部分SPD響應(yīng)過程的沖擊電壓TabLE 1 Impulse voltage with the performance of signal SPD

2.4 線-線間通流分析

圖8為線－線間通流圖，圖8（a）為氣體放電管沒有動(dòng)作時(shí)的通流圖，圖8（b）為氣體放電管動(dòng)作時(shí)的通流圖。由圖8（a）可知，線－線通流隨著沖擊電壓的增大而增大，且阻值大的退耦元件下通流的增長率小于阻值小的；同一沖擊電壓下，阻值小的退耦元件作用下通流大于阻值大作用下的。由圖8（b）可知，通流增大規(guī)律與圖8（a）大致相似，阻值大的退耦元件作用下，通流增加趨勢很緩慢。

圖8 線－線間通流曲線圖Fig.8 Curves of line－line current flow

2.5 線-地間殘壓與通流分析

圖9為線－地殘壓與通流圖。由圖9可知，線－地殘壓與通流隨著沖擊電壓的增大而增大。

圖9 線－地間殘壓、通流曲線圖Fig.9 Curves of line－ground residual voltage and current flow

2.6 插入損耗分析

圖10為不同阻值下中間跨接法有源以太網(wǎng)絡(luò)SPD的幅頻特性圖。圖中掃頻范圍為20 Hz～120 MHz。圖10（a）、圖10（b）、圖10（c）退耦元件阻值為分別2.2 Ω、5.1 Ω、8.2 Ω 的有源以太網(wǎng) SPD 的插入損耗曲線，插入損耗下降到－3dB時(shí)分別所對應(yīng)的頻率為114 MHz、97 MHz、83 MHz。得出了增大退耦電阻使信號的衰減更快。

2.7 電源SPD殘壓與通流分析

圖11為部分中間跨接法有源以太網(wǎng)絡(luò)殘壓與通流圖，由圖11可知，殘壓隨著沖擊電壓的增大而增大，開始沖擊時(shí)，通流的遞增趨勢很快，但隨著沖擊電壓的不斷增大，通流遞增趨勢慢慢變平緩。

圖10 幅頻特性圖Fig.10 Oscillograms of amplitude－frequency characteristics

圖11 殘壓與通流圖Fig.11 Oscillograms of residual voltage and current flow

3 結(jié)論

通過對中間跨接法有源以太網(wǎng)絡(luò)SPD的試驗(yàn)及分析，得出以下結(jié)論：

1）在中間跨接法有源以太網(wǎng)絡(luò)信號部分SPD的測試中，隨著沖擊電壓的增大，信號部分SPD：開始時(shí)線－線間殘壓呈遞增的趨勢，然后急劇下降，最后穩(wěn)定在40V左右，通流是隨著沖擊電壓的增大不斷增大的，線－地殘壓與通流隨著沖擊電壓的增大而增大；電源部分SPD：隨著沖擊電壓的增大，通流是不斷增大的，殘壓開始不斷增大，最終會(huì)穩(wěn)定在某一值附近。

2）信號SPD在小的沖擊電壓（約500V以下）沖擊下，箝位元件SR05動(dòng)作而氣體放電管沒有動(dòng)作，信號SPD存在盲區(qū)。

3）增大信號SPD中退耦電阻的阻值，可以提高箝位元件SR05的損壞電壓和減小通流。但卻犧牲了網(wǎng)絡(luò)的插入損耗。

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Design Method of Mid-Span Active Ethernet Surge Protection Device

LI Xiangchao，CAI Lujin，YANG You
（Key Laboratory for Aerosol－Cloud－Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China）

For the issue of network signal interruption and terminal device damage，which result from the Mid－Span Active Ethernet being struck by lightning，the characteristic of Mid－Span Active Ethernet transmission parameters and the design theory of signal surge protection device（SPD）are analyzed，and then，the Mid－Span Active Ethernet SPD is designed.According to IEC61643－21：2012（Low voltage surge protective devices－－ Part 21：Performance requirements and testing methods of telecommunications and signaling networks SPD），the paper does the test about the performance of Mid－Span Active Ethernet.The results of power signal SPD component are as follows：at first line－line residual voltage increases with the increase of impulse damped voltage and then decreases and stabilizes at 40 V；the current flow grows with the increase of impulse damped voltage；at the beginning of the impact process，there is blind zone；lineground residual voltage and current flow increase with the increase of impulse damped voltage.Line－line residual voltage and current flow decrease while the refund coupling resistance increases under the same impulse damped voltage，increasing the resistance values of the Refund coupling components can improve the damage voltage of clamping components SR05 and decrease current flow，however，it sacrifices the insertion loss of the network.The results of power supply SPD component are as follows：residual voltage increases with the increase of impulse damped voltage and then stabilizes at a certain value；the current flow grows with the increase of impulse damped voltage.The paper proposes Mid－Span Active Ethernet SPD design idea which has significance in lightning protection.

Mid－Span Active Ethernet；SPD；current flow；residual voltage；insertion loss；design method

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.004

2016－04－02

李祥超（1969—），男，副教授，主要從事電涌保護(hù)器研發(fā)與測試。

973國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（編號：2014CB441405）；大學(xué)生省級指導(dǎo)項(xiàng)目（編號：201510300085）。