PoE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)

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 Internet Protocol，VoIP)、无线接入点(Wireless Access Point，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《2017 National 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 61156-1-4[12]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。

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

图3 试验实物连接图

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。

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 Engineers，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%。

表1 试验样品信息表

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2 热电偶误差表

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(实际温度与初始温度的差值)进行了记录，结果分别如图5、图6、图7所示。

图5 样品A各温度测试点升温图

图6 样品B各温度测试点升温图

图7 样品C各温度测试点升温图

根据上述数据可知，在900 mA电流下，随着工作时间的增长，捆扎线缆温度随之上升，在1 h左右逐渐达到稳定状态，且受电阻影响，线缆导体直径越小，升温温度越高。各温度测试点中，T1、T5、T6由于均处于捆扎线缆的中心位置，各样品的升温情况较为一致，导体直径为0.57 mm的样品A工作1 h后温度上升22℃左右；
导体直径为0.52 mm的样品B温度上升26℃左右；
导体直径为0.50 mm的样品C温度上升32℃左右，实际温度达到约60℃。

同时，温度测试点T2、T3、T4由于分别位于捆扎线缆中心向外的第二、三、四层，升温温度逐渐降低。样品A的T2、T3、T4点工作1 h后温度分别上升21℃、19℃、14℃；
样品B的T2、T3、T4点分别上升25℃、23℃、19℃；
样品C的T2、T3、T4点分别上升30℃、25℃、23℃。各样品工作1 h后，各层温度如图8所示，温度分布状态如图9所示。

图8 样品各层升温情况图

图9 三种样品900 mA电流1 h升温情况

由图可知，当电缆捆扎使用时，其中心位置温度上升较为明显。在实际使用中，如果捆扎根数过多，环境温度过高，且长时间通电工作的情况下，易造成线路的损坏或发生其他安全问题。

为了尽量减少电流热效应的影响，需要对捆扎电缆采取一定的散热措施，本文通过对样品中心位置(T1、T2、T3、T4)捆扎电缆缠绕铜带进行散热，并进一步探究铜带散热对捆扎电缆温度的影响。为了使捆扎电缆各层均能接触散热铜带，试验采取从内向外的螺旋式缠绕方式，铜带宽度5 cm，并延伸到封闭导管外侧，如图10。

图10 散热片缠绕方式示意图

本文通过1.1中的试验装置和试验条件对样品C进行铜带散热试验。试验采用900 mA电流，通电时间1 h，并记录铜带包裹位置成捆线缆各层的温度与初始温度的差值，重复进行三次试验，并取平均值作为结果。实验初始条件为室温26℃，相对湿度42%。各温度测试点分别用T1、T2、T3、T4表示。安装散热片前后，各温度测试点升温情况对比如图11所示。

图11 样品C各温度测试点散热前后对比图

由图可知，安装散热片后，T1、T2、T4点温度均有明显下降，T3点温度下降不明显。其中，T1点下降了5℃，T2点下降了2.5℃，T4点下降了6℃。各层散热前后对比如图12所示。

图12 散热前后各层升温对比

安装散热片后，由于散热片使除最外层外的其余各层温度趋于平均，造成了中心位置和最外层温度下降最为明显，中心层、第二层、第三层散热效果逐层递减，到第三层时无明显散热效果。

同时，为进一步探究散热片对样品轴向其他位置的影响，本文还通过试验测试了样品C散热片缠绕位置左右20 cm、40 cm、60 cm、80 cm处的成捆线缆中心位置温度，并计算了散热效果。各温度测试点布设如图13所示，散热片缠绕位置为0点。试验采用900 mA电流，通电时间1 h。试验结果如图14所示，从中心位置起，散热效果逐渐下降，至80 cm处散热效果降至1℃以内。

图13 散热轴向试验测试点布设图

图14 轴向散热效果随距离变化图

本文对使用37根、4层方式捆扎的数字通信电缆使用PoE技术供电时的升温情况进行了试验。结果如下：一是随着导体直径的减少，线缆的温度也随之上升。尤其是目前经常使用的5e类数字通信电缆，导体直径为0.50 mm，在900 mA电流通电1 h的情况下升温超过30℃，在实际使用中具有一定的安全隐患;二是本文提出的散热方式，可以有效降低成捆电缆的中心温度和外层温度，具备一定的散热效果;三是在实际使用中，可以采用间隔放置散热片的方式，在节省投入的基础上，减少成捆线缆长时间使用PoE供电技术带来的升温影响，从而有效降低安全风险。同时，本文提出的散热方法也可以为光电混合缆等其他通信/供电一体化连接方案解决实际应用中的升温问题提供有益参考，助力新一代信息通信技术安全、高质量发展。

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