乙太網路和工業應用中防範湧浪事件的理想方法

問題:

有沒有一種簡單方法可以保護乙太網路免受雷擊損壞？

答案:

如果對磁學和電路理論有深入的理解，再加上適當的接地和屏蔽技術，就能找到解決方案。

摘要

採取適當的預防措施，可以防止雷擊對乙太網路連接裝置造成損壞。使用保護元組件的傳統方法可能不完全有效，我們還需要輔以另外一種方法，其靈感基於對雷擊能量傳遞給乙太網路電纜和相連裝置的基礎機制的深入分析，本文將詳細介紹這些內容。

引言

以雷擊為罪魁禍首的湧浪事件會使有線乙太網路出現故障，時刻牽動著網路系統管理員或者其他相關負責人的神經。這個問題並不侷限於乙太網路，任何現實中較大的電子或電力系統都不例外。其他示例包括：遠端返回的電氣測量、電力傳輸以及感測器不在附近的工業自動化應用。傳統解決方案的工作原理是吸收或限制某個區域附近的事件能量，以保護實體層零組件。此種方法的問題在於能量未被消除，由此產生的電流也未被消除。感應路徑中的瞬態電流總是會產生很大的電壓，進而可能造成損壞。因此，當考慮常規方法時，我們必須明確了解：需要什麼級別的保護，以及需要多少時間、精力和資源來建置？此外，所部署的保護方法不僅要能夠抵禦湧浪，而且要在湧浪發生後仍能正常運作。雷擊產生的能量比您想像的可能要大幾個數量級。為了實現安全可靠的運行，需要採取強有力的保護措施來因應此一挑戰。

能量大小

乙太網路系統需要防範湧浪事件，不同湧浪事件的能量可能相去甚遠。數千公尺外的雷擊引起的能量湧浪在強度上可能比門外的雷擊引起的能量湧浪低五個數量級。乙太網路系統的規模也會影響其處理不同量級的能量的能力。甚至迴路的方向也可能使系統的湧浪承受能力增加三個數量級。

雷擊能量

湧浪事件造成的損壞取決於事件的能量、能量湧浪發生的位置以及系統受到衝擊時可以儲存多少能量。瞭解這些因素將有助於找到防範此種損壞的解決方案。

雷擊產生的能量儲存在雷擊周圍的區域中（我們的討論排除直擊雷的可能性）。雷擊的主要問題是能量儲存在近場中，其中磁場對於此種低阻抗源來說最為重要。透過雷擊長度可以求出總電感，然後使用我們熟悉的能量公式 E = 1/2Li² 可近似計算磁場中的總能量。雷擊電流大小不一，但可能高達50,000 A。在超過此距離的遠場中，能量非常小，幾乎不用擔心，除非您從事建造無線電接收器的業務。

太陽每秒產生 3.846 × 10²⁶ 的功率。在距離太陽9300萬英里的地球 上，一平方公尺空間接收到其中的1000 W功率。如果我們對圍繞太陽的整個球面進行積分，無論距離太陽表面有多遠，總會有 3.846 × 10²⁶ W 的輻射功率，而1平方公尺相對於9300萬英里之外的總表面積而言非常之小！現在我們從能量而不是功率的角度來討論。要獲得1000焦耳的能量，需要照射1 s（瓦特的單位為J/s）。此能量體積等於 1M² 乘以光在一秒內傳播的距離，即 3 × 10⁸ M ；在此種情況下，總體積也是 3 × 10⁸ M³。

為了理解本文的其餘內容，必須接受輻射能量和靜態能量（磁能BxH和靜電能ExD）都儲存在空間中的概念。坡印廷定理描述了能量的運動、移動或轉移。能量的轉移總是同時涉及磁場和電場。 導體內部不可能有明顯的電場，因此也不可能儲存任何能量。近處和遠處（輻射）的能量都儲存在雷擊事件周圍的空間中，這個道理簡單明瞭。此概念（能量儲存在空間中）為湧浪問題提出了以下解決方案：不接觸此種能量就能消除電湧問題。

要接觸該能量，導體幾何結構（乙太網路電纜）需要進入能量運動所在的空間。就像我們的輻射示例一樣，即使處於近場，也涉及時間。乙太網路電纜以差分方式連接，不具有任何明顯的迴路區域，因此不太可能從該周圍空間耦合任何明顯的能量。對於乙太網路電纜和接地系統之間的區域，情況並非如此。

湧浪是一種涉及主機殼接地系統的高頻迴路電流。每個建構的電路都有主機殼接地系統。就本文而言，其僅對大型電路很重要。請參閱圖1的示例，瞭解主機殼接地系統如何始終存在，而且系統越大，就越重要，以及為什麼接地與該問題沒有任何關係，而任何寄生導體都會有關係。下一節將介紹兩種最常見的湧浪電流源。

接地迴路能量

接地迴路之所以產生，是因為任何兩個位置的接地電位都不是恆定的。圖1顯示，每個原理圖都有第二個電路，即寄生接地迴路。由於接地迴路和您設計的電路可以共用一根導線，因此該接地迴路也被稱為共阻抗耦合¹ 。圖1和圖2顯示了更詳細的示例。通常，第二個主機殼接地電路不是那麼大，但始終存在。一般來說，電子系統覆蓋的距離越遠，這些接地之間的電位差就越大，之間的電感和電阻也會越大。

當閃電擊中地面時，電流會向各個方向擴散。該電流會導致電流流經的接地電阻和電感出現明顯的電壓下降。對於某些有線乙太網路設施，此電位差可能橫跨整個乙太網路電纜（從一端到另一端），並可能引起大電流流動。此種效應被歸類為接地迴路，這是正確的。源自儀器儀錶和電力機械的電流也會引起接地迴路。正確接地的建築物以公用設施入口處的單一接地導體為基準。由此可知，在單一建築物內，雷擊引起的接地迴路並不是造成設備損壞的主導因素。對於在建築物外部或建築物之間佈設的乙太網路來說，情況顯然不是如此。

無論來源如何，接地電壓都會在乙太網路電纜中產生電流，即使長度不是很長或者沒有迴路區域也是如此。重要的是兩個接地點的電位差、上升時間以及兩點之間主機殼系統的電感。

閃電產生的磁場

根據法拉第定律，閃電還可以在任何迴路區域中產生磁耦合電壓。這可能是最堪憂的問題，因為其會影響建築物內佈設的乙太網路。

接地迴路引起的雷擊湧浪事件與磁耦合（法拉第定律）引起的湧浪事件不同。接下來的幾節將討論每個問題的可能解決方案。作為參考，圖3顯示了沒有採用本文所述任何解決方案的乙太網路連接。這裡，通過電路和接地參考平面（也是電路的一部分）的電流路徑（由於接地迴路或法拉第定律而產生）是湧浪電流可以通過的唯一路徑。常規解決方案試圖將該電流從元組件中分流走，但電流路徑中可能發生具有危險性的V = Ldi/dt事件。

教科書解決方案

解決接地迴路和磁能問題的教科書解決方案是使用防護。用遮罩層包圍整個應用來提供防護。此種防護的作用是使應用與除了防護本身之外的任何物體之間的電容最小化。考慮圖4（一個簡化的非乙太網路示例），很顯然，所有接地迴路或磁感應電流都將沿著防護金屬流動並穿過C5處的隔離閘。接地迴路電流不可能進入防護裝置所包圍的任一應用區域。在此種情況下，干擾場完全在應用元組件的外部。除了消除任何靜電耦合雜訊之外，該教科書解決方案還能因應上述兩種干擾源。教科書解決方案確實非常卓越，即使C5非常小，也能工作。短路線匝則並非必需。

這是唯一適用於兩種接地迴路和磁耦合場能量的解決方案。其通常也超出了此種乙太網路應用的要求，以下將做一些簡化，以得到我們可以實際建構的乙太網路解決方案。

短路線匝

造成損壞的能量來自閃電所產生的能量場。為了消除乙太網路佈設中的能量，我們需要消除能量場，為此我們將在此變壓器中設計一個短路線匝，其中閃電為初級，乙太網路接地迴路區域為次級。如果使用乙太網路電纜內部的防護層和應用電路中的平面來建構一個隔離的短路線匝，透過接地提供最終導體來閉合短路線匝，那麼我們應該能夠消除能量。在實踐中，建置此種短路線匝後，增加外部分流保護元件的過程會容易得多。

要進行簡化，可以去掉系統左右半部的完整包圍，如圖5所示（乙太網路配置如圖6所示）。如果防護迴路可以充當短路線匝，且C3/C4的比值極小，那麼此種更簡單的配置可能是有效的。相較於隔離路徑，此種消除湧浪的簡化方法只有在我們能夠建構短路線匝時才有效。

從乙太網路迴路的角度來看，此短路線匝究竟是如何消除能量的呢？為了揭示這個問題，我們需要在更深的層次上理解變壓器類比。真正的變壓器旨在移動能量，而不是儲存能量。無論空芯變壓器還是磁芯變壓器，都是如此。為了在空芯變壓器中達到幾乎不儲存能量的目的，繞組必須直接纏繞在彼此之上，以便使空間幾乎無儲存能量。即使繞組不直接相互疊置，用磁芯製成的變壓器也會將能量（具有磁滯和渦流損耗）從一個繞組轉移到另一個繞組，但繞組和磁芯之間必須幾乎沒有空間，以便達到幾乎不儲存能量的目的。當使用磁芯時，由於電感較高，較大的µr會直接降低磁化電流，使我們可以獲得額外的優勢。不管有無磁芯，施加到初級的電壓都會產生一個電流，可透過我們熟悉的 V = Ldi/dt關係來描述，這反過來又會導致次級上產生一個電壓，可透過下式得出：V = (迴路面積)dB/dt。磁性材料的存在不會改變初級Ldi/dt或次級dB/dt。換句話說，其不會改變變壓器電壓。 在初級中，磁導率µr是一個常數，會增加電感（增加µr），但也會降低di/dt以進行補償。對於次級，較大µr會減慢dB/dt（因為初級di/dt較低），但其也會增加B，增加幅度就是該常數。高磁導率實際上只是透過提高初級電感來降低磁化電流。

由於變壓器中不儲存能量，當次級負載很大時，低阻抗電壓源驅動的初級將需要提供更大電流，初級電流將增加以提供能量。

相較之下，雷擊會在非常大的空間中儲存大量能量。能量總是按照儲存能量盡可能少的配置自行排列。這正是變壓器在內部以及次級繞組介面處所做的事情，次級電流與初級電流方向相反。這些相反的電流保證不會存在淨外部磁場（儲存的能量）。在高層次上，這被稱為最小作用原理，但就本文而言，其被稱為楞次定律。這就是乙太網路電纜和主機殼接地回路周圍空間中發生的情況。乙太網路迴路（或短路線匝可任擇）提供了轉移或耗散此能量的手段，因為任一手段都提供了儲存較少能量的方法。就像上面的變壓器示例一樣，產生的次級電壓仍然為V = (迴路面積)dB/dt，但初級（閃電）和次級（乙太網路迴路）之間沒有緊密耦合。此種不良耦合使該區域無法接觸無限的能量源。短路線匝會產生一個電流，抵消/耗散閃電儲存在該空間中的能量。如果可以在短路線匝就位的情況下測量初級的電感，那麼其會是一個較低的值，表示儲存的能量較少，一些丟失的能量在短路線匝中耗散。換句話說，次級負載產生的磁場將抵消閃電產生的磁場，使乙太網路迴路中儲存的能量減少。

順便一提，在變壓器中，當將一個次級短路時，所發生的正是上述情況。但是，這其中有一個重要區別。對於實際變壓器，由於緊密耦合，短路線匝將耗散初級中的所有可用能量。對於閃電，只有乙太網路迴路空間中的能量才會被耗散。

我們來看一個例子。雷擊產生的H場為I/2πR。假設雷擊距離乙太網路電纜1英里(1600 M)，雷擊電流為50,000 A，則磁場強度將為4.97 A/M。

B場即為B = µH = (4π × 10E-7)(4.97) = 6.25E-6 Tesla，

乙太網路迴路面積（一英里遠）為： 1 M × 150 M =150 M²

雷擊電流的上升時間可以短到1μs，其下降時間為約100 µs，因 此該迴路中產生的電壓可近似計算為：V = A (迴路面積 × dB/dt) = 150(6.25E-6)/1 μs = 937 V

我們透過模擬來獲得準確的值。圖7顯示了一次50 kA雷擊，上升時間為1 μs，下降時間為10 μs。

根據法拉第定律，此電流將產生電壓V1，如圖8所示。E1代表未受保護的乙太網路迴路內的湧浪電壓。459 μH是具有主機殼的乙太網路迴路區域的電感，500 pF表示乙太網路連接的PSE和PD兩側的對地淨串聯電容，10 Ω電阻是電路的串聯電阻。在模擬中，R2的值並沒有真正改變電流的峰值，而是導致波形的包絡以更快的速率衰減。此更有利的L/R時間常數將使湧浪能量以熱量形式更快地速透過整個分散式電阻耗散。

所產生的湧浪電流I(L2)如圖9所示。該圖顯示，即使雷擊發生在1英里之外，未受保護的迴路也會出現1.6 A的峰對峰值湧浪電流。想像一下，如果雷擊距離很接近則將產生多大的迴路電流。即使如此的電流也足以造成損壞。

現在，讓我們考量原理圖右半部分所示的受保護乙太網路迴路（這裡是內部乙太網路迴路）中的湧浪電流。如果降低遮罩迴路阻抗（增加C3和C4），同時保持與乙太網路迴路的良好磁耦合，則該湧浪電流可以進一步降低。

隔離

另外一種消除湧浪電流的方法，是隔離電纜的一端或兩端。理想的情況下，要以此種方式隔離應用，需要在所有頻率下都有一個開路。這通常由隔離變壓器實現；對於乙太網路，這包括資料變壓器和電源變壓器（POE應用）。變壓器擅長阻止DC；但其初級到次級電容在較高頻率下會短路，進而支援高頻湧浪電流。如果有極低電容的變壓器可用，我們一開始就不會有湧浪問題，所以這不是答案。不過，減小隔離電容確實會降低雷擊引起的電流。然而，本文提出的解決方案在較高頻率下可提供更好的隔離系統，儘管跨隔離閘的電容較大。如果電容看不到任何dv/dt，那麼其便無關緊要。

問題是甚麼？

問題是我們永遠無法在電路周圍建立理想的防護，或者利用短路線匝消除所有磁場，或者建構沒有電容的變壓器。此種情況下，還能做些什麼呢？為了增強這些解決方案，我們可能還需要增加目的在轉移任何剩餘湧浪電流的保護元件。短路線匝中的電流可能很高，但幾乎不必擔心，因為我們只使用銅和電容來建構它。我們可以做出的最後一項改善，是在整個乙太網路鏈路周圍增加鐵氧體，如圖10所示。

在沒有新增短路線匝的情況下，此鐵氧體仍然表現良好。其為高頻電流提供一個開路，以補充直流和較低頻率下隔離變壓器的開路。如果將鐵氧體與短路線匝搭配使用，我們會得到一些非常驚人的結果。在此種情況下，鐵氧體為接地迴路周圍的電流提供一個開路，使得C3/C4比值進一步減小。

結語

任何需要長電纜的應用都可能受到雷擊的損壞。此種損壞的原因可能是雷擊的高電流導致的接地阻抗壓降（接地迴路），還有根據法拉第定律產生的電壓（磁耦合）。在某些應用中，使用保護零組件來引導此種破壞性電流可能不奏效。在這種情況下，直接沿著乙太網路電纜和電路（耦合良好）增加低阻抗短路線匝則可以明顯降低湧浪電流。此種方法僅使用銅和電容，因此不必擔心短路線匝可能產生的高電流。另外，在乙太網路電纜上增加共模扼流圈也可以安全地降低湧浪電流。

參考資料

¹ Alan Rich。「遮罩和防護，如何排除干擾型雜訊——方法及原理：一種理性方。」ADI，1983年。

Niemann, Karl-Heinz。「Ethernet-APL工程指南」，版本1.14 19。2022年9月。

Feynman, Richard P、 Robert B. Leighton和 Matthew Sands。 「費曼物理學講義，第二卷：新千年版：主要涉及電磁學和物質」 Basic Books， 2011年。

Ralph Morrison。接地和遮罩技術，第四版。John Wiley & Sons Publications， 1998年。