MDF保安单元原理及其应用.pdf

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1、MDFMDF 保安单元原理及其应用保安单元原理及其应用第 3 卷第 1 期2004 年 3 月长沙通信职业技术学院JournalofChangsharelecommunicationsandTechnologyV ocationalCollegeVo1.3NO.1Maf.20O4MDF 保安单元原理及其应用谢永东(湖南省康普通信设备有限公司,湖南长沙 410082)摘要文章通过对 MDF 保安单元的原理与其主要元器件的质量分析,阐述了保安单元的的防护机理:通过对总配线架新旧标准的对比分析,结合机房安全对保安单元着火现象进行了初步分析,提出了如何提高 MDF 保安单元的质量,并对MDF 保安单元

2、的整改更换方案进行了总结.【关键词保安单元;失效原理:过电流过电压防护:着火原因分析:整改方案中图分类号TN801文献标识码A文章编号16719581(2004)-01-03906XIEYong-dong(HunanKangpuCommunicationEquipmentCompany,Ltd.Changsha,Hunan,China410082)Abstract:ByanalyzingtheprinciplesofMDFprotectiveunitandthequalityofitsmainparts,thispaperexpoundstheprotectivemechanismofprot

3、ectiveunit.ItanalyzesthecontrastingoldandnewstandardsofMDFandalsotheroasoEkforitsbeingonfireandputsforwardthewaystoimprovethequalityandtheschemestoreestablishit.KeyWords:protectiveunit;invalidprinciple;currentandvoltageprotection;analysisofbeingonfire;reestablishschemes1MDF 行业标准中华人民共和国通信行业标准 YD/r694

4、-200X(以下简称行标)总配线架(maindistributionframe)中的第 3.1 条定义总配线架(MDF)为.夕线侧连接铜芯双绞线市话通信电缆,内线侧连接电信交换或接入设备的用户电路,可通过跳线进行线号分配且具有过电压过电流防护功能及测试端口的配线架.第 3.7 条定义保安单元(protectiveunit):为防止局内设备和操作者人身遭受过电压过电流危害的第一级保护(primaryprotection)装置.第3.9 条定义过电压过电流为:出现在设备上的超过设备本身正常工作范围的外来干扰电压和电流.针对 MDF 总配线架而言过电压过电流指:外线上或外线附近雷击造成的电涌;外线附

5、近的电力【收稿日期】2003-1218【作者简介】谢永东(1968-),男,湖南邵阳人,湖南大学工商管理学院 MBA 硕士,现工作于湖南省康普通信设备有限公司.39长沙通信职业技术学院第 3 卷线或电力装置和铁路电气化系统发生故障时,在外线上感应出的交流电压;外线与 220v 电力线直接相碰.新制订的 YIVl694-200X总配线架针对老标准 YIVr694-99总配线架中存在许多不适应现代电信运维机制的条款,为更好地让 MDF 保安单元起到过电压过电流防护,确保通信局站人员与设备的安全,在保安单元安全防护性能方面做了修改或增加.主要条款如下:1)删除了 Fs 失效告警中的时间要求.2)增加

6、了过电流热稳定性条款,要求保安单元应能承受 110vAC 线阻 160 欧 4 小时实验,保安单元应不起火不变形.3)增加了对地电容测试项目,要求 a,b 线对地电容 200PF(用于 ADSL 线路的保安单元的对地进线 aR1电容至 31PF).4)修改了电力线碰触实验,要求在 l0 欧档电力线碰触时 l 小时被试单元应不着火,尤其应将外线输入端开路或将输入电流限制在 50mA 以下.5)修改了限流元器件动作时间标准,相对原标准动作时间缩短了 l 倍以上.如 I=IA,t 由原标准的1.5s 缩短到 0.4s.2MDF 保安单元的原理根据定义,总配线架的保安单元必须在外线电路或用户端设备遭受

7、过电压过电流危害时动作,起保护作用.防止人身和设备遭受过电压过电流伤害,并且在遭受持续过电压过电流危害时能够发出声光告警信号,以便维护人员迅速排查故障.其工作原理如图 l 所示.R3 出线 a图 1MDF 保安单元原理其中 Rl 和 R2 为线路电阻,其阻值由线长和线径及材料决定.R3 和 R4 为配线架过流保护元件,正温度系数热敏电阻 PTCR.FSI 和 FS2 为保安单元放电管失效保护装置.Kl 和 K2 为 FS1,FS2 联动的放电管失效保护告警开关.Gl 和 G2 为放电管.2.1 防雷击工作原理当线路遭受雷击危害(以峰值电压 4000V,10/200us 试验波形为例)配线架的保

8、安单元过电压保护器件(放电管)能在 us 级响应(气体放电管)或者以 ns 级响应(固定放电管)对地放电.根据行标5.4.7.2 经过保安单元一级防护后,被试保安单元输出端电压水平被控制在 800v 以内.2.2 防电力线感应工作原理当线路遭受电力线感应时,假定线路电阻 Rl,40R2 均为 60O 欧(0.4 电缆按 300km 计算约2km 距离).遭遇的感应电压为 600v 时,感应电流I=帆,I 不会大于 lA,则放电管侧电压峰值一般不会超过 100v.此时,放电管不会动作.如感应电压持续时间达到 0.4s(采用 PTC 作为过流保护器件的保安单元)或 0.005s(采用半导体过流保护

9、装置的新型保护单元)则 R3,R4 动作呈高阻.感应电流同时被限制 mA 级以下.放电管两侧电位立即上升到电力线感应电压 600v 左右.峰值可达到 800 多伏,大大超过了放电管直流击穿电压并将放电管击穿,便感应过电压对地泄放.2.3 防电力线碰触工作原理当线路遭到 220v 电力线碰触危害时,过电流约为 220v/JR1+R3+RS),R5 为局用交换机用户板电第 1 期 MDF 保安单元原理及其应用路中的限流元器件.当 Rl 线路电阻越小,220v 碰触电缆地点与交换机房越近(300g,ckm0.4,200kln0.5).R1 越大 220vAC 碰触电缆地点离交换机房越远.即便 R1

10、仅为几十欧,放电管两侧电位也有可能达不到放电管的直流击穿电压值.当过电流持续时间长达规定值,PrC 动作呈高阻,放电管两侧电位上升到 300 多伏.放电管被击穿,使得过电压对地泄放.2.4 放电管失效保护工作原理由于放电管被击穿,使得过电压对地泄放,放电管放电发热持续一段时间(如 I=2.5A,t<15s),将使 Fs 装置的低熔点元件受热熔化,令 Fs 开关闭合.使过电压经 Fs 开关短路对地泄放,放电流不再流经放电管;与此同时,与 Fs 开关联动的失效保护告警装置 K1,K2 闭合,发光二极管灯亮,并通过 S 信号告警系统发出声光告警信号.3MDF 保安单元应用分析根据以上原理分析,

11、MDF 保安单元主要起过电流过电压防护作用,其主要原器件由放电管,PrC,告警开关装置,金属接插件,塑壳等组成.而作为主要原器件的放电管,PTC 则是保安单元质量好坏的关键.而且前广泛使用的气体放电管与 P1存在以下缺陷.1)气体放电管存在慢性漏气,光敏效应,离散性较大,造成长时间使用后可靠性降低.笔者曾对 5年以上的气体放电管进行了抽测,测试样品 200只,不合格率达到 32%.2)由于 MDF 总配线架向高密度,小型化的发展趋势,迫使保安单元体积减小,气体放电管安装空间越来越小,小管径的气体放电管面临耐流能力的降低给保安单元质量造成隐患.3)旧式熔丝,热线圈,熔丝加热线圈等方式的过流元器件

12、已不符合新的行标,目前大部分在用的Frc 也存在着响应速度与交换机二级防护不匹配的问题.现有多数总配线架保安单元的 PTC 限流动作时间均不能保证快于各种交换机的 PTCR.当过电流过电压危害发生时,交换机二级防护元器件动作,保安单元则形同虚设.造成交换机用户电路的P1C 更易于被损坏.4)除以上情况外.保安单元还存在老化,过电流过电压防护完全失效的现象;无告警输出现象;气体管长时问处于弧光放电状态导致 MDF 总配线架起火现象;塑料壳变形,阻燃剂挥发,阻燃性能下降现象;电容值过大影响 ADSL,ISDN 等数据业务开展;误告警现象等.2003 年 3 月起,省康普通信设备公司着手对湖南省电信

13、公司的 MDF 总配线架运行情况进行摸底测试,全省约有 472 万保安单元需进行更换.其中95 年前投入使用的气体放电管+热线圈式或熔丝的保安单元数量约 182 万,95 年以后到 99 年底的气体放电管+PTC 式的保安单元约有 290 万需进行更换.以湘潭,株洲为例,2003 年 7 月康普公司分别对湘潭市 38 个局点,株洲炎陵,攸县等 34 个局点进行保安单元抽样检测,完全符合要求的局点只有 2O个点即保安单元合格率达到 90%以上及告警系统正常,地线连接正常的局点合格率不到 30%,5 年以上的保安单元不合格率超过了 28%.广东电信 2003 年亦对 MDF 保安单元进行了现场抽测

14、,4712 个抽测样品分布在 7 个本地网 l8个通信局,涉及品牌 l2 个.总体不合格率达到了41%.其中 5 年以上的气体放电管不合格率超过25.8%,5 年以内的气体放电管不合格率仅为 l%;MDF 保安单元动作电压不合格率达到 87.1%(单个局点而言)由此,中国电信集团公司组织全国各省分公司专家对目前在线使用的 MDF 总配线架及保安单元的使用情况进行了调查摸底.仅湖南省电信分公司就存在 95 年前的各类保安单元将近 200 万只.其中还存在部分热线圈,热熔丝等老制式的保安单元仍在线运行给中国电信的正常生产运作带来了较大隐患.仔细研读 Yr6942o0X 新标准,不难发现贯穿整个新标

15、准强调了二个字即安全.这也是近几年随着工作效率提高无人值守机房越来越多,用户质量意识不断加强的结果.这也是几次重大机房火灾教训.迫使原标准进行较大修改.为确保机房人员和设备的安全,杜绝火灾现象,笔者作为湖南省康普通信设备有限责任公司副总经理利用便利的工作条件对湖南省内各种类型的 MDF 保安单元进行了调研分析,并针对 220vAC交流碰触作了大量实验.实验表明,保安单元的质量不仅仅由其主要元器件如放电管,PTC,告警开关装置决定.更重要地是保安单元内部结构优劣,工艺组装的好坏是整个保安单元能否起到过电流过电压防护,杜绝火灾隐患的关键.笔者将保安单元着火现象归纳总结如下:1)由于放电管长期弧光放

16、电发热导致保安单元着火,其主要原因是保安单元中低熔点熔化装置41长沙通信职业技术学院第 3 卷或原材料失效不熔化,或者熔化装置失灵造成放电管无法接地短路,持续击穿放电.形成这种现象的质量原因有可能是:易熔片不熔化;接地簧片变形;设计或工艺组装问题;接地推杆偏差过大或由于毛刺过多阻碍正常接地;弹簧失灵或弹簧推力受阻.导致放电管不能正常傍路,停止弧光放电.2)保安单元弹簧设计结构不合理,铁质弹簧在保安单元失效告警中起推力作用.同时弹簧在电子力学中告诉我们它还是电感.如在电路中存在电流弹簧就会发热,所以弹簧又是热源.笔者经过大量的实验发现款 4O%以下的厂家将弹簧设计成了保安单元对地泄放电路中的通道

17、,这就带来了安全隐患.实验表明,弹簧电阻因材质不同其阻抗也不同.铁质弹簧电抗高,铜质弹簧电抗低.根据热能公式Q=I2Rt,铁质弹簧极易由于热能聚集而导致保安单元着火.且这类实验表明很多 MDF 保安单元均存在这类安全隐患.康普公司经过分析,目前就已全面修改了类式设计避免了此类隐患.3)由于保安单元失效告警后再次击穿导致着火现象也是单元着火的一个原因.由于放电管击穿易熔片熔化接地告警同时,由于持续几秒的放电管击穿弧光放电发热导致塑料件变形,或者由于第二条中弹簧发热再加之弹簧的弹力迫使塑料件发热变形,原对地接触良好的金属件由于变形造成接触不良,导致放电管二次击穿.放电管发热从而造成保安单元着火事故

18、.这类故障多可以提高塑料件的刚性来避免类似现象发生.4MDF 保安单元质量控制办法MDF 保安单元工作原理及电路原理已经是非常成熟的,并被大多厂家灵活运用,只是不同的总配线架由于其结构变化,体积变化,造成 MDF 保安单元的结构,外观也相应有所变化;也有部分厂家由于选用了一些现代高科技集成芯片,其体积与外形发生了较大变化,如三极管集成块保安单元,整体集成芯片式保安单元,自复式保安单元等.针对上述 MDF 保安单元存在的问题,结合笔者的工作经验,提高 MDF 保安单元的质量应做好以下几项工作:4.1 设计质量控制MDF 保安单元工作设计应避免通过弹簧过流,并设计限流装置以达到 YB/F69420

19、0X总配线架中电力线碰触实验要求:在 l0 欧档电力线碰触时 l 小时被试单元应不着火,尤其应将外线输入端42开路或将输入电流限制在 50mA 以下;同时在设计中应平衡缩小单元体积与放电管的泄流能力的关系极其单元失效的可靠告警性能与今后总配线架告警系统的接口问题.4.2 生产质量控制MDF 保安单元的生产质量控制非常关键.配备先进的生产流水线,必备的生产工具,高素质的生产技术人员,完善的工艺流程及作业指导书等是保证 MDF 保安单元按照设计要求生产的重要保证.4-3 质量检测控制配备必备的检测设备是确保保安单元质量的重要一环.笔者曾参观考察了部分江浙一带的 MDF生产厂家,发现很多厂家缺乏必备

20、的检测工具,无法对原材料把关,也更无法保证产品的质量关.要确保产品质量,配备以下工具是 MDF 生产厂家的基本要求:(1)PTC 不动作时间测试仪;(2)lKvus 测试仪;(3)工频耐压试验仪;(4)垂直燃烧测定仪;(5)工频电流试验仪;(6)振动试验仪;(7)电热恒温隔水培养箱;(8)电力线碰撞试验仪;(9)8/20us 一雷击试验台;(10)1o,7o0 雷击试验台;(11)过电流冲击恢复时间试验仪;(12)Fs 失效告警测试仪.4.4 权威检测机构的质量监督制订严格的 MDF 配线架企业标准并接受国家,行业的权威质量检测机构的检测是保安单元质量达到基本质量要求进入市场销售的首要前提.为

21、确保 MDF 保安单元的质量及大规模生产的质量稳定性.一般取得信息产业部入网认证和 ISO90012000 版认证是企业将质量检验改变为质量管理,将质量视为企业生命的理念贯穿到每一个工作中,铭刻到员工心中的强有力保证.5MDF 保安单元整改更换方案为确保局用程控交换机和维护人员的安全,电信网络的正常运行,适时,有计划的逐步更换 MDF保安单元是必要的,科学的举措.97 年以前的保安单元内部结构大多采用金属墙板机械动作的方式或热线圈实现失效及告警功能,其有两点不足:一是使用时间过久后金属墙板弹性变小,失效告警时有可能无法正常接地;二是热线圈与气体放电管的质量可靠性随着时间推移而降低.固体放电管比

22、较气体放电管而言,具备稳定性好,残压低,响应速度快,发热量低等优点,其对比表见表 1.第 1 期 MDF 保安单元原理及其应用表 1 放电管性能比较序号气体放电管半导体放电管l 响应速度为 us 级,比半导体放电管慢一千倍.响应速度为璐级,速度是气体放电管的千分之一.2 一般使用一年,性能即逐步劣化,平均寿命寿命长,理论上在 20 年以上,国内已在使用 3在 T3 年之间.年以上,实测性能无任何变化.3 残压受冲击的电压电流波形影响较大,同时残压在 5V 左右,且稳定不变.又受到时间和冲击次数的影响,且残压较大而且不稳定,一般在 IO100V 之问.4 受强电流冲击失效之后,为开路状态,同时受

23、强电流冲击失效之后,为短路失去保护作用,不经专用仪表测试,不易于状态,能继续起到保护作用,且易发现.于发现.5 直流击穿电压分散性大,一般分散在直流击穿电压虽然规定为 190V-260V,但是实l9oV60V 之间,随着使用时问和冲击次数际上很容易做到正负 10V,且稳定不变,不受任增加击穿电压增加很大,甚至严重超标.何影响.6 直流击穿电压都在 700V 以上,大部分高达冲击击穿电压小于 400V,且稳定不变.800V 以上,且随着使用时间和受冲击次数增加击穿电压增大,甚至超标,且不稳定.7 最小体积为 5.5mm*6mm,此时只能通最小体积为 4mm2mm,此时已承当 10A 的过 2.5

24、A 电流,要承当工频 10A 电流,其电流,所以保安单元体积可以做到很小.直径要增大一倍,所以保安单元体积无法再小.8冲击电流瞬间峰值功率高达l千瓦,内部功冲击电流瞬时峰值功率只有气体放电管的十分耗高达 20 毫焦耳以上.之一,内部功耗只有 0.05 毫焦耳左右.9 极问电容只有 lOpF,但是市话电缆每公里线极问电容小于 200pF,但和 6 万 PF 并联,总电问电容有 6 万 pF,6万 pF 与 lOpF 并联,容只增加了千分之三,在音频和 2B+D 的工作lOpF 可以忽略不计,所以小电容的优点,己频率下,可忽略不计.不起作用.l0 利用其高功耗产生的热量在 2.5A 时熔化低在 2

25、.5A 电流通过时,已导通接地,管子不会损温锡块来告警,不能做到自复,所以维护费坏,电流中断后即能自复,在技术上能实现摇用,维护工作量很大.测告警,自动恢复,所以维护费用很低,维护工作量很小.由于大多不合格的 MDF 保安单元均在线使用,故更换保安单元应极其慎重.根据广东电信更换固体保安单元的经验以及省康普通信设备公司更换保安单元与 MDF 总配线架的整改经验,保安单元更换方案步骤如下:1)局方自查本地网内的各局点,明确需本期更43长沙通信职业技术学院第 3 卷换整改的范围;2)局方选定 MDF 总配线架整改厂商;3)MDF 总配线架厂商派技术人员前往现场查勘.4)MDF 总配线架厂商提供保安

26、单元整改方案,如设计割接方案的应提供详细的割接施工方案;5)局方审批保安单元整改方案,并通知有关用户;6)MDF 总配线架厂商准备相关材料,人员,仪表,工具:7)工程施工8)施工完毕试运行9)工程验收综上所述,提高 MDF 保安单元的可靠性,是配套电信设备供应商应着力解决的问题.但目前 MDF总配线架市场的混乱也是配套电信设备供应商头痛的问题;(1)随着各电信运营商上市,电信运营商将降低成本做为自己的一项重要指标;(2)MDF 保安单元市场的进入门坎较低.这就造成了成百上千家小单位,个人家庭式的作坊产生,大量不合格的产品通过低价格的方式进入了市场;(3)各正规 MDF 保安单元生产商由于各种检测工具,多道组装检验工序,完善的售后服务体系导致成本偏高,价格受到限制,往往缺乏价格比较优势.针对网上保安单元种类繁多,生产厂家鱼龙混杂,为控制这种局面,提升产品质量和适度的降低成本,中国电信集团公司发出通知,要求选取规模大,实力强,产品过硬,售后服务完善的 MDF 保安单元生产厂家作为各省 MDF 保安单元更换合作的伙伴.6 结束语MDF 保安单元是防止人身和设备遭受过电压过电流伤害的重要的防护设备,信息产业部制定的新行标是有效提高保安单元质量,确保电信机房安全的适应现代化电信运行维护体制的新标准.参考文献】【l】李冬根.通信系统防雷的技术管理与实践J.电信商情.雷电与静电,1999.