WCA July 2015

用于以太网供电的数据电缆 的直流电供电测量与模拟

作者：奔瑞公司史蒂芬· W ·西蒙斯

摘要 很明显，人们对更高功率的以太网供电系统的需求日益增 长，目前市面上可以获得各种各样的非标准产品，这些产品 提供的功率超过了 IEEE802.3at 所描述的功率级别。 虽然更高的功率水平使以太网供电能够有更广泛的用途，但 是它们会同时提高性能风险。随着对更大功率需求的增多， 且面对采用以太网供电技术进行安装在配置及环境方面有很 大区别的事实，应用数值模拟降低风险大有裨益。 本文在这 里展现了直流供电前提下，以太网供电应用中数据电缆的热 力特性的数值模拟和实验验证。 引言 多年来，人们已经成功地运用与交流电信号通讯相同的电路 向终端设备供应直流电，如电话和音频设备。用于实现这项 功能的技术俗称为“幻路供电”。这门技术与以太网相关， 能够在数据使用的同一对线上从供电端设备( PSE )向受电端 设备( PD )输送电力。向信号耦合变压器的中央分接头施加直 流电源，不会干扰数据传输。这使得以太网供电能够被用于 1000BASE-T 系统，该系统中所有四对线均载有数据。 2009 年 IEEE 802.3at 标准阐明了第一类(以太网供电)和第二类 (以太网供电 + ) [1] 要求的系统参数。该标准区分第一类和第二 类以太网供电，按照每对线上直流电的名义最高值为 0.35 安和 0.60 安进行分类。使用以太网供电技术的一些最常见应用包括 无线局域网接入点、互联网协议电话以及网络摄像机。

温度(摄氏度)

❍ 图 2 : 横截面温度图表

向导体施加电流会释放热能，这种效应被称为焦耳加热。就 以太网电缆和零部件而言，由于衰减增加，对链路长度产生 限幅效应，这种热效应使人担忧。与标准电缆相比电阻越高 的电缆，如铜包铝线( CCA ) [2] 以及直径更小的(美国线规 26 )实 心铜线电缆，更令人担忧。 2009 年，国际电工委员会 46C 专门小组推出了一种名为“通 过电流测量数据电缆发热的建议” [3] 的测试方法( 46C/906/ NP )。本文旨在在模拟与建议测量方法之间获得一种强对应 关系，这种测量方法适用于以太网供电应用中以太网电缆采 用直流供电的情形。本文也致力于对比铜包铝线电缆与实心 铜线电缆由于直流供电导致的温度升高程度。 数值模拟 本文采用多物理场耦合分析软件 4.4 创建了一个二维模型， 这款软件包充分利用了有限元法 [4] 。创建该模型可以复现建 议的测量方法 [3] ，这种方法可以将理论与实践进行对比。为 了达到这个目的，我们采用了五条电缆线性布局，从而无须 加入其他电缆、采用要求更高计算资源的模型，便能较好地 预测中央电缆的热性能。本文采用恒定压强、密度时的热 容和热传导材料属性作为美国线规 26 超 6 类铝箔对对屏蔽电 缆的代表性组成部分。我们针对铜( Cu )导线、铝带/聚脂带 ( Al/PET )、低烟无卤电缆( LSZH )护套以及聚烯烃绝缘(见图 1 )设定了这些属性。该模型中考虑了传导、对流及热辐射转 移机制 [5] 。 实验对模型中每条电缆的每对线施加模拟电能，用一台静态 解算器来确定热性能，得到了( a )其中一条受电导体中心某点 (见图 1 中探针位置)以及( b )一张二维横截面温度图(图 2 )。从 二维图形中所见与预期一致，此布局下的最高温度很明显出 现在受电导体附近。

❍ 图 1 : 多物理场耦合分析中的模拟设置

空气 受电线对 低烟无卤电缆护套

铜

探针

聚烯烃

铝/聚脂带

57

www.read-wca.com

Wire & Cable ASIA – July/August 2015