PoE供电温度响应特性及散热优化_王尧.pdf

第 40 卷，总第 236 期2022 年 11 月，第 6 期 节 能 技 术 ENEGY CONSEVATION TECHNOLOGYVol.40，Sum.No.236Nov 2022，No.6PoE 供电温度响应特性及散热优化王尧，翟庆诗，徐越，王晨，刘泰，韩镝(中国信息通信研究院 泰尔系统实验室，北京100088)摘要:数字通信电缆供电技术(Power over Ethernet，PoE)目前已广泛应用于 WLAN 接入点、网络摄像头、门禁、报警器等网络设备的通信和供电，是智慧城市、智慧农业、智慧医疗等应用领域大规模发展的重要基础技术。但是受电流的热效应影响，导体和线缆的温度会逐渐升高。尤其是在局端时，线缆一般以捆扎的形式布设，更放大了温度升高的影响，存在不可忽视的安全隐患。本文对捆扎后线缆 PoE 供电时的升温情况进行了试验，对其实际发热现象进行了分析研究，并提出了一种通过安装散热片提高数字通信电缆散热能力的方案。该方案可以有效降低捆扎线缆 PoE供电时的工作温度，提高实际应用场景下的安全性。关键词:PoE 供电;数字通信电缆;升温;散热片;解决方案中图分类号:TN913 32文献标识码:A文章编号:1002 6339(2022)06 0566 05PoE Power Supply Temperature esponse Characteristicsand Heat Dissipation Performance OptimizationWANG Yao，ZHAI Qing shi，XU Yue，WANG Chen，LIU Tai，HAN Di(China Academy of Information and Communications Technology，China TelecommunicationTechnology Labs，Beijing 100088，China)Abstract:PoE(power over Ethernet)power supply technology of digital communication cable has beenwidely used in the communication and power supply of WLAN access points，webcams，access control，alarms and other network equipment It is an important basic technology for the large scale developmentof smart cities，smart agriculture，smart medical and other application fields However，due to the ther-mal effect of current，the temperature of conductors and cables will gradually rise Especially at the cen-tral office end，the cables are generally laid in the form of bundling，which amplifies the impact of tem-perature rise There will be potential safety hazards that cannot be ignored This paper tests and analyzesthe actual heating phenomenon of bundled cables during power supply，and proposes a scheme to improvethe heat dissipation capacity of digital communication cable by installing heat sink This scheme can ef-fectively reduce the working temperature of the bundled cable during power supply，and improve the se-curity in practical application scenariosKey words:PoE power supply;digital communication cable;temperature rise;heat sink，thermal solu-tions收稿日期2022 07 02修订稿日期2022 07 19作者简介:王尧(1989 )，男，硕士研究生，工程师，研究方向为通信线缆检测技术和标准化研究。6650概述伴随着 5G、物联网等新一代信息通信技术的飞速发展以及智慧城市、智慧农业、智慧医疗等各类智慧化应用的加速落地，数字通信电缆供电技术(Power over Ethernet，PoE)也得到了更加广泛的应用。PoE 供电技术只通过一根数字通信电缆同时进行数字信号和电力的传输，与传统的通信和供电方式相比，具有以下几点优势:一是铺设成本更低。无需再进行繁琐的供电布线，节省了相应的时间成本、空间成本和建设维护成本;二是部署更加灵活。设备部署的位置不再受现有供电条件的限制，可以灵活地安装在远端的任意位置，如天花板、隔断上部等;三是便于集中管理。通过电源的集中供电，可进行方便的电源备份，一旦主要电源输入中断，也能保证整个系统正常运行。同时，具有简单网络管理协议(Simple Network Management Protocol，SNMP)功能的 PoE 系统，可对终端设备进行统一管理。综上，PoE 技术可以广泛应用于网络电话(Voice over In-ternet Protocol，VoIP)、无线接入点(Wireless AccessPoint，无线 AP)、便携设备充电器、刷卡机、网络摄像头、各类传感器等各类终端，在室内分布覆盖、智慧城市全域感知建设等市场具有广阔的应用前景1。但是在供电功率提升的同时，电流的热效应也更加明显，造成线缆的温度过高，甚至会引起火灾，威胁生命和财产安全。尤其是线缆在局端一般以捆扎的形式布设，更放大了这种风险。因此，对于 PoE供电技术的升温研究和散热研究尤为重要。电缆载流的升温现象早在 19 世纪电报用电缆被发明后，即被学术界广泛关注2。目前的研究绝大多数集中在电力工程等领域，通过分析电缆升温与线缆外径、导体直径、材料等不同参数的关系，利用模型计算电缆在稳态和瞬态载流时的升温特性3。随着 PoE供电技术的广泛使用，数字通信电缆载流下的升温问题也越来越受到业界的关注，国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)等相关标准组织也陆续发布了一些指导性技术文件和研究报告4 8，推动综合布线系统有效支持以太网供电的应用。其中，重点讨论了数字通信电缆环路电阻、电阻不平衡等关键指标和不同电流、不同捆扎根数对升温的影响9 10，以确保 PoE 技术在实际使用时的安全性。如美国的国家防火协会发布了2017National Electrical Code，在工作温度、工作电压、载流量和系统设计 4 个方面对 PoE 的线缆进行了规定，保证了相关场景 PoE 系统工作的安全性11。目前业界对 PoE 技术的研究主要集中在供电协议、应用场景与升温测试方面，对于线缆在 PoE供电时如何进行散热的问题尚无相关研究。本文基于 IEC 61156 1 412 中的 PoE 升温测试方法搭建试验环境，分析 PoE 线缆捆扎后在不同电流下的升温特性，通过安装散热片的方式，对捆扎线缆的散热性能进行优化，并开展了试验验证。1PoE 数字通信电缆升温实验升温试验主要采用恒流源供电，并通过多路热电偶测量捆扎数字通信电缆关键点温度参数。通过长时间测量，确定捆扎电缆的升温特性。1 1试验装置线缆的升温情况主要受导体电阻、供电电流、捆扎根数、外部环境三方面影响。为了更好的体现不同电流对升温的影响，试验统一采取 37 根、4 层的捆扎方式对线缆进行捆扎，如图 1 所示，成捆线缆测试长度 2 4 m。同时在成捆线缆外围覆盖导管并施加密封，隔绝外界环境，以此模拟实际局端使用时的捆扎和封闭状态。图 1线缆捆扎截面示意图试验采用恒流源供电，为线缆提供稳定的电流，并通过固定在线缆不同位置上的热电偶，测量并记录线缆实时温度。试验连接示意图如图 2，实物连接结果如图 3 所示。图 2试验连接示意图为了全面的记录捆扎线缆的各位置温度，试验选择样品中心点和中心点左右各 0 6 m 处布置6 个温度测试点，其中中心点布置 4 个，分别标记为 T1、T2、T3、T4，位于捆扎线缆的不同层级，中心点左右0 6 m 处各布置 1 个温度点，标记为 T5、T6，位于捆扎线缆的中心，具体如图 4 所示。765图 3试验实物连接图图 4温度测试点布设图1 2试验条件与误差分析主流的 PoE 供电技术标准包括电气与电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engi-neers，IEEE)提出的国际标准和行业主流企业提出的企业标准。伴随着终端供电需求的不断升级，PoE 标准规定的功率也在不断提高。2003 年的IEEE 802 3af 标准最大供电功率仅为15 W，2009 年的 IEEE 802 3at 将其提高到 30 W。2011 年思科提出的通用以太网供电(Universal Power over Ethernet，UPoE)技术将设备的工作功率提升到了 60W。同年，由三星、索尼、LG 等企业联合发起的 HDBaseT联盟提出的 PoH(Power over HDBaseT)技术，将音频、视频、网络、控制信号和供电线路集中到一起，并将设备的工作功率再次提升到 100 W。2018 年，IEEE 发布 802 3bt 标准，将已知线路长度下的最大供电功率提升到 90 W。根据相关协议的规定，PoE系统在工作时可选用 2 对或 4 对导体进行供电，其中 2 对导体供电时的具体接线方法可以分为采用4、5、7、8 号导体供电和采用 1、2、3、6 号导体供电两种形式。基于上述标准，试验选择了目前较为常见的导体直径为 0 50、0 52、0 57 的三种数字通信电缆。同时，为模拟实际使用时的最大升温，将三组样品分别在 900 mA(IEEE 802 3bt 最大电流)、4 对导体载流的条件下重复进行三次试验，并取平均值作为结果。样品具体信息如表 1 所示。实验初始条件为室温 26，相对湿度 42%。试验使用多路热电偶进行温度测试，为保证试验结果的准确性，首先对热电偶的误差进行分析。热电偶使用 1 至 6 共 6 个通道进行试验，分别对标准黑体辐射源进行测量。结果如表 2 所示。表 1试验样品信息表样本编号ABC导体直径/mm050052057导体电阻/100 mababab8668808 318317057048688758 538536866888868928 268226986968688758 45841683683表 2热电偶误差表标准温度/20406080100仪表显示温度/通道 1195392587786984通道 2196392587786984通道 3195392587787982通道 4196393588787983通道 5196393588786982通道 6196393587785982根据JJF 1171 2007 温度巡回检测仪校准规范 和其他相关标准规定，计算得出该仪表测试结果的不确定度(k=2)为 1 0。1 3试验结果试验分别对 A、B、C 三种样品在 900 mA 电流下，通电 1 h 期间，各温度测试点升温情况(