中间跨接法有源以太网电涌保护器的设计方法

李祥超，蔡露进，杨悠

（南京信息工程大学 中国气象局气溶胶－云－降水重点开放实验室，南京210044）

中间跨接法有源以太网电涌保护器的设计方法

李祥超，蔡露进，杨悠

（南京信息工程大学 中国气象局气溶胶－云－降水重点开放实验室，南京210044）

针对中间跨接法有源以太网络遭受雷击事故导致网络信号中断或终端设备损坏的问题，通过对中间跨接法有源以太网络传输参数及网络信号类电涌保护器（surge protection device，SPD）设计理论的分析，设计了中间跨接法有源以太网络SPD。依据IEC61643－21：2012《低压电涌保护器第21部分：电信和信号网络SPD性能要求和试验方法》中的规定，对中间跨接法有源以太网络SPD的电路进行了试验。得出以下结论，信号SPD部分：随着冲击电压的增大，开始时线间残压呈递增的趋势，之后急剧下降，最后稳定在40 V左右，通流不断增大，但在开始冲击时，信号部分的SPD存在盲区；线－地残压与通流随着冲击电压增大而增大。同一冲击电压下，线间残压与通流随着退耦电阻的增大而减小，增大退耦元件的阻值可以提高箝位元件SR05的损坏电压并减小通流，但却牺牲了网络的插入损耗。电源SPD部分：随着冲击电压的增大，残压开始时不断增大，最终稳定在某一值附近；通流随着冲击电压的增大不断增大。提出了中间跨接法有源以太网电涌保护器的设计思路，在防雷中有一定参考价值意义。

中间跨接法有源以太网，SPD，通流，残压，插入损耗，设计方法

0 引言

结合了以太网和IP技术的有源以太网技术作为一种实现FTTP（Fiber To The Premises）的新技术越来越引起人们的关注。它相对于无源光网技术，具有传输距离更长，带宽更宽，组网更灵活等特点，而且可成为FTTP技术的新宠[1－2]。其中有源以太网络已发展成为常用的网络通信之一[3－6]。然而根据气象部门对雷击事故调查统计表明：通信线缆每年因雷电过电压所导致的损坏事故不计其数，事故将引起信号的中断或交换机I/O设备接口的损坏，造成巨大的经济损失。

目前国内外学者对网络通信的SPD做了相当充分的研究[7－10]。李祥超等人在《智能型1000 M 网络SPD的研制》文中提出了多级保护的设计方法，利用通流容量大且分布电容小的防雷器件，设计了智能型千兆网络信号SPD。并且对1000 M网络信号SPD进行试验测试，得出具有通流容量大、信号衰减小的结论[11]。翁若方等人在《通信系统浪涌保护器的性能试验及评价分析》文中提出在信号防雷产品的设计和生产中产品自身的安全性和可靠性和防雷的有效性往往是矛盾的，在设计时要根据实际情况考虑取两者的折衷点，才能真正保证信号设备运行安全[12]。到目前为止，众多学者对部分网络端口SPD的设计方法做充分性的研究，但对中间跨接法有源以太网SPD设计方法的研究甚少。

基于此，作者根据中间跨接法有源以太网的结构及传输特性参数的特点，采用多级防护的设计方法，设计了中间跨接法有源以太网SPD。对中间跨接法信号部分有源以太网络SPD进行测试，网络信号部分：将雷电冲击电压与线－线间及线－地间的残压及通流的关系进行了分析；电源部分：将冲击电压与残压及通流关系进行分析。并对安装了信号SPD部分的插入损耗进行了测量及分析。同时，改变了退耦元件的阻值进行试验与分析。得出具有一定价值的结论，为中间跨接法有源以太网SPD的设计提供了思路。

1 中间跨接法有源网络SPD电路分析

中间跨接法有源以太网指的是在现有的以太Cat.5布线基础框架不做任何改动的情况下，在为一些基于IP的终端传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术。标准的五类网线有四对双绞线，但是在10M BASE－T和100M BASE－T中只用到其中的两对，IEEE802.3af允许两种用法，其中应用空闲脚供电时，4、5脚连接为正，7、8脚连接为负，这种方法称为中间跨接法。

根据依据 IEC61643－21：2012《低压电涌保护器第21部分：电信和信号网络SPD性能要求和试验方法》中的要求，以及依据中间跨接法有源以太网的供电和通信方式，设计一种中间跨接法有源以太网络电涌保护器，能够有效地释放雷电波的能量和抑制雷电过电压，能够起到较好的防雷效果，保证中间跨接法有源以太网络的正常运行。

有源以太网络电涌保护器的组成有三部分：一是第一级保护电路，主要作用是用来释放雷电波能量；二是退耦元件，根据电路信号的特点，选用电阻或电感；三是线间箝位，用来抑制线间的雷电差模过电压，其工作过程是：当雷电波沿着线缆传输经过第一级保护电路时，雷电流的主要能量对地释放，雷电过电压的幅值相对减小，雷电波残余的能量通过退耦元件，退耦元件起到缓冲隔离的作用，部分雷电波能量被吸收，经过退耦元件的残余雷电波再加到线间箝位电路，将线间的雷电过电压限制在一定的幅值范围。

图1 中间跨接法有源以太网电涌保护器原理图Fig.1 The schematic diagram of mid－span active ethernet SPD

有源以太网中间跨接法SPD的结构如图1所示，有两个部分组成：一是网络信号防护部分。RJ45是接口，1、2端及3、6端为网络信号端口，网络信号防护部分电涌保护器的结构由GDT1、GDT2为两个三极气体放电管组成雷电波能量对地释放电路；R1、R2、R3、R4组成的退耦电路；及 T1、T2组成的线间箝位电路组成。其工作过程是：当雷电波从输入端进入电涌保护器，GDT1、GDT2首先将雷电波的能量对大地进行释放，并将雷电过电压的值限制在一定的幅值范围，残余的能量经退耦电阻 R1、R2、R3、R4加到线间箝位器件T1、T2上，将线间电压限制在网络设备端口能够承受的电压范围。

其中箝位器件为SR05，SR05的内部电路结构如图2所示。SR05是由1个TVS（D5）和四个普通二极管（D1D2D3D4）构成的桥电路，电路中利用整流桥电路来减小TVS的分布电容值。SRO5的分布电容值约为8 pF，对网络信号传输的影响很小。

图2 SR05的原理图Fig.2 The schematic diagram of SRO5

二是供电电源部分：中间跨接法有源以太网供电电压的范围在44 V～57 V，典型值为48 V，典型的工作电流为10～350 mA。供电部分的电涌保护器的结构包括：由Rn1、Rn2组成对地雷电波能量释放电路，其同时将雷电过电压的幅值限制在一定的范围；L1、L2组成的电感退耦电路；Rt、Rn构成线间箝位电路，使线间的残压限制在设备端口能够承受的范围以内。Rt为温度保险丝，Rn为氧化锌（ZnO）压敏电阻。

2 中间跨接法的有源以太网SPD测试与试验分析

2.1 试验模型

根据 IEC61643－21：2012《低压SPD第21部分：电信和信号网络电涌保护器性能要求和试验方法》中的规定，本试验由试验1和试验2组成，试验原理如图3所示。试验1采用了8/20 μs雷电波对中间跨接法的有源以太网信号部分的SPD进行测试。试验中，气体放电管的直流放电电压为230 V，电阻值为 2.2 Ω，SR05的动作电压为 5 V，并使用 TDS 3012型示波器采集存储SPD两端的电压及电流波形。信号部分的试验由三个部分构成：第一部分为气体放电管没有动作时线－线间残压与通流的测试，第二部分为气体放电管有动作时线－线间残压与通流的测试，第三部分为气体放电管有动作时线－地残压与通流的测试。在第一部分试验中，从0 kV开始，以0.01 kV为步长，对SPD进行冲击，直至SPD中的退耦元件（电阻）或箝位元件（SR05）损坏。在第二部分试验中，从0.6kV开始，以0.2 kV为步长，对SPD进行冲击，直至SPD中的退耦元件（电阻）或箝位元件（SR05）损坏。在第三部分试验中，施加0.5 kV～6 kV，以0.5 kV为步长的冲击电压对SPD进行冲击试验。同时使用SP30120数字合成扫频仪对中间跨接法有源以太网络SPD进行幅频特性曲线测量。为了提高SPD防雷有效性，使用退耦元件（电阻阻值为5.1 Ω和8.2 Ω）进行上述第一部分及第二部分试验。试验2采用了8/20 μs雷电波对中间跨接法有源以太网电源部分的SPD进行测试。使用8/20 μs冲击电压发生器对SPD施0.6 kV～6.0kV，以步长为0.2 kV的冲击电压进行冲击试验。其中压敏电阻的冲击电压为66 V，电感阻值为47 μF，并使用TDS 3012型示波器采集存储SPD两端的电压及电流波形。

图3 试验原理图Fig.3 The schematic diagram of the experiment

2.2 试验波形分析

试验过程中，测量线－线间残压、通流波形时，虽然不同阻值退耦元件的SPD响应及损害的冲击电压不一致（在下面数据中将做出详细分析），但是它们的残压和通流波形变化过程是大致相同的。所以笔者将选用电阻值为2.2 Ω的线－线间残压、通流波形来具体分析。

不同冲击电压下的线－线间残压、通流波形图如图4所示。图4（a）、4（b）分别是冲击电压为 0.03 kV、0.6 kV时的波形图，图中曲线A为电压波形，曲线B为电流波形。图4（a）中，在0.03 kV的冲击电压下，由于冲击电压无法使气体放电管无法动作，仅有第二级箝位元件（SR05）动作，此时为SPD的盲区。由波形可知，在小的冲击电压下，箝位元件（SR05）把冲击电压箝位到一个很小的值，图4（a）中残压约为16 V。图4（b）中，在0.6 kV的冲击电压，此时气体放电管动已经动作，由波形可知，在气体放电管组成的第一级保护电路和由SR05箝位电路作用下，残压及通流都限制到一个较小的值，图中残压约为60 V，通流约为220 A。

图4 不同冲击电压下的线-线间残压、通流波形图Fig.4 Oscillograms of line-line residual voltage and current flow with difference impulse voltage

图5为SR05响应的残压、通流波形图。

图5 SR05响应的残压、通流波形图Fig.5 Performance of SR05 of residual voltage and current flow

试验中，SR05响应存在三个状态，分别为正常状态（图5（a））、临界状态（图5（b））、击穿状态（图5（c））。图5（a）的冲击电压为 2.0 kV，图5（b）的为3.6 kV，图5（c）的为 3.8 kV，图中曲线A为电压波形，B为电流波形。由图5（a）可知，在SR05的正常状态下，SR05对冲击电压有一个很好的箝位作用。由图5（b）可知，随着冲击电压的渐渐增大，SR05慢慢深度饱和，处于临界状态，对冲击电压的箝位作用有所下降。由图5（c）可知，SR05击穿之后是处于一个短路状态，对冲击电压无箝位作用。

图6为电源部分SPD的试验波形图，冲击电压为0.6 kV，其中图中曲线A为电压波形，B为电流波形。图中残压值为约200 V，通流约为355 A。

图6 电源部分SPD残压、通流波形图Fig.6 Oscillograms of residual voltage and current flow of power supply SPD component

2.3 线-线间残压分析

图7为线-线间残压图，图7（a）为气体放电管没有动作时的残压图，图7（b）为气体放电管动作时的残压图。

图7 线-线间残压曲线图Fig.7 Curves of residual voltage between lines

由图7（a）可知，由于冲击电压较小，气体放电管没有发生动作，只有SR05元件发生动作，SPD存在盲区；在不同阻值的退耦元件下SR05的损坏电压不同，随着阻值的增大，SR05所能承受的损坏电压增大，图中分别对应的损坏电压为0.13 kV、0.22 kV、0.31 kV；线－线间残压随着冲击电压增大而增大，后期慢慢趋于稳定。阻值大的退耦元件作用下残压的增长率小于阻值小的。由图（b）可知，气体放电管及SR05开始动作时，开始时的残压分别箝位到61 V、65 V、70 V附近，相比之下，残值偏高，是因为在这一段冲击电压作用，气体放电管处于一个辉光放电阶段，而随着冲击电压增大，气体放电管将会进入弧光放电阶段，线－线间残压箝位到一个更低的值，基本上在40 V的附近，图中开始弧光放电的冲击电压分别为2.0 kV、1.8 kV、1.8 kV；其后随着冲击电压的增大，线－线间残压随着冲击电压的增大有略增的趋势，但基本上趋于稳定；SR05的损坏电压分别3.6 kV、4.2 kV、5.4 kV。在表1中也可以得出此规律，其中表1为信号部分SPD响应过程的冲击电压。

表1 信号部分SPD响应过程的冲击电压TabLE 1 Impulse voltage with the performance of signal SPD

2.4 线-线间通流分析

图8为线－线间通流图，图8（a）为气体放电管没有动作时的通流图，图8（b）为气体放电管动作时的通流图。由图8（a）可知，线－线通流随着冲击电压的增大而增大，且阻值大的退耦元件下通流的增长率小于阻值小的；同一冲击电压下，阻值小的退耦元件作用下通流大于阻值大作用下的。由图8（b）可知，通流增大规律与图8（a）大致相似，阻值大的退耦元件作用下，通流增加趋势很缓慢。

图8 线－线间通流曲线图Fig.8 Curves of line－line current flow

2.5 线-地间残压与通流分析

图9为线－地残压与通流图。由图9可知，线－地残压与通流随着冲击电压的增大而增大。

图9 线－地间残压、通流曲线图Fig.9 Curves of line－ground residual voltage and current flow

2.6 插入损耗分析

图10为不同阻值下中间跨接法有源以太网络SPD的幅频特性图。图中扫频范围为20 Hz～120 MHz。图10（a）、图10（b）、图10（c）退耦元件阻值为分别2.2 Ω、5.1 Ω、8.2 Ω 的有源以太网 SPD 的插入损耗曲线，插入损耗下降到－3dB时分别所对应的频率为114 MHz、97 MHz、83 MHz。得出了增大退耦电阻使信号的衰减更快。

2.7 电源SPD残压与通流分析

图11为部分中间跨接法有源以太网络残压与通流图，由图11可知，残压随着冲击电压的增大而增大，开始冲击时，通流的递增趋势很快，但随着冲击电压的不断增大，通流递增趋势慢慢变平缓。

图10 幅频特性图Fig.10 Oscillograms of amplitude－frequency characteristics

图11 残压与通流图Fig.11 Oscillograms of residual voltage and current flow

3 结论

通过对中间跨接法有源以太网络SPD的试验及分析，得出以下结论：

1）在中间跨接法有源以太网络信号部分SPD的测试中，随着冲击电压的增大，信号部分SPD：开始时线－线间残压呈递增的趋势，然后急剧下降，最后稳定在40V左右，通流是随着冲击电压的增大不断增大的，线－地残压与通流随着冲击电压的增大而增大；电源部分SPD：随着冲击电压的增大，通流是不断增大的，残压开始不断增大，最终会稳定在某一值附近。

2）信号SPD在小的冲击电压（约500V以下）冲击下，箝位元件SR05动作而气体放电管没有动作，信号SPD存在盲区。

3）增大信号SPD中退耦电阻的阻值，可以提高箝位元件SR05的损坏电压和减小通流。但却牺牲了网络的插入损耗。

[1]彭晶，刘伟平，陈舜儿，等.FTTP技术的新宠——中间跨接法的有源以太网[J].光纤与电缆及其应用技术，2005（3）：23－27.PENG Jing，LIU Weiping，CHENG SHuner，et al.A New FTTP Technology－Active Ethernet[J].Optical Fiber&Electric Cable.2005（3）：23－27.

[2]李祥超，赵学余，姜长棱，等.电涌保护器的性能与测试试验方法研究[M].北京：气象出版社，2010：123－126.

[3]周文俊.常用通信接口芯片过电压耐受能力[J].高电压技术，2001（5 ）：41－43.ZHOU Wenjun.Over－voltage withstand test of communication interface chips[J].High Voltage Engineering，2001（5）：41－43.

[4]李祥超，周中山，张鹏.防雷装置试验理论与实践[M].西安：西安交通大学出版社，2015.

[5]周中山，张云峰，陈璞阳，等.多级电涌保护器对负载有效性试验分析[J].电瓷避雷器，2014，04：49－54.ZHOU Zhongshan，ZHANG Yunfeng，CHEN Puyang，et al.Experiment Analysis on the Effectiveness of Multi－Level SPDs to Load[J].Insulators and Surge Arresters，2014（4）：49－54.

[6]赵洋，行鸿彦，刘非凡.多级SPD之间以及SPD与设备之间的配合实验[J].电瓷避雷器，2014（5）：87－93.ZHAO Yang，XING Hongyan，LIU Feifan.Coordination-Tests between SPDs and between SPD and Equip[J].Insulators and Surge Arresters，2014（5）：87－93.

[7]孙自胜，谭涌波，冯民学.串行通信中RS422接口浪涌保护器的设计与研究[J].电瓷避雷器，2013，03：36－41 SUN Zi－sheng1，TAN Yong－bo1，FENG Min－xue1，Research and Design of Surge Protective Device for Serial communicationRS422 Date Interface[J]，Insulators and Surge Arresters，2013（3）：36－41

[8]杜志航，杨仲江，李祥超，等.RJ45接口浪涌保护器的设计[J].安全与电磁兼容，2009（1）：48－51.DU Zhihang，YANG Zhongjiang，LI Xiangchao，et al.The design on signal SPD for RJ45 interface[J].Emi Suppression Technology，2009（1）：48－51.

[9]庞华基，盛立芳，傅刚.电涌保护器之间退藕线圈的选用[J].电瓷避雷器，2012（2）：90－94.PANG Huaji，SHENG Lifang，FU Gang.Select of decoupling coil between SPDs[J].Insulators and Surge Arresters，2012（2）：90－94.

[10]杨方明，卢文浩，杨永明.测量带宽对电信和信号网络的SPD冲击限制电压测量的影响分析[J].电瓷避雷器，2015（5）：96－99.YANG Fangming，LU Wenhao1，YANG Yongming，Analysis on Influence of Bandwidth on Impulse Limiting Voltage Measurement of SPD in Telecommunications and Signaling Networks[J].Insulators and Surge Arresters，2015（5）：96－99.

[11]李祥超，王成芳，周中山，等.智能型1000M网络SPD的研制[J].电瓷避雷器，2015（1）：99－105.LI Xiangchao，WANG Chengfang，ZHOU Zhongshan，el al.Development of Intelligent Gigabit Network Signal Surge Protection Device[J]，Insulators and Surge Arresters，2015（1）：99－105.

[12]翁若方，唐瑞佳.通信系统浪涌保护器的性能试验及评价分析[J].电力与能源，2013（6）：602－605.WENG Ruofang，TANG Ruijia，Performance Test and E-valuation of Surge Protective Devices for Communication Systems[J]，Power&Energy，2013（6）：602－605.

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，主要从事电涌保护器研发与测试。

973国家重点基础研究计划（编号：2014CB441405）；大学生省级指导项目（编号：201510300085）。