PoE供電溫度響應(yīng)特性及散熱優(yōu)化

王 堯，翟慶詩，徐 越，王 晨，劉 泰，韓 鏑

(中國信息通信研究院 泰爾系統(tǒng)實驗室，北京 100088)

0 概述

伴隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息通信技術(shù)的飛速發(fā)展以及智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)療等各類智慧化應(yīng)用的加速落地，數(shù)字通信電纜供電技術(shù)(Power over Ethernet，PoE)也得到了更加廣泛的應(yīng)用。PoE供電技術(shù)只通過一根數(shù)字通信電纜同時進行數(shù)字信號和電力的傳輸，與傳統(tǒng)的通信和供電方式相比，具有以下幾點優(yōu)勢：一是鋪設(shè)成本更低。無需再進行繁瑣的供電布線，節(jié)省了相應(yīng)的時間成本、空間成本和建設(shè)維護成本;二是部署更加靈活。設(shè)備部署的位置不再受現(xiàn)有供電條件的限制，可以靈活地安裝在遠端的任意位置，如天花板、隔斷上部等;三是便于集中管理。通過電源的集中供電，可進行方便的電源備份，一旦主要電源輸入中斷，也能保證整個系統(tǒng)正常運行。同時，具有簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(Simple Network Management Protocol，SNMP)功能的PoE系統(tǒng)，可對終端設(shè)備進行統(tǒng)一管理。綜上，PoE技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)電話(Voice over Internet Protocol，VoIP)、無線接入點(Wireless Access Point，無線AP)、便攜設(shè)備充電器、刷卡機、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、各類傳感器等各類終端，在室內(nèi)分布覆蓋、智慧城市全域感知建設(shè)等市場具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

但是在供電功率提升的同時，電流的熱效應(yīng)也更加明顯，造成線纜的溫度過高，甚至?xí)鸹馂?zāi)，威脅生命和財產(chǎn)安全。尤其是線纜在局端一般以捆扎的形式布設(shè)，更放大了這種風(fēng)險。因此，對于PoE供電技術(shù)的升溫研究和散熱研究尤為重要。電纜載流的升溫現(xiàn)象早在19世紀電報用電纜被發(fā)明后，即被學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注[2]。目前的研究絕大多數(shù)集中在電力工程等領(lǐng)域，通過分析電纜升溫與線纜外徑、導(dǎo)體直徑、材料等不同參數(shù)的關(guān)系，利用模型計算電纜在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)載流時的升溫特性[3]。隨著PoE供電技術(shù)的廣泛使用，數(shù)字通信電纜載流下的升溫問題也越來越受到業(yè)界的關(guān)注，國際電工委員會(International Electrotechnical Commission，IEC)等相關(guān)標準組織也陸續(xù)發(fā)布了一些指導(dǎo)性技術(shù)文件和研究報告[4-8]，推動綜合布線系統(tǒng)有效支持以太網(wǎng)供電的應(yīng)用。其中，重點討論了數(shù)字通信電纜環(huán)路電阻、電阻不平衡等關(guān)鍵指標和不同電流、不同捆扎根數(shù)對升溫的影響[9-10]，以確保PoE技術(shù)在實際使用時的安全性。如美國的國家防火協(xié)會發(fā)布了《2017 National Electrical Code》，在工作溫度、工作電壓、載流量和系統(tǒng)設(shè)計4個方面對PoE的線纜進行了規(guī)定，保證了相關(guān)場景PoE系統(tǒng)工作的安全性[11]。

目前業(yè)界對PoE技術(shù)的研究主要集中在供電協(xié)議、應(yīng)用場景與升溫測試方面，對于線纜在PoE供電時如何進行散熱的問題尚無相關(guān)研究。本文基于IEC 61156-1-4[12]中的PoE升溫測試方法搭建試驗環(huán)境，分析PoE線纜捆扎后在不同電流下的升溫特性，通過安裝散熱片的方式，對捆扎線纜的散熱性能進行優(yōu)化，并開展了試驗驗證。

1 PoE數(shù)字通信電纜升溫實驗

升溫試驗主要采用恒流源供電，并通過多路熱電偶測量捆扎數(shù)字通信電纜關(guān)鍵點溫度參數(shù)。通過長時間測量，確定捆扎電纜的升溫特性。

1.1 試驗裝置

線纜的升溫情況主要受導(dǎo)體電阻、供電電流、捆扎根數(shù)、外部環(huán)境三方面影響。為了更好的體現(xiàn)不同電流對升溫的影響，試驗統(tǒng)一采取37根、4層的捆扎方式對線纜進行捆扎，如圖1所示，成捆線纜測試長度2.4 m。同時在成捆線纜外圍覆蓋導(dǎo)管并施加密封，隔絕外界環(huán)境，以此模擬實際局端使用時的捆扎和封閉狀態(tài)。

圖1 線纜捆扎截面示意圖

試驗采用恒流源供電，為線纜提供穩(wěn)定的電流，并通過固定在線纜不同位置上的熱電偶，測量并記錄線纜實時溫度。試驗連接示意圖如圖2，實物連接結(jié)果如圖3所示。

圖2 試驗連接示意圖

圖3 試驗實物連接圖

為了全面的記錄捆扎線纜的各位置溫度，試驗選擇樣品中心點和中心點左右各0.6 m處布置6個溫度測試點，其中中心點布置4個，分別標記為T1、T2、T3、T4，位于捆扎線纜的不同層級，中心點左右0.6 m處各布置1個溫度點，標記為T5、T6，位于捆扎線纜的中心，具體如圖4所示。

圖4 溫度測試點布設(shè)圖

1.2 試驗條件與誤差分析

主流的PoE供電技術(shù)標準包括電氣與電子工程師協(xié)會(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)提出的國際標準和行業(yè)主流企業(yè)提出的企業(yè)標準。伴隨著終端供電需求的不斷升級，PoE標準規(guī)定的功率也在不斷提高。2003年的IEEE 802.3af標準最大供電功率僅為15 W，2009年的IEEE 802.3at將其提高到30 W。2011年思科提出的通用以太網(wǎng)供電(Universal Power over Ethernet，UPoE)技術(shù)將設(shè)備的工作功率提升到了60W。同年，由三星、索尼、LG等企業(yè)聯(lián)合發(fā)起的HDBaseT聯(lián)盟提出的PoH(Power over HDBaseT)技術(shù)，將音頻、視頻、網(wǎng)絡(luò)、控制信號和供電線路集中到一起，并將設(shè)備的工作功率再次提升到100 W。2018年，IEEE發(fā)布802.3bt標準，將已知線路長度下的最大供電功率提升到90 W。根據(jù)相關(guān)協(xié)議的規(guī)定，PoE系統(tǒng)在工作時可選用2對或4對導(dǎo)體進行供電，其中2對導(dǎo)體供電時的具體接線方法可以分為采用4、5、7、8號導(dǎo)體供電和采用1、2、3、6號導(dǎo)體供電兩種形式。

基于上述標準，試驗選擇了目前較為常見的導(dǎo)體直徑為0.50、0.52、0.57的三種數(shù)字通信電纜。同時，為模擬實際使用時的最大升溫，將三組樣品分別在900 mA(IEEE 802.3bt最大電流)、4對導(dǎo)體載流的條件下重復(fù)進行三次試驗，并取平均值作為結(jié)果。樣品具體信息如表1所示。實驗初始條件為室溫26℃，相對濕度42%。

表1 試驗樣品信息表

試驗使用多路熱電偶進行溫度測試，為保證試驗結(jié)果的準確性，首先對熱電偶的誤差進行分析。熱電偶使用1至6共6個通道進行試驗，分別對標準黑體輻射源進行測量。結(jié)果如表2所示。

表2 熱電偶誤差表

根據(jù)《JJF 1171-2007 溫度巡回檢測儀校準規(guī)范》和其他相關(guān)標準規(guī)定，計算得出該儀表測試結(jié)果的不確定度(k=2)為1.0℃。

1.3 試驗結(jié)果

試驗分別對A、B、C三種樣品在900 mA電流下，通電1 h期間，各溫度測試點升溫情況(實際溫度與初始溫度的差值)進行了記錄，結(jié)果分別如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 樣品A各溫度測試點升溫圖

圖6 樣品B各溫度測試點升溫圖

圖7 樣品C各溫度測試點升溫圖

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可知，在900 mA電流下，隨著工作時間的增長，捆扎線纜溫度隨之上升，在1 h左右逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)，且受電阻影響，線纜導(dǎo)體直徑越小，升溫溫度越高。各溫度測試點中，T1、T5、T6由于均處于捆扎線纜的中心位置，各樣品的升溫情況較為一致，導(dǎo)體直徑為0.57 mm的樣品A工作1 h后溫度上升22℃左右；導(dǎo)體直徑為0.52 mm的樣品B溫度上升26℃左右；導(dǎo)體直徑為0.50 mm的樣品C溫度上升32℃左右，實際溫度達到約60℃。

同時，溫度測試點T2、T3、T4由于分別位于捆扎線纜中心向外的第二、三、四層，升溫溫度逐漸降低。樣品A的T2、T3、T4點工作1 h后溫度分別上升21℃、19℃、14℃；樣品B的T2、T3、T4點分別上升25℃、23℃、19℃；樣品C的T2、T3、T4點分別上升30℃、25℃、23℃。各樣品工作1 h后，各層溫度如圖8所示，溫度分布狀態(tài)如圖9所示。

圖8 樣品各層升溫情況圖

圖9 三種樣品900 mA電流1 h升溫情況

由圖可知，當電纜捆扎使用時，其中心位置溫度上升較為明顯。在實際使用中，如果捆扎根數(shù)過多，環(huán)境溫度過高，且長時間通電工作的情況下，易造成線路的損壞或發(fā)生其他安全問題。

2 PoE數(shù)字通信電纜散熱優(yōu)化及驗證

為了盡量減少電流熱效應(yīng)的影響，需要對捆扎電纜采取一定的散熱措施，本文通過對樣品中心位置(T1、T2、T3、T4)捆扎電纜纏繞銅帶進行散熱，并進一步探究銅帶散熱對捆扎電纜溫度的影響。為了使捆扎電纜各層均能接觸散熱銅帶，試驗采取從內(nèi)向外的螺旋式纏繞方式，銅帶寬度5 cm，并延伸到封閉導(dǎo)管外側(cè)，如圖10。

圖10 散熱片纏繞方式示意圖

本文通過1.1中的試驗裝置和試驗條件對樣品C進行銅帶散熱試驗。試驗采用900 mA電流，通電時間1 h，并記錄銅帶包裹位置成捆線纜各層的溫度與初始溫度的差值，重復(fù)進行三次試驗，并取平均值作為結(jié)果。實驗初始條件為室溫26℃，相對濕度42%。各溫度測試點分別用T1、T2、T3、T4表示。安裝散熱片前后，各溫度測試點升溫情況對比如圖11所示。

圖11 樣品C各溫度測試點散熱前后對比圖

由圖可知，安裝散熱片后，T1、T2、T4點溫度均有明顯下降，T3點溫度下降不明顯。其中，T1點下降了5℃，T2點下降了2.5℃，T4點下降了6℃。各層散熱前后對比如圖12所示。

圖12 散熱前后各層升溫對比

安裝散熱片后，由于散熱片使除最外層外的其余各層溫度趨于平均，造成了中心位置和最外層溫度下降最為明顯，中心層、第二層、第三層散熱效果逐層遞減，到第三層時無明顯散熱效果。

同時，為進一步探究散熱片對樣品軸向其他位置的影響，本文還通過試驗測試了樣品C散熱片纏繞位置左右20 cm、40 cm、60 cm、80 cm處的成捆線纜中心位置溫度，并計算了散熱效果。各溫度測試點布設(shè)如圖13所示，散熱片纏繞位置為0點。試驗采用900 mA電流，通電時間1 h。試驗結(jié)果如圖14所示，從中心位置起，散熱效果逐漸下降，至80 cm處散熱效果降至1℃以內(nèi)。

圖13 散熱軸向試驗測試點布設(shè)圖

圖14 軸向散熱效果隨距離變化圖

3 結(jié)論

本文對使用37根、4層方式捆扎的數(shù)字通信電纜使用PoE技術(shù)供電時的升溫情況進行了試驗。結(jié)果如下：一是隨著導(dǎo)體直徑的減少，線纜的溫度也隨之上升。尤其是目前經(jīng)常使用的5e類數(shù)字通信電纜，導(dǎo)體直徑為0.50 mm，在900 mA電流通電1 h的情況下升溫超過30℃，在實際使用中具有一定的安全隱患;二是本文提出的散熱方式，可以有效降低成捆電纜的中心溫度和外層溫度，具備一定的散熱效果;三是在實際使用中，可以采用間隔放置散熱片的方式，在節(jié)省投入的基礎(chǔ)上，減少成捆線纜長時間使用PoE供電技術(shù)帶來的升溫影響，從而有效降低安全風(fēng)險。同時，本文提出的散熱方法也可以為光電混合纜等其他通信/供電一體化連接方案解決實際應(yīng)用中的升溫問題提供有益參考，助力新一代信息通信技術(shù)安全、高質(zhì)量發(fā)展。