可复位的电信网络电路保护(图)
电信系统失效造成的成本上升、偏僻地区自动化设备使用的增加以及用户对高质量维护的期待,所有这些都使得电话线路的损失不能令人接受。因而,许多电信设备的生产商推出了可复位的保护器件,比如聚合正温度系数(PPTC)的过流保护器件,以及有折回技术的过压器件,例如晶闸管等,来增强设备的安全性和可靠性。
电气过载
直接或间接的闪电冲击,或者埋置地下的电缆中的地电流就是最常见的过载源。对于交流电力系统来说,共用一极或者共用电缆沟和接地棒也可能在端部和环形导体内引起电流。当电力系统中出现故障时,这些电流会变得非常大。
在电信电路上会出现三种电力系统引起的过载:
>> 当电源线与电话线相连,同时通过电话电缆驱动大电流时出现的电源交扰。
>> 当邻近的电源线携带强大电流时,由于故障或瞬态转换过程而发生的电源感应。
>> 当由于电源故障或者闪电对地的冲击,导致在故障点和基本接地点之间产生显著的电位差,从而引起大电流时,产生接地电位的上升。
图1:这个用户环路总局终端的简化模型表明了电路保护组件是怎样构成的
保护方法
按惯例,线路保护网络常被分割成初级和次级两部分。初级保护装置具有比次级保护装置更大的能量控制能力,但初级保护组件的触发门限通常不如次级保护组件精确。图1举例说明了一个由电子接口驱动的传统总局(CO)用户环路的简化模型,图中表明了各种保护组件的配置情况。
初级保护,即保护过载的第一级,一般归属于总局设备的主配线板(MDF),且位于建筑物的入口。初级保护是用来把超过粗略确定的门限以上的所有过载都从被保护的设备转移开,而进入可靠的大地。
次级保护对绕过初级保护的残留电压和电流起作用,在需要保护的设备上安排次级保护装置通常是设备生产商的责任。
次级保护一般既包括过压装置又包括限流装置。过压保护对防止浪涌事故和设备的损坏是很必要的,限流装置既能防止线路损坏又能防止过压装置损坏,并且由于通常次级保护装置的工作门限低于初级保护装置,所以要协调初级和次级过压装置的动作。
保护器件
保护器件一般分为电流限制或电压限制两种。电流限制器件保护设备免受交流电源感应和电源故障的影响,因为在这类故障持续期间,焦耳热可能导致着火危险或者损坏热敏元件。电压限制器件可以防止元件或系统绝缘的介电击穿,因为介电击穿可能引起大电流、燃弧以及其他潜在的事故。
电流限制可以通过使用电阻、保险丝或PPTC器件来实现。在电信应用领域电阻很少采用,因为在故障环境持续期间,需要能经受得住功耗的昂贵的大功率电阻。
可以使用特殊设计的保险丝,它们除了要对障碍跳闸敏感外,还必须要在故障过程之后被替换。此外,耐放电的保险丝通常比PPTC器件具有更大的维持电流,因此允许通过更高等级的故障电流。
优选的解决办法是用有源器件,比如像PPTC器件,它在正常工作时具有较低的电阻,而在故障状态下具有较高的电阻。这类器件是自复位的,在电路脱离供电并且故障清除后,它们能恢复到正常工作状态。
过压保护器件包括金属氧化物压敏电阻(MOVs)、瞬变电压抑制(TVS)二极管以及晶闸管。径向引线的MOVs及其表面安装型(有时称为多层型,即MLVs)是电压箝位器件,往往是成本最低的选择方案。然而对于数据流量很高的电路来说它们是不适用的,因为它们的电容相对较大。
TVS二极管也是一种箝位器件,并且通常具有比MOVs更低的电容,因而能提供更好的保护方法。箝位器件的主要缺点是它们在故障期间具有很大的功耗,通常这将导致它们比类似的折回型器件有更大的物理尺寸。
晶闸管是折回型器件,它能提供最好的保护等级,尽管与MOVs和二极管比较起来价格适中。与能量控制能力类似的箝位器件相比,它们的低导通电压便于较小波形因数的器件应用,并可节省昂贵的印刷电路板的实际面积。晶闸管的较低电容特性,也允许把它们用在高数据流量的电路中。
协调保护
在电源感应和电源交扰故障过程中(在这种场合下,交流电压会超过晶闸管的转折电压),过流保护器件被用来保护晶闸管。为了防止晶闸管损坏,协调过流保护器件的跳闸时间特性与晶闸管的损坏时间特性之间的关系,以确保过流器件在晶闸管损坏前起作用是很重要的。
图2:用于连到用户环路的用户终端上的典型保护系统
图2表示的是为了实现网络保护要求,网络设备生产商所采用的一个典型保护系统。硅棒(SiBar)晶闸管保护敏感的电子设备免受快速的过压事故,包括闪电瞬变过程的影响。馈线电阻是用来调节电话的稳态电流的。
PolySwitch PPTC器件,可提供在持续的过流故障(比如像电源碰接和电源感应)期间所要求的电流限制。另外,PolySwitch的基本电阻限制了故障电流,从而使硅棒晶闸管上的峰值电流应力减至最小。
当电路中接入PPTC器件时,它能提供两个重要优点:首先,它能保护馈线电阻免于过热。在出现交流潜行电流(在200mA到1A的范围内)的情况下,如果没有过电流保护,馈线电阻会使保险丝不能断开,它们可能过热并引起电路板的损坏。接入PPTC器件可以帮助限制潜行电流,并能防止馈线电阻过热。其次,器件可复位并使中断的电话服务恢复,而不需要修理或打维护电话。
保护器件的选择
选作电路保护的专用器件,是以区域经销规范中对电源交扰和闪电要求为基础的。应当按电压的额定值来选择PolySwitch PPTC器件,这些额定值是以设计设备时所采用的规范标准为基础的。线路板通常是接地的,因而每条线路上要使用两个PolySwitch器件,一个在端部,一个在环线上。低电阻器件和电阻匹配器件,能满足那些重点要考虑功耗和线路平衡应用场合的要求。应当根据设计设备时基于的规范标准所确定的浪涌电流额定值和系统正常工作时断路电压额定值来选择硅棒器件。
