通信机房设备直流电源端口EMC防护.doc

通信机房设备直流电源端口emc防护摘要：今年来业界对于直流电源端口的电快速瞬变脉冲群抗扰、电压瞬变和浪涌方面重视不足，致使通信现场设备出现了不少相关的故障。文章比较了美标、欧标和国标相关的规范要求。根据实践经验给出了现场工程实施方面的一些建议。关键字：-48v直流电源端口 快速瞬变脉冲群 电压瞬变 浪涌 众所周知，市电输入的交流电压可能会有各种各样的波动情况，比如瞬变、中断、欠压、过压、波形失真、电压波动、频率变化等等。经过ac/dc整流和滤波之后，有些波动问题可以得到改善，但是有些干扰还是直接进入到了直流配电屏。另外，直流电网内部线路也会因各种原因引起设备的直流电源输入端口出现各种电压波动的问题，如过压、欠压、瞬变、中断、电压波动、浪涌等等。我国通信行业标准yd/t1482-2006电信设备电磁环境的分类1中描述了电信中心直流电网可能出现的各种波动或干扰的状况，见表 1。标准规定电压浪涌、波动等状况每年允许发生3次。表 1 标准yd/t1482-2006中的直流电端口环境相关规定耦合路径环境参数1类大电信中心2类小电信中心直流电网电压变化电压v40.5/57电压波动和中断电压v0 40.5; 57 60持续时间ms50事件数/年3共模和差模电快速瞬变脉冲群幅度v（峰值）250事件数/周几个上升时间s1 100共模和差模浪涌（源自保险丝熔断）幅度v（峰值）200上升时间s5持续时间s50事件数/年3在中心机房中，大多数网元设备的电源输入接口均采用-48v直流电源端口（又称a接口）。直流端口电压波动可能会导致设备重启。更有甚者，大的电压波动还可能会导致设备上的元器件被击穿或失效，致使设备遭到永久损坏。因此，如果要设备可靠地运行，直流电源端口的emc及电气安全防护不容忽视。标准比较及分析在直流电源端口的emc及电气安全方面主要有如下四个规范，如表 2所示：表 2 四个直流电源端口的相关规范规范编号描 述适用区域nebs gr-1089-core issue 6, may 20112电磁兼容性（emc）及电气安全 - 网络通信设备的通用标准北美etsi en300132-2 v.2.2.23环境工程；向电信设备输入的电源接口；第2部分：直流操作欧盟etsi en300386 v.1.4.14电磁兼容和无线电频谱事宜：通信信网络设备；电磁兼容性（emc）要求欧盟gb19286-20035电信网络设备的电磁兼容性要求及测试方法中国在以上四个规范中，我们发现相关直流端口的主要要求包括：稳态电压范围，传导骚扰，传导抗扰度，电快速瞬变脉冲群抗扰，电压瞬变，浪涌等方面的内容。近年来，业界对其中的稳态电压范围、传导骚扰和传导抗扰度等要求比较重视。而在产品设计中对电快速瞬变脉冲群抗扰、电压瞬变和浪涌方面重视不足，致使现场设备出现了不少相关的故障。而美标nebs gr-1089-core从issue5开始把这两方面的指令从原先的可选要求更新为强制要求。在2011年5月份发布的最新的issue6中又作了文字上的更新。本文着重比较美标、欧标及国标中相关电快速瞬变脉冲群抗扰、电压瞬变和浪涌方面的参数指标，并针对国内通信现场的工程实施提出一些建议。1. 电快速瞬变脉冲群抗干扰在具有大电感量的设备中，控制电流通断的开关断开时，开关处的空气就可能被击穿。每次击穿都会辐射出很强的电场和磁场。如果这些设备进行频繁地切换，就会产生电快速瞬变脉冲群。一般脉冲群产生的骚扰能量较小，不会引起设备的损坏。但是其频谱分布较宽，会对设备可靠工作产生影响。从表 3可以看到，三个标准队电快速瞬变脉冲群抗扰测试波形和测试方法都是一致的。但是指标要求各有所不同。欧标和国标只要求电源电缆长度大于3m时符合这项指令。美标的要求更高。所有直流端口均须符合此项要求。并且在进行美标测试时，设备上运行的业务不能受影响。表 3 电快速瞬变脉冲群抗扰相关规范要求规范编号指标编号具 体 指 标 要 求美标：nebs gr-1089-core r2-8当被测设备的直流电源端口接受到如下脉冲群时，被测设备不能受损。设备必须继续工作，业务不受影响，也不需要任何的人工干预：5次正极性和5次负极性测试，每次测试时间为1分钟，电快速瞬变脉冲群特征为0.5kv，5khz重复频率欧标：etsi en3003867.2.1.5.1当被测设备的直流电源端口接受到如下脉冲群之后，被测设备不能受损。设备应能继续工作，不允许出现低于制造商规定的性能等级的性能降低或功能损失等。在受到脉冲群干扰时，性能允许降级。干扰结束后，设备工作状态不应改变，存储数据不应丢失。电快速瞬变脉冲群特征为0.5kv，5khz重复频率，tr/th =5/ 50ns （tr为上升时间，th为保持时间）。此测试项仅适用于电源电缆长度大于3m的情况。国标：gb192867.2.1.5.1当被测设备的直流电源端口接受到如下脉冲群之后，被测设备不能受损。设备必须继续工作。在受到脉冲群干扰时，性能允许降级：电快速瞬变脉冲群特征为0.5kv，5khz重复频率，tr/th =5/ 50ns （tr为上升时间，th为保持时间）。此测试项仅适用于电源电缆长度大于3m的情况2电压瞬变和浪涌在电压瞬变和浪涌方面，美标和欧标、国标要求的侧重点也不同。美标关注的是保护性设施操作引发的电压瞬变。而欧标和国标侧重的是大电压浪涌防护。表 4 电压瞬变和浪涌相关规范要求规范编号指标编号具 体 指 标 要 求美标：nebs gr-1089-corer10-5：保护性设施（空开、熔丝）操作引发的电压瞬变1. 当设备是a/b两路电源供电时，error! reference source not found.(a) 所示瞬变发生在其中一路时，设备需正常工作。2. 当设备直流电源端口受到的error! reference source not found.(b)、error! reference source not found.(c)所示过压瞬变时，设备需正常工作。3. 当设备直流电源端口受到error! reference source not found.(d)所示的跌落瞬变时，设备不能受到永久损坏。当输入电压恢复到-50vdc后，设备需自动启动，无需人工干预，在30分钟内恢复到正常工作状态。欧标：etsi en300132-2 v.2.2.24.3.3电压瞬变根据en61000-4-5中定义的测试方法，在a接口电压出现如下瞬变时，设备不能损坏。瞬变特性：电压500v，波前时间/半峰值时间=1.2/50(8/20)s国标：gb192867.2.1.5.3浪涌（冲击）当被测设备的直流电源端口接受到如下浪涌干扰之后，被测设备不能受损。设备必须继续工作。在受到干扰过程中，设备性能允许降级。浪涌特性如下线线：电压0.5kv, 波前时间/半峰值时间=1.2/50(8/20)s线地：电压1kv, 波前时间/半峰值时间=1.2/50(8/20)s由于扩容、施工等方面的原因，在国内通信机房中曾经发生由空开/ 熔丝动作引发了电压瞬变故障。这样的电压瞬变造成一些网络通信设备失效或重启，对通信网络的正常运行造成了一定的影响。在某省通信中心机房，曾经由于现场施工，工作人员关闭了某个系统的空气开关。但是当空气开关重新接通时，此机房内的另一个通信设备却重启了。这一故障导致近50万电话用户中断服务近15分钟。另一个案例是，在国内某地通信中心机房中，同样由于电压瞬变，致使某一系统的业务板卡上的3.3v电源失效，不能自启。因这一模块退出服务，导致信令中断，相关用户电话业务中断近30分钟。类似的案例还有不少，本文就不一一详细列举。我们必须在硬件设备的设计与制造上尽可能的减少这类故障的发生。来自ansi atis-0600315.20076的r10-5指令展现了电压瞬变的波形图，如error! reference source not found.所示。虽然在通信机房发生的电压瞬变状况不尽相同，error! reference source not found.给出了一个现场可能发生的最恶劣情形。r10-5指令可以作为通信负载设备设计的依据，也可作为-48v电源分配系统工程应用及故障分析的参考。根据ansi atis-0600315.2007的描述，error! reference source not found.(a)所示的电压瞬变波形是由故障电流产生的。故障电流首先引发设备直流端口的电压瞬时跌落。由于过流，致使空开跳闸。空开跳闸引发的能量释放在设备端产生了一个100v的短时过压冲击，以及较长时间的75v过压瞬变。其中，电压跌落的下降时间小于12s，持续时间为10ms，上升时间小于5s。100v短时过压冲击的上升时间小于2s，持续时间50s。较长时间的75v过压瞬变的上升时间小于2s，持续时间10ms,下降时间为2.5ms。error! reference source not found.(b)至error! reference source not found.(d)是error! reference source not found.(a)波形的详细拆解。故障电流引发空开跳闸是正常的反应。相应产生的电压瞬变不应当引起机房内其他通信设备受损。如若其他设备受损，那么就会发生更大的通信事故，空开的保障意义也就失效了。为了保障设备在网络中可靠运行，无论产品是否提供北美市场，设计设备直流电源端口时考虑符合这条指令是很有必要的。(a) 保护性设施操作电压瞬变完整波形图(b) 电压瞬变波形图拆解 短时过压冲击(c) 电压瞬变波形图拆解 较长时过压瞬变(d) 电压瞬变波形图拆解 电压跌落图1 保护性设施操作电压瞬变波形图美标中对机房环境如何接地有详细的要求。美标认为如果现场有良好的接地，那么雷击浪涌等高压会被排除在中心机房设备电源端口之外。因此，美标一般不考虑超过100v的浪涌电压冲击设备直流端口的情形。美标中r10-5明确描述的是针对保护性设施动作引发的瞬变情形。相对而言，欧标和国标对瞬变/浪涌指令要求涵盖范围比较宽泛，同时涵盖开关瞬变和雷电瞬变。欧标测试的电压幅值为500v。国标更要求线-地间测试电压达到1000v。欧标和国标的测试方法是参照国际标准iec61000-4-5电磁兼容试验和测量技术 浪涌（冲击）抗扰度试验7中的波形。电压浪涌为波前时间1.2s，半峰值时间50s。电流浪涌为波前时间8s，半峰时间20s，是目前电源测试的通用标准。建议相较而言，美标的波形图针对性强，对现场故障分析具备参考和指导意义。美标的规定对瞬变脉冲的持续时间要求较精确。欧标和国标的规定对高电压幅值要求较高。目前国内设计的产品，对美标的符合程度不够高。电压瞬变测试的通过率较低。而对于产品设计及工程实施而言，同时符合美标欧标和国标三方面的规范，有利于产品抵御通信现场电压瞬变/浪涌等波动，保障产品在现场可靠运行。新产品设计应参照及时增加相关的emi防护，在设备电源端口增加扼流圈、滤波器和隔离器件，做好屏蔽与接地，以尽可能防范干扰对设备的损害。对于目前现场已安装实施的设备，如果增加一些设施能提高电源端口的相关防护效能，那么对于通信现场的可靠运行具有现实的意义。对于电快速瞬变脉冲群抗扰、电压瞬变和浪涌抗扰等问题，本文作者根据多年相关工作的经验，提出如下四条建议：1. 建议在网设备直流电源输入端口增加直流电源保护模块，吸收或补偿瞬变电压，以避免设备受到瞬变电压的损伤。在电源保护模块中，可以用电容补偿电压跌落时的电压空隙，也可以吸收过压时的电压瞬变。同时在电源保护模块中使用tvs器件，将电压箝制到预定水平，使得设备直流端口的电压在设备可承受范围内。本文作者所在团队研发生产了一款直流电源保护模块，安装在设备电源端口，增加线线和线地之间的干扰防护。emc测试验证了该模块能有效提升设备的抗干扰能力。目前该保护模块在通信现场已经使用了超过一百台，现场反馈效果不错。2. 建议在通信机房直流配电屏中增加防雷模块作浪涌防护，以抵御来自外部的浪涌冲击。同时，建议在直流配电屏中加装大电容补偿模块，可以在外部电压短时中断或电压跌落时进行补偿，短时为设备提供所需要的能量，使得设备在短时电压跌落/中断时平稳运行。3. 对于通信现场电压瞬变的具体情况，目前一般只能根据现场故障现象进行推断。由于现场发生的电压瞬变触发非常突然，难以跟踪和重现，给后续的故障分析与解决带来了一定的困难。因此本文作者所在团队正在研发直流电压跟踪模块，实时记录现场电压状况，捕捉电压瞬变的现实波形。这个模块的实现策略是实时采样设备直流电源两端的电压值，将其放大并模数转换后进行分析。模块会把瞬变电压，过压或者欠压的具体情况存储于非易失性存储器内。在通信现场采用电压跟踪模块有利于分析电压瞬变发生的原因，改善电源接口的设计，以应对现场状况，进而保证现场通信设备有效可靠的运行。4. 重视通信现场机房的接地设备的可靠运行很重要。良好的接地能使机房内所有的设备等电势，防止压差对设备及机房维护人员产生危害。同时，良好的接地能有效地把雷电浪涌能量引导到大地，并能为故障电流提供一个可靠的低阻抗的泄放路径，使得过流设备的保护装置（空开等）快速启动，减小对设备本身及其他设备的损害。参考文献：1 yd/t1482-2006 电信设备电磁环境的分类，中华人民共和国信息产业部s2 nebs gr-1089-core issue 6, may 2011, electromagnetic compatibility (emc) and electrical safety generic criteria for network telecommunications equipment, telcordia technologies, inc. s3 etsi en300132-2 v2.2.2 (2007-10) environmental engineering (ee); power supply interface at the input to telecommunications equipment; part 2: operated by direct current (dc)