MDF 總配線架保安單元過流過壓保護(hù)方案比較

盛燦英SHENG Can-ying

（萬馬科技股份有限公司，杭州 311300）

0 引言

通信領(lǐng)域安裝在配線架上的保安單元，肩負(fù)著保護(hù)通信設(shè)備免遭過電壓、過電流損壞的重任。保安單元是插在總配線架（MDF）保安接線排上的為防止人身和設(shè)備受過電壓、過電流傷害的裝置。所謂過電壓、過電流，是指出現(xiàn)在設(shè)備上的超過設(shè)備本身正常工作電壓和電流的外來電壓和電流。保安單元是隨著過電壓、過電流防護(hù)器件的進(jìn)步而發(fā)展的。目前，按器件及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要為：氣體放電管加PTC、半導(dǎo)體放電管加PTC、IC 電子集成型等類型的保安單元。

總配線架是局用交換機(jī)與局外外線的交接設(shè)備，起著內(nèi)外線的交接，保護(hù)局內(nèi)設(shè)備和人身安全以及維護(hù)測試和查找障礙的作用。YD/T694-2004《總配線架》中規(guī)定過電壓和過電流來源為：外線上或外線附近雷擊造成的電涌；外線附近的電力線或電力裝置和其電氣系統(tǒng)發(fā)生故障時，在外線上感應(yīng)出的短時交流電壓；外線與220V 電力線直接相碰。

保安單元是插在總配線架（MDF）保安接線排上的為防止人身和設(shè)備受過電壓、過電流傷害的裝置。在過電壓、過電流情況下，限壓和限流功能可以保證人身和設(shè)備安全，告警系統(tǒng)功能可使維護(hù)人員及時維護(hù)，發(fā)現(xiàn)線路出現(xiàn)過流、強(qiáng)壓的現(xiàn)象。

限流型保安單元是一種傳統(tǒng)的保安形式，其主要構(gòu)成是氣體放電管加PTC。外線過電壓時，氣體放電管放電，將外線上的電流引導(dǎo)入地，如果持續(xù)時間較長，放電管持續(xù)放電發(fā)出的熱量可使熱熔塊熔化而輸出告警信號；當(dāng)線路遭受過電流侵襲時，PTC 阻值迅速上升，使線路近似于開路狀態(tài)，過電流現(xiàn)象得到控制，如過電流快消失，PTC 自動恢復(fù)，如果持續(xù)時間較長，PTC 發(fā)出的熱量可使熱熔塊熔化而輸出告警信號。

分流型主要以IC 監(jiān)控為原理的保安形式，其主要構(gòu)成是監(jiān)控過壓、過流的IC 加感知電阻。當(dāng)線路遭受過電壓、過電流時，感知電阻兩端電壓降會使IC 以納秒級的速度關(guān)閉SW1~4，進(jìn)入短路保護(hù)狀態(tài)，將外線上的電流通過IC 旁路掉。如果持續(xù)時間較長，IC 產(chǎn)生的熱量可使溫度敏感材料動作而輸出告警信號。由于IC 承受大電流能力差的緣故，需要在線路前段串聯(lián)熔斷器（或者PTC）以應(yīng)對大電流事件。

1 關(guān)于限流和分流型的實(shí)驗(yàn)分析情況

選用同一廠家生產(chǎn)的分流型保安單元（單元A）和限流型保安單元（單元B），依照YD/T694-2004《總配線架》要求進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：

1.1 常溫電阻（YD/T 694-2004 測試5.4.8）

①a 與a′間的電阻（Raa′）不應(yīng)超過22 歐姆；

②b 與b′間的電阻（Rbb′）不應(yīng)超過22 歐姆；

③Raa′與Rbb′間的電阻差異不應(yīng)超過2 歐姆。

連接方法詳見圖1。

圖1 保安單元端口

常溫電阻測試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳見表1。

表1 常溫電阻實(shí)驗(yàn)結(jié)果

此項實(shí)驗(yàn)表明IC 控制的分流型保安單元，其室溫線路電阻及差異要小于傳統(tǒng)的限流型保安單元。

1.2 不動作電流（根據(jù)YD/T 694-2004 測試5.4.9 的測試要求），測試電路詳見圖2

圖2 不動作電流試驗(yàn)電路圖

①測試條件：90 毫安，40°C，一小時不動作；

②最終電壓值與初始電壓值之差不超過50%；

③電流計示值不應(yīng)超過1 毫安。

不動作電流測試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳見表2。

表2 不動作電流試驗(yàn)結(jié)果

由于分流型保安單元室溫線路電阻小于限流型保安單元，因此其線路分壓值要小于限流型保安單元。從電壓、電流差異的實(shí)驗(yàn)要求方面來看，兩種保安單元特性相差不大。

1.3 雷擊試驗(yàn)（YD/T 694-2004 測試5.4.7.1.1），測試電路詳見圖3

圖3 模擬雷擊試驗(yàn)（a 對E 和b 對E）電路圖

①雷擊試驗(yàn)測試條件：脈沖電壓Uc（max）=4kV；

②開路電壓波形10/700us；

③沖擊次數(shù)為10 次，每次間隔60 秒；

④試驗(yàn)后，保安單元應(yīng)當(dāng)正常工作。

模擬雷擊試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：單元A 和B 均滿足試驗(yàn)要求。

1.4 電力線感應(yīng)試驗(yàn)（YD/T 694-2004 測試5.4.7.1.2），測試電路詳見圖4。

圖4 電力線感應(yīng)試驗(yàn)圖

①試驗(yàn)電壓Ua.c r.m.s=600V ，頻率50Hz；

②電阻R=600ohms；

③持續(xù)時間：1 秒；

④試驗(yàn)次數(shù)為5 次，每次間隔60 秒；

⑤試驗(yàn)后，保安單元應(yīng)當(dāng)正常工作；

⑥實(shí)驗(yàn)中，保安單元不應(yīng)告警。

電力線感應(yīng)試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：單元A 和B 均滿足試驗(yàn)要求。

1.5 電力線碰觸試驗(yàn)（YD/T 694-2004 測試5.4.7.1.3），測試電路詳見圖5。

圖5 電力線碰觸試驗(yàn)電路圖

①試驗(yàn)電壓Ua.c r.m.s=220V，頻率50Hz，其中K 置于1-1＇時Ua.c r.m.s=187V；

②持續(xù)時間：1 小時；

③試驗(yàn)次數(shù)：K 每位置一次；

④實(shí)驗(yàn)中，保安單元不應(yīng)著火并且在3 分鐘內(nèi)告警。

由于設(shè)備所限，僅進(jìn)行了600Ohm 及10Ohm 碰觸實(shí)驗(yàn)。

電力線碰觸試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳見表3。

表3 電力線碰觸試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)進(jìn)行10 歐姆碰觸實(shí)驗(yàn)時（開關(guān)K 置于4-4’），單元A 被損壞。開關(guān)閉合時，可見來自單元內(nèi)的火花；實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)PCB 上走線燒斷。盡管單元A 起到保護(hù)作用，但未能告警。

此項實(shí)驗(yàn)表明IC 控制的分流型保安單元由于內(nèi)在局限，必須在線路前段串聯(lián)熔斷器，由于熔斷器在遭受大電流碰觸時為保證IC 不被損壞而快速熔斷來切斷電路，使得IC 來不及發(fā)熱觸動LED 告警系統(tǒng)。如果采用計算機(jī)/智能系統(tǒng)報警配合分流型保安單元，則可以解決此項問題。但由此帶來的系統(tǒng)花費(fèi)以及同體積PCB 走線復(fù)雜度都將是不經(jīng)濟(jì)的。綜合考慮，由于此內(nèi)在局限，使得基于IC 的分流型保安單元告警系統(tǒng)難以設(shè)計。

1.6 限流特性（YD/T 694-2004 測試5.4.10）

在25℃下測試要求詳見表4。

表4 測試要求

對于不同類型的保安單元采用不同的測試電路（詳見圖6 與圖7）。

圖6 單元A（分流型）測試電路

圖7 單元B（限流型）測試電路

限流特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：串聯(lián)在負(fù)載端的安培計測得保護(hù)時的漏電流，示波器記錄保護(hù)時間。（詳見表5）

表5 限流特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)示波器記錄的限流波形觀察此項實(shí)驗(yàn)表明IC 控制的分流型保安單元保護(hù)動作時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于限流型保安單元。但分流型保安單元保護(hù)動作后，依然有大量周期性的峰值脈沖應(yīng)力加載在負(fù)載上。而限流型保安單元在保護(hù)動作后只有小量漏電流，對負(fù)載影響最小。

2 結(jié)果討論

IC 具有動作時間快，動作電流準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，其品質(zhì)良好，本身沒有問題。保安單元廠家的產(chǎn)品、設(shè)計能力等等也沒有問題，這在限流型單元的實(shí)驗(yàn)中看得很清楚。但是，一旦IC 被用在單元中就會出現(xiàn)如上所述的問題。因此，人們不斷地提出疑問，IC 作為保護(hù)芯片用在MDF 總配線架中是否合適？至于分流型保安單元一定優(yōu)于限流型保安單元的說法，更可能是一個很大的誤解！具體結(jié)論如下：

①分流型保安單元由于無法啟動告警系統(tǒng)，不能通過大電流的電力線碰觸試驗(yàn)。

②從電力線碰觸試驗(yàn)中我們可以知道，由于IC 方式的分流型保安單元難以承受大電流，很難設(shè)計基于IC 保護(hù)的大電流告警電路。

③假如接地不良，分流型保安單元的保護(hù)效用將完全實(shí)效，又由于無法告警及時排除危害，將導(dǎo)致保安單元負(fù)載被損壞，嚴(yán)重時將導(dǎo)致災(zāi)難性后果。另一方面，在接地不良的情況下，限流型的保安單元卻能夠長時間保持在保護(hù)狀態(tài)，大大減小接地不良所帶來的影響。

④從限流特性試驗(yàn)的波形中可以得知，即使在保護(hù)狀態(tài)下，IC 方式的分流型保安單元依然會使負(fù)載端承受持續(xù)的脈沖峰尖應(yīng)力。

盡管該IC 功能強(qiáng)大、品質(zhì)可靠，動作響應(yīng)時間快速。但由于其內(nèi)在的固有缺陷以及保護(hù)機(jī)理限制，綜合整體保護(hù)效果，傳統(tǒng)的放電管加PTC 限流型保安單元，其設(shè)計性能及安全可靠性都優(yōu)于基于IC 的分流型保安單元。