Schäden durch Blitzüberspannung an Ethernet- und POTS-Ports, die mit der internen Verkabelung verbunden sind

Anmerkung des Herausgebers: Das Papier, auf dem dieser Artikel basiert, wurde ursprünglich auf dem Symposium der IEEE Product Safety Engineering Society 2014 vorgestellt und dort als bestes Symposiumspapier ausgezeichnet. Es wird hier mit Genehmigung aus dem Tagungsband des IEEE Product Safety Engineering Society International Symposium on Product Compliance Engineering 2014 abgedruckt. Copyright 2014 IEEE.

Die traditionelle Sichtweise der Blitzrisiken für drahtgebundene Kommunikationskabel konzentrierte sich auf Kabel, die im Freien verlegt sind, beispielsweise an Telefonmasten oder anderen exponierten Umgebungen. Im Allgemeinen gelten Kabel, die vollständig innerhalb eines Gebäudes verlegt werden, als von Natur aus vor Blitzüberspannungen geschützt.

Blitzschutzingenieure haben immer verstanden, dass diese Ansicht nicht ganz richtig ist. Es gibt bekannte Mechanismen, durch die ein Blitzeinschlag in der Nähe Überspannungen in Innenkabeln hervorrufen kann. Die bekannten Mechanismen kommen jedoch im Allgemeinen nur dann zum Tragen, wenn ein Blitz in ein Objekt in der Nähe des Gebäudes einschlägt, in dem sich die Innenkabel befinden, oder wenn er in die Außenhülle des Gebäudes selbst einschlägt. Solche Ereignisse sind vergleichsweise selten.

In den letzten Jahren wurden höhere als erwartete Überspannungsausfallraten für Ports gemeldet, die mit internen Kabeln verbunden waren. Es ist möglich, dass der offensichtliche Anstieg einfach auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass mehr interne Kabelanschlüsse eingesetzt werden, wodurch die herkömmlichen Überspannungsmechanismen, die schon immer vorhanden waren, deutlicher hervortreten.

Einige Branchenbeobachter vermuten jedoch, dass der scheinbare Anstieg auf Änderungen in der Art und Weise zurückzuführen ist, wie interne Bordnetze miteinander verbunden sind. Durch diese Änderungen könnten neue Überspannungskopplungsmechanismen entstanden sein. Von besonderem Interesse ist die Möglichkeit, dass Überspannungen im Wechselstromnetz irgendwie auf Kommunikationskabel übertragen werden.

Eine der ersten Anwendungen, die auf Überspannungsausfälle an Innenkabeln aufmerksam machte, war der Einsatz optischer Netzwerkterminals (ONTs). Viele Telekommunikationsanbieter haben Systeme eingeführt, die ein Glasfaserkabel verwenden, um Sprach-, Daten- und Videodienste in ein Zuhause oder ein Unternehmen zu bringen. Irgendwo auf oder in der Nähe der Gebäudehülle endet das Glasfaserkabel im ONT. Von dort aus werden metallische Kabelanschlüsse am ONT mit Kabeln verbunden, die vollständig im Gebäude verlegt werden. Zu den typischen Porttypen gehören Ethernet für Datendienste, POTS-Ports (Plain Old Telephone Service) für herkömmliche analoge Telefone und Koaxialkabel für Fernsehdienste.

In einem ONT sind die POTS-Schaltkreise Stromversorgungsschaltkreise, die als Subscriber Line Interface Circuits (oder SLICs) bekannt sind. Diese ermöglichen den Anschluss eines herkömmlichen Telefons an das ONT.

Während in diesem Artikel ONTs als repräsentativer Gerätetyp verwendet werden, ist das Überspannungsproblem nicht auf ONTs beschränkt. Hersteller von VOIP-Telefonsystemen, die sowohl Ethernet als auch POTS unterstützen, haben über ähnliche Probleme berichtet.

Wie oben erwähnt, ist unklar, ob die offensichtliche Zunahme von Überspannungsausfällen einfach auf die zunehmende Verwendung von Innenleitungen oder auf einen anderen Faktor zurückzuführen ist. Beispielsweise könnte eine jährliche Ausfallrate von 1 % bei einem Hersteller, der nur 1.000 Systeme im Einsatz hat, nicht viel Aufmerksamkeit erregen. Es mag nicht übertrieben erscheinen, wenn zehn Systeme pro Jahr einen Blitzschaden erleiden.

Die Situation ändert sich, wenn der Hersteller eine Million Systeme im Feld eingesetzt hat. Jetzt entspricht eine jährliche Ausfallrate von 1 % dem Ausfall von 10.000 Systemen pro Jahr, sodass Blitzausfälle möglicherweise mehr Aufmerksamkeit erregen.

Bei ONTs gibt es mehrere Netzbetreiber, die über mehr als eine Million Systeme im Einsatz haben. Und da ein ONT-Ausfall zu einem Serviceeinsatz zum Austausch der ausgefallenen Einheit führt, sind ONT-Ausfälle für den Netzbetreiber teuer.

Für die meisten Netzbetreiber ist eine Ausfallrate von 1 % inakzeptabel. Tatsächlich halten einige Fluggesellschaften 0,1 % für inakzeptabel. Es ist also möglich, dass die Blitzausfälle, die jetzt Aufmerksamkeit erregen, einfach darauf zurückzuführen sind, dass mehr Systeme den gleichen Kopplungsmechanismen zum Opfer fallen, die schon immer vorhanden waren. Andere Beobachter gehen davon aus, dass die tatsächlichen Ausfallraten aufgrund neuer, unbekannter Überspannungskopplungsmechanismen in letzter Zeit gestiegen sind. In den folgenden Abschnitten werden wir beide Möglichkeiten untersuchen.

Konventionelle Theorie

Referenz [1] beschreibt die drei allgemein akzeptierten Kopplungsmechanismen, durch die Blitzstöße in Kommunikationskabeln auftreten:

Grundsätzlich sind Innenkabel für alle drei oben genannten Mechanismen anfällig, die Bedingungen für die Erzeugung großer Überspannungen in der Innenverkabelung sind jedoch begrenzt. Mechanismus 1 (Fernfeldkopplung) bleibt eine Bedrohung für Innenkabel, da die meisten Gebäudestrukturen vergleichsweise wenig Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung bieten. Holzkonstruktionen bieten fast überhaupt keine Abschirmung, und viele Arten von Stahlrahmenkonstruktionen bieten nur eine begrenzte Abschirmung. Ein 300 Meter langes Kabel, das innerhalb eines Gebäudes verlegt ist, ist dem Mechanismus 1 also fast genauso ausgesetzt wie wenn es außerhalb des Gebäudes verlegt wäre.

Bei Mechanismus 1 ist die Hauptbeschränkung für die Innenverkabelung einfach die Länge des Kabels. Verschiedene Studien zur Blitzinduktion an Außenkabeln [2, 3] haben ergeben, dass bei einem Kabel von 5000 Metern Länge als Reaktion auf Mechanismus 1 typischerweise maximale Überspannungen von etwa 5 kV auftreten. Dies impliziert, dass die maximale Überspannung auf einem 300 Meter langen Kabel betragen würde proportional kleiner, entsprechend nur 300 Volt.

Mechanismus 2 (Ableiterkopplung) stellt weiterhin eine deutliche Bedrohung für Innenkabel dar, jedoch nur unter begrenzten Bedingungen. Dieser Mechanismus erfordert, dass der Blitz direkt in das Gebäude oder das Blitzschutzsystem des Gebäudes einschlägt und dass das Innenkabel über eine gewisse Entfernung in unmittelbarer Nähe eines Ableiters verlegt wird, der den Blitzstrom leitet. Die Ableitung kann entweder ein expliziter Teil des Blitzschutzsystems des Gebäudes oder Teil des Stahlrahmens des Gebäudes sein. Mechanismus 2 kann tatsächlich auftreten, aber die erforderlichen Bedingungen sind so selten, dass sie die im Feld beobachteten Überspannungsausfälle nicht zu erklären scheinen.

Mechanismus 3 (GPR) erfordert, dass Blitzstrom in der Nähe des Gebäudes, in dem sich die Innenkabel befinden, in den Boden eindringt. Die erforderliche Nähe variiert mit einer Vielzahl von Faktoren wie Schlagstrom und Bodenleitfähigkeit [4, 5]. Unter typischen Bedingungen ist die erforderliche Nähe für einen Blitzschlag zur Erzeugung eines großen GPR unter einem Gebäude, dass der Blitzstrom weniger als 100 Meter vom Gebäude entfernt in den Boden eindringt. Darüber hinaus erfordert Mechanismus 3 auch, dass die beiden Enden eines betroffenen Kabels innerhalb des Gebäudes an verschiedene physisch getrennte Erdungsreferenzen angeschlossen sind.

Grundsätzlich sollte das Stromverteilungsnetz in einem Gebäude nur über einen einzigen Erdungsbezug verfügen, der durch einen Erdungsstab in der Nähe des Serviceeingangs für die Wechselstromnetzversorgung hergestellt wird, wie im National Electric Code [6] gefordert. Wenn das Gebäude nur über einen Erdungsbezug verfügt, können die Innenkabel nicht durch GPR beeinträchtigt werden. In der Praxis verfügen einige Geräteinstallationen über mehr als eine Erdungsreferenz, wodurch Bedingungen geschaffen werden, die es einem nahegelegenen Blitzeinschlag ermöglichen würden, Überspannungen über GPR zu induzieren.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass alle drei herkömmlichen Mechanismen tatsächlich eine Bedrohung für Kabel darstellen, die vollständig innerhalb eines Gebäudes verlegt werden, die kombinierte Bedrohung erscheint jedoch nicht zwingend. Es wird erwartet, dass Mechanismus 1 maximale Überspannungen von nur einigen hundert Volt erzeugt, während Mechanismus 2 und Mechanismus 3 sehr spezifische Bedingungen erfordern, die die statistische Wahrscheinlichkeit begrenzen, dass diese Mechanismen schädliche Überspannungen erzeugen.

Ungewöhnliche Merkmale beobachteter Fehler

Die Untersuchung beschädigter ONT-Ports [8, 9] hat zwei ziemlich überraschende Ergebnisse ergeben:

An Innenkabeln gibt es also Hinweise auf Spannungsstöße, die 2 kV übersteigen, und Hinweise auf Stromstöße, die 100 Ampere Spitze bei einer Wellenform von 2/10 Mikrosekunden überschreiten. Da sich die Verkabelungskonfiguration von Ethernet von der Verkabelungskonfiguration für POTS unterscheidet, kann nicht davon ausgegangen werden, dass die gleiche Art von Überspannung beide Porttypen betrifft. Mit anderen Worten: Es kann nicht davon ausgegangen werden, dass beide Porttypen Blitzüberspannungen mit Leerlaufspannungen über 2 kV und Kurzschlussströmen über 100 Ampere ausgesetzt sind.

Da Ethernet-Ports beispielsweise über eine Isolationsbarriere verfügen, die im Allgemeinen verhindert, dass Stoßströme zur Erde fließen, fließt nur sehr wenig Strom, sofern die Isolationsbarriere nicht durchbricht. Sobald die Barriere durchbricht, ist nur noch eine geringe Strommenge erforderlich, um den Ethernet-Transceiver-Chip zu beschädigen. Theoretisch könnte also eine Stoßwellenform mit 3 kV Leerlaufspannung und nur 5 Ampere Kurzschlussstrom einen typischen Ethernet-Port beschädigen.

Für einen POTS-Port gilt die umgekehrte Situation. Diese Anschlüsse sind in der Regel erdbezogen und dienen der Stromquelle und -senke. Überstromschutzvorrichtungen, die normalerweise in ONTs verwendet werden, überstehen Blitzströme von 100 Ampere für eine Wellenform von 2/10 Mikrosekunden und halten die Spannung auf weniger als 100 Volt. Theoretisch könnte also eine Überspannungswellenform mit einer Leerlaufspannung von nur 300 Volt und einem Kurzschlussstrom von 200 Ampere einen typischen POTS-Anschluss beschädigen.

Es ist erwähnenswert, dass Anbieter, die die Überspannungstoleranz ihrer Ethernet- und POTS-Ports erhöht haben, eine deutliche Reduzierung der Feldausfallraten verzeichnen konnten. Die Erhöhung der Ethernet-Isolationsbarriere, um 6-kV-Gleichtaktüberspannungen standzuhalten, scheint sehr hilfreich zu sein. Ebenso hat sich die Erhöhung der Überspannungstoleranz des POTS-Ports auf 500 Ampere für eine 2/10-Stromwellenform als sehr hilfreich erwiesen. Ob diese Toleranzgrenzen tatsächlich zur Beherrschung von Feldausfällen erforderlich sind, ist derzeit nicht bekannt, sie scheinen jedoch ausreichend zu sein.

Zusammenfassend lässt sich mit Sicherheit nur sagen, dass an Ethernet-Ports Leerlauf-Spannungsspitzen zwischen 2 kV und 6 kV auftreten und an POTS-Ports Kurzschluss-Spannungsströme zwischen 100 und 500 Ampere (unter der Annahme eines 2/10). Mikrosekunden-Stromwellenform). Die genaue Verteilung der Überspannungen innerhalb dieser Bereiche ist derzeit nicht bekannt.

Beide Bereiche überschreiten das, was normalerweise für alle, mit Ausnahme sehr seltener, Ereignisse zu erwarten wäre, die durch die im vorherigen Abschnitt beschriebenen herkömmlichen Mechanismen verursacht werden.

Mögliche Mechanismen für beobachtete Fehler

Angesichts der hohen Leerlaufspannungen und Kurzschlussströme in Kombination mit der scheinbar hohen Häufigkeit des Auftretens haben einige Beobachter vermutet, dass möglicherweise andere Kopplungsmechanismen am Werk sind. Solche Mechanismen könnten zusätzlich zu den drei oben beschriebenen herkömmlichen Mechanismen wirken.

Eine nahegelegene Quelle ausreichender Spannung und Strom ist das Wechselstromnetz. Blitzstöße, die an einer typischen Wechselstrom-Netzsteckdose auftreten, können mit Leerlaufspannungen von 6 kV und Kurzschlussströmen von 3 kA recht groß sein [7]. Darüber hinaus bietet das Wechselstromnetz einen Weg, über den Blitzstöße leitend in das Innere eines Gebäudes transportiert werden können. Möglicherweise gibt es einige nicht offensichtliche Mechanismen, die es ermöglichen, dass Überspannungen im Wechselstromnetz auf interne Kommunikationskabel übertragen werden.

Überspannungen im Wechselstromnetz gelten als mögliche Quelle, da sie über die erforderliche Überspannungsenergie verfügen und sich in unmittelbarer Nähe der internen Kommunikationskabel befinden. Vor diesem Hintergrund wurden verschiedene Theorien vorgeschlagen, um zu erklären, wie Überspannungen im Wechselstromnetz leitend in die Innenverkabelung für Ethernet und POTS eingekoppelt werden könnten:

Die erste Theorie ist zumindest als Arbeitstheorie leicht zu verstehen. Die meisten Arten von Kundengeräten, die an Ethernet- und POTS-Ports angeschlossen sind, verfügen auch über eigene Wechselstrom-Netzanschlüsse. Beispiele wären Computer und Router, die an Ethernet-Ports angeschlossen sind, sowie Basisstationen für schnurlose Telefone, die an POTS-Ports angeschlossen sind. Bei dieser Theorie geht es vor allem um die Frage, wie hoch die Wahrscheinlichkeit eines Isolationsdurchbruchs vom Wechselstrom-Netzanschluss zum Ethernet- oder POTS-Anschluss ist.

Die zweite Theorie (kapazitive Kopplung) erfordert keinen Isolationsdurchbruch in der Wechselstromversorgung, diese Theorie gilt jedoch nur für Ethernet-Ausfälle. Fast alle Wechselstromnetzteile haben eine kleine, aber endliche Kapazität zwischen dem Wechselstromnetz und dem isolierten Ausgang des Netzteils. Überspannungen mit schnellen Anstiegszeiten im Wechselstromnetz können eine gewisse Energiemenge über diese Kapazität einkoppeln. Da Ethernet-Ports normalerweise über eine eigene Isolationsbarriere verfügen, wird die Ethernet-Isolationsbarriere in Reihe mit der endlichen Kapazität innerhalb der Wechselstromversorgung geschaltet. Dadurch entsteht ein Spannungsteiler, bei dem ein Teil der Überspannung im Wechselstromnetz direkt über die Ethernet-Isolationsbarriere hinweg auftritt.

Diese Theorie kann nicht zur Erklärung von POTS-Ausfällen herangezogen werden. POTS-Ports sind erdbezogen und verfügen normalerweise über einen Überspannungsschutz vom Kabel zur Erde, sodass an diesen Ports im Allgemeinen keine hohen Überspannungen entstehen können. Um einen POTS-Port zu beschädigen, muss ein übermäßiger Strom durch den Port fließen. Die geringe Kapazität über der Isolationsbarriere in einem Wechselstromnetzteil reicht nicht aus, um ausreichend Strom zu koppeln und einen typischen POTS-Anschluss zu beschädigen.

Die dritte Theorie (Wechselwirkungen mit vom Kunden installierten Überspannungsschutzgeräten) ist am komplexesten zu analysieren, bietet jedoch einige interessante Möglichkeiten. In den folgenden Abschnitten wird jede der drei Theorien ausführlicher besprochen.

Theorie 1: Isolationsausfall

Abbildung 1 zeigt eine repräsentative Konfiguration eines ONT mit einem Ethernet-Port, der mit einem Router verbunden ist, und einem POTS-Port, der mit einer Basisstation für schnurlose Telefone verbunden ist. Die Netzteile für den Router und die Telefon-Basisstation sind Wandgeräte mit einem zweipoligen Wechselstrom-Netzstecker, sodass diese beiden Geräte keine explizite Verbindung zur Erde haben. Allerdings sind das ONT-Netzteil und seine internen Schaltkreise normalerweise geerdet. Eine ausreichend große Überspannung an den Wechselstrom-Netzeingängen des Routers oder Telefons könnte zu einem katastrophalen Zusammenbruch der Isolationsbarrieren führen, die zwischen diesen Wechselstrom-Netzeingängen und der Erdung am ONT liegen.

Abbildung 1: Ethernet-Router und Basisstation für schnurlose Telefone, verbunden mit ONT

Beachten Sie bei der in Abbildung 1 gezeigten Ethernet-Verbindung, dass der Überspannungspfad durch das Ethernet-Kabel drei in Reihe geschaltete Isolationsbarrieren überwinden müsste (Barriere 1, Barriere 2 und Barriere 3). Ein Surge-to-Failure-Test an einer Zufallsstichprobe von Verbrauchergeräten lässt darauf schließen, dass Barriere 1 typischerweise eine Überspannungsfestigkeit von mindestens 9 kV aufweist, während Barrieren 2 und 3 typischerweise eine Überspannungsfestigkeit von mindestens 2 kV aufweisen. Es scheint also, dass ein katastrophaler Ausfall aller drei in Reihe geschalteten Barrieren eine Stoßspannung von mehr als (9 kV + 2 kV + 2 kV) = 13 kV erfordern würde. Solche Überspannungen können an Wechselstrom-Netzanschlüssen auftreten, sind aber statistisch gesehen selten.

Anhand der POTS-Verbindung in Abbildung 1 ist ersichtlich, dass sich zwischen dem Wechselstrom-Netzanschluss und der Erdungsreferenz im ONT nur eine Isolationsbarriere (Barriere 4) befindet.

Da Barriere 4 typischerweise eine Überspannungsfestigkeit von mindestens 9 kV aufweist, besteht bei Überspannungen über 9 kV die Gefahr eines katastrophalen Durchschlags durch den POTS-Anschluss am ONT zur Erde. Dieser Wert liegt im Bereich dessen, was an einem Wechselstrom-Netzanschluss auftreten könnte, wäre aber statistisch gesehen sehr selten.

Die obige Analyse basiert auf der Annahme, dass die AC-Netzstromversorgungsbarrieren 1 und 4 Durchschlagpegel aufweisen, die „typischerweise 9 kV überschreiten“, wie durch Tests an einer Stichprobe von Verbrauchergeräten ermittelt wurde. Diese Feststellung wird durch die Tatsache gestützt, dass Barrieren für Wechselstromnetze der Einhaltung von Sicherheitsvorschriften wie UL 60950-1 [10] unterliegen, die die Isolationsbarriere streng spezifizieren.

Zu den Konstruktionsanforderungen an die AC-Netztrennbarriere gehören die Kriechstrecke, die Luftstrecke und der Abstand durch feste Isolierung. Einige der Anforderungen sind für ein 120-Vrms-Netzteil geringer als für ein 240-Vrms-Netzteil, aber die meisten derzeit in den USA verkauften Netzteile sind für beide Eingangsspannungen ausgelegt.

Bei einer Versorgung, die [10] entspricht und für einen Eingang von 120 bis 240 VRMS ausgelegt ist, liegen die Kriechstrecke und Luftstrecke der Isolationsbarriere im Bereich von 4 mm, der Abstand durch die feste Isolierung wird 0,4 mm überschreiten und der Produktions-Hipot Der Test beträgt 3000 VRMS (4242 Volt Spitze). In der Praxis haben Netzteile, die so ausgelegt sind, dass sie die Konstruktionsanforderungen in [10] erfüllen, typischerweise tatsächliche Überspannungsdurchschlagsschwellenwerte über 9 kV.

Interessanterweise wiesen einige im Internet gekaufte generische Ersatznetzteile Ausfallwerte von nur 3 kV auf. Eine interne Untersuchung ergab, dass die Isolationsbarrieren in diesen Lieferungen nicht den Anforderungen von [10] entsprachen. Diese nicht konformen Lieferungen hatten keine Sicherheitskennzeichnungen von unabhängigen Labors, obwohl sie über die CE-Kennzeichnung für die Selbsterklärung des Herstellers in Europa verfügten.

Derzeit gibt es keine Hinweise darauf, dass namhafte Hersteller von Routern und Schnurlostelefonen nicht konforme Netzteile verwenden. Daher wurde für die Zwecke der vorliegenden Analyse eine minimale Durchbruchschwelle von 9 kV für Netzteile zur Wandmontage festgelegt. Es ist jedoch zu beachten, dass einige auf dem Markt erhältliche Netzteile niedrigere Ausfallschwellen haben.

Für die Ethernet-Isolationsbarrieren, bei denen festgestellt wurde, dass sie eine Überspannungstoleranz haben, die „typischerweise 2 kV übersteigt“, erscheint diese Feststellung vernünftig, wenn man bedenkt, dass der Ethernet-Standard IEEE 802.3 [11] eine Isolationsbarriere mit einer Nennleistung von 1500 VRMS erfordert, was einer Spitzenspannung von 2121 Volt entspricht . Beachten Sie, dass es sich bei [11] lediglich um einen Industriestandard und nicht um einen Regulierungsstandard handelt, sodass es keine formelle Durchsetzung dieser Anforderung gibt. Allerdings sind praktisch alle im Handel erhältlichen Ethernet-Transformatoren von ihren Herstellern mit einer Isolierung von 1500 VRMS ausgestattet.

Die meisten Ethernet-Schnittstellen enthalten außerdem einen Kondensator, der die Isolationsbarriere überbrückt. Dieser Kondensator ist Gegenstand des folgenden Abschnitts und wird dort ausführlicher besprochen.

Zusammenfassend scheint das katastrophale Versagen der Isolationsbarrieren in Abbildung 1 ein unwahrscheinlicher Kandidat für die Erklärung der hier diskutierten ungewöhnlichen Überspannungsausfälle zu sein. Dies gilt insbesondere für Ethernet-Ports, da bei einem katastrophalen Ausfall wahrscheinlich Überspannungen von mehr als 13 kV erforderlich wären. Selbst für POTS-Anschlüsse würde der erforderliche Überspannungspegel wahrscheinlich 9 kV überschreiten.

Theorie 2: Kapazitive Kopplung durch die Wechselstromversorgung

Abbildung 2 zeigt eine repräsentative Konfiguration eines ONT mit einem Ethernet-Port, der mit einem Router verbunden ist. In diesem Fall wird die Kapazität über jeder der drei aufeinanderfolgenden Isolationsbarrieren explizit durch die Kondensatoren C1, C2 und C3 dargestellt.

Abbildung 2: Kapazitiver Kopplungspfad durch Ethernet-Router

Es ist wichtig zu verstehen, dass es sich hierbei nicht nur um parasitäre Kapazitäten aufgrund von Parametern wie der Wicklungskapazität in den Transformatoren handelt. Vielmehr handelt es sich bei jedem Kondensator um einen physischen Hochspannungskondensator, der vom Schaltungsentwickler absichtlich über der Isolationsbarriere platziert wurde.

Der Kondensator C1 kommt in fast allen Schaltnetzteilen vor und hat einen typischen Wert von 2200 pF. Sein Zweck besteht darin, leitungsgebundene Emissionen im Wechselstromnetz zu kontrollieren. Der Maximalwert von C1 wird durch Sicherheitsanforderungen bezüglich des Berührungsstroms am isolierten Ausgang des Netzteils begrenzt [10]. In manchen Fällen kann C1 größer als 2200 pF sein.

Beachten Sie, dass der Kondensator C1 in einer linearen Stromversorgung, die einen 60-Hz-Abwärtstransformator mit einem Linearregler kombiniert, nicht erforderlich ist, da kein Schaltrauschen gemindert werden muss. In einer linearen Versorgung ist die durch C1 dargestellte Kapazität lediglich die parasitäre Wicklungskapazität des 60-Hz-Transformators. Typische Werte für diese parasitäre Kapazität liegen im Bereich von 100 pF.

Bis vor ein paar Jahren nutzten die meisten kleinen Ethernet-Router eine an der Wand montierte lineare Stromversorgung zur Stromversorgung. Aufgrund steigender regulatorischer Anforderungen an die Energieeffizienz wurden wandmontierte lineare Netzteile größtenteils zugunsten wandmontierter Schaltnetzteile verdrängt. Das Vorhandensein eines expliziten Kondensators C1 im Netzteil für kleine Ethernet-Router ist also eine neue Änderung. Wie man sehen wird, hat der Wert von C1 einen Einfluss auf die Überspannungen, die vom Wechselstromnetz an die Ethernet-Ports des Routers und des ONT gekoppelt werden.

Die Kondensatoren C2 und C3 werden in den meisten Ethernet-Ports verwendet, um Gleichtaktemissionen zu reduzieren und die Anfälligkeit für leitungsgebundene HF zu verringern. Ein typischer Wert ist 1000 pF.

Unter Verwendung typischer Werte von 2200 pF für C1 und 1000 pF für C2 und C3 stellen wir fest, dass bei einer Überspannung zwischen dem AC-Netzeingang des Routers und der ONT-Erde etwa 18 % der Überspannung an C1, 41 % an C2 usw. auftreten 41 % in C3. Beachten Sie, dass eine Verringerung der Kapazität von C2 und C3 den Prozentsatz der an ihnen auftretenden Stoßspannung erhöht. Durch Erhöhen der Kapazität von C1 erhöht sich auch die Spannung zwischen C2 und C3.

Typischerweise ist der Kondensator C1 ein robuster Hochspannungskondensator, da er eine Sicherheitsisolationsbarriere überbrückt und bei der Sicherheitsbewertung der Wechselstromversorgung einer sorgfältigen Prüfung unterliegt. Aufgrund seiner Klassifizierung in [12] als Bauteil, das zur Überbrückung einer Sicherheitsisolationsbarriere zugelassen ist, wird es sich um einen sogenannten „Y1“-Kondensator handeln. Y1-Kondensatoren für Netze mit 240 Veff sind für mehrere 8-kV-Überspannungen ausgelegt. Ihre tatsächliche Ausfallschwelle liegt meist deutlich höher.

Andererseits sind die Kondensatoren C2 und C3 normalerweise keine sicherheitsbewerteten Kondensatoren, da die Isolationsbarriere in einem Ethernet-Port im Allgemeinen nicht als Sicherheitsisolationsbarriere angesehen wird. Für die meisten Anwendungen werden Ethernet-Kabel für den Innenbereich gemäß [10] als SELV-Stromkreise klassifiziert. Damit gehören sie zur gleichen Klasse wie die internen Schaltkreise, mit denen sie in den meisten Computern und Routern verbunden sind, sodass gemäß [10] keine Form der Sicherheitsisolierung erforderlich ist.

In einem ordnungsgemäß konzipierten Ethernet-Port, der IEEE 802.3 entspricht, sind diese Kondensatoren und der zugehörige Ethernet-Transformator jedoch dafür ausgelegt, einen Hochspannungstest mit 1500 VRMS AC oder 2250 VDC zu überstehen, da dieser Isolationsgrad in IEEE 802.3 festgelegt ist. Es wird allgemein angenommen, dass die Isolationsanforderung in IEEE 802.3 ihren Ursprung in einer funktionalen Anforderung hat, die eine robuste Immunität gegenüber Gleichtaktstörungen bieten soll. Die tatsächlichen Ursprünge dieser Anforderung sind jedoch unklar.

Für die vorliegende Analyse ist es wichtig zu verstehen, dass C2 und C3 normalerweise nicht als sicherheitsbewertete Kondensatoren behandelt werden und nicht von Sicherheitsbehörden überprüft werden. Darüber hinaus handelt es sich bei der Isolationsanforderung in IEEE 802.3 nur um eine funktionale Anforderung, die in einem freiwilligen Industriestandard enthalten ist. Daher gibt es keine Regulierungsbehörden, die sich mit diesen Kondensatoren befassen, und es besteht für Entwicklungsingenieure kaum ein Anreiz, diesen Kondensatoren große Aufmerksamkeit zu schenken. Die meisten Hersteller führen nicht einmal den IEEE 802.3-HiPot-Test durch, um zu bestätigen, dass ihr Design die 802.3-Isolationsanforderungen erfüllt.

Daher werden C2 und C3 normalerweise von einzelnen Designern ausgewählt, die möglicherweise nicht an Hipot-Tests und Stoßtoleranz denken. In den meisten Produktdesigns handelt es sich bei den für C2 und C3 verwendeten Kondensatoren um kleine oberflächenmontierte Komponenten mit Spannungsnennwerten, die es ihnen ermöglichen, die Isolationstests nach IEEE 802.3 gerade noch zu bestehen.

Dies macht C2 und C3 zu wahrscheinlichen Kandidaten für einen Isolationsdurchbruch, wenn höhere als erwartete Spannungsspitzen auftreten. Stoßenergie kann kapazitiv über C1 eingekoppelt werden, der aufgrund seiner robusten Konstruktion als sicherheitsbewerteter Kondensator normalerweise keinen Schaden erleidet. C2 und C3 sind anfälliger, weil sie weniger robust sind und häufig niedrigere Kapazitätswerte als C1 haben. Diese niedrigeren Kapazitätswerte führen dazu, dass C1 und C2 einen größeren Anteil der gesamten Stoßspannung erfahren.

Bei der Untersuchung von Ethernet-Ports, bei denen es vor Ort zu einem Isolationsausfall kam, wird häufig ein beschädigter Kondensator und kein Schaden am zugehörigen Transformator festgestellt.

Theorie 3: Unbeabsichtigte Interaktionen mit vom Kunden installierten Überspannungsschutzgeräten

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie Überspannungsschutzgeräte unbeabsichtigt Überspannungen an Ethernet- und POTS-Ports erzeugen können. Aufgrund der Vielfalt der möglichen Installationskonfigurationen beim Kunden ist die Vielfalt der möglichen Mechanismen recht groß und kann hier nicht alle besprochen werden. Die folgende Diskussion konzentriert sich auf nur zwei mögliche Mechanismen:

Abbildung 3 ist ein Foto mehrerer repräsentativer „Kombinations-Überspannungsschutzgeräte“. Jedes dieser Geräte kombiniert Überspannungsschutzschaltungen für vier Porttypen: Wechselstromnetz, Ethernet, POTS und Koax. Gängige Varianten des kombinierten Überspannungsschutzes lassen einen oder mehrere der vier Porttypen weg, aber die individuellen Schutzschemata, die für jeden der verbleibenden Porttypen verwendet werden, ähneln den hier beschriebenen Schaltkreisen.

Abbildung 3: Kombi-Überspannungsschutz

Abbildung 4 zeigt ein sehr vereinfachtes Schema der internen Schaltung in einem kombinierten Überspannungsschutz. Es ist wichtig zu verstehen, dass zwar mehrere Überspannungsschutzkomponenten an Mehrleiter-Ports wie Ethernet und POTS verwendet werden, das Diagramm in Abbildung 4 diese jedoch als einzelnes Gerät an jedem Porttyp darstellt. Diese Vereinfachung wurde vorgenommen, damit sich die Diskussion auf Gleichtaktstöße konzentrieren kann.

Abbildung 4: Haushaltsschaltplan mit installiertem Kombinations-Überspannungsschutz

Die üblicherweise zum Schutz einer Wechselstromsteckdose verwendeten Überspannungsschutzkomponenten sind Metalloxid-Varistoren (MOVs) mit Schwellenspannungen von etwa 400 Volt. Ebenso werden MOVs am häufigsten an POTS-Ports verwendet, obwohl die Schwellenspannungen typischerweise im Bereich von 300 Volt liegen. Die am häufigsten für den Ethernet-Schutz verwendeten Komponenten sind TVS-Dioden mit Schwellenwerten von etwa 70 Volt, typischerweise in Kombination mit einem Satz Steuerdioden, die es einer einzelnen TVS-Diode ermöglichen, alle vier Paare im Ethernet-Kabel zu schützen. Für den Koaxialschutz verwenden die meisten Überspannungsschutzgeräte Gasentladungsröhren (GDTs) mit Schwellenspannungen von etwa 100 Volt.

Der Schaltkreis des kombinierten Überspannungsschutzes in Abbildung 4 bietet die Möglichkeit, dass eine Überspannung im Wechselstromnetz leitend an alle anderen Anschlusstypen weitergeleitet wird, die der Überspannungsschutz schützen soll. Bei jedem Überspannungsschutz, der einen geschützten Wechselstrom-Netzanschluss mit einem anderen Anschlusstyp kombiniert, besteht dieses Risiko.

Das einfachste Kopplungsrisiko entsteht, wenn aus irgendeinem Grund der vom Überspannungsschutz verwendete Erdungsanschluss offen bleibt. Da der Überspannungsschutz von Abbildung 4 absichtlich alle Ports durch vergleichsweise niedrige Spannungsschutzkomponenten miteinander verbindet, ist das Einzige, was verhindert, dass Überspannungen an einem Port an allen anderen Ports auftreten, eine zuverlässige Verbindung zur Erde.

Dies lässt sich leicht veranschaulichen, indem man sich vorstellt, dass die Verbindung zur Erde am Punkt A in Abbildung 4 offen ist. Wenn Punkt A geöffnet ist, werden Überspannungen, die am Wechselstrom-Netzanschluss auftreten, nicht über Punkt A zur Erde abgeleitet. Der nächstbeste Weg zur Erde führt über einen oder mehrere der geschützten Anschlüsse, die mit dem ONT verbunden sind.

Der entscheidende Punkt hierbei ist, dass Blitzstöße immer den Weg zur Erde mit der niedrigsten Impedanz suchen. Die ordnungsgemäße Funktion von Überspannungsschutzgeräten wie dem in Abbildung 4 hängt vollständig davon ab, dass über ihren Erdungsanschluss an der Wechselstromsteckdose ein Pfad mit niedriger Impedanz zur Erde vorhanden ist. Wenn diese Erdung aus irgendeinem Grund unzuverlässig wird, suchen sich Stoßströme den nächstbesten Weg zur Erde. Dieser Weg könnte über ein Gerät führen, das der Überspannungsschutz schützen sollte. Das Ironische daran ist, dass es schlimmer sein kann, einen kombinierten Überspannungsschutz mit einer unzuverlässigen Erdung zu haben, als überhaupt keinen Schutz zu haben.

Es ist zwar leicht zu erkennen, wie eine fehlende Erdung an einem kombinierten Überspannungsschutz Überspannungen vom Wechselstromnetz direkt auf jeden anderen Anschluss leiten würde, es erscheint jedoch unwahrscheinlich, dass dieser Mechanismus die Anzahl der Überspannungsausfälle erklären könnte, die in der Praxis aufgetreten sind. Schließlich werden die meisten Überspannungsschutzgeräte ordnungsgemäß an eine Wechselstromsteckdose angeschlossen, die einen Stecker mit Erdungsstift akzeptiert, und bei den meisten Steckdosen ist diese Erdung zuverlässig mit dem Erdungsstab am Netzeingang für das Wechselstromnetz verbunden. Ausnahmen kommen durchaus vor, sind aber vermutlich nicht weit verbreitet.

Schäden, die bei einem fehlenden Erdungsanschluss am Überspannungsschutz auftreten können, können jedoch auch dann auftreten, wenn die Erdung ordnungsgemäß mit dem Erdungsstab am Hauseingang verbunden ist. Der Grund dafür liegt in der Induktivität des Erdungskabels.

Ein einzelner Draht hat eine kleine, aber endliche Induktivität, typischerweise im Bereich von 2 Mikrohenry pro Meter. Ein 50 Meter langes Erdungskabel, das einen Überspannungsschutz mit dem Erdungsstab verbindet, hat also eine Induktivität von etwa 100 Mikrohenry.

Im Fall des Erdungskabels einer Wechselstromsteckdose wäre eine Länge von 50 Metern nicht ungewöhnlich. Die mit Wechselstrom-Netzsteckdosen in einem Gebäude verbundenen Erdungskabel sind normalerweise sternförmig verkabelt und beginnen an der Schalttafel am Wechselstrom-Netzeingang. Der zentrale Erdungsknoten in der Schalttafel ist wiederum über einen normalerweise recht kurzen Draht mit einem Erdungsstab verbunden.

Während also der zentrale Erdungsknoten in der Schalttafel als niederohmige Erdung betrachtet werden kann, lässt sich das Gleiche nicht über die Erdung an einer bestimmten Steckdose sagen.

Bei Wechselstromfrequenzen von 50/60 Hz erzeugt eine Induktivität von 100 Mikrohenry eine vernachlässigbare Impedanz. Bei einer schnell ansteigenden Stoßwellenform kann dieselbe Induktivität jedoch eine sehr hohe Impedanz erzeugen. Um zu verstehen, wie dies geschieht, erinnern Sie sich daran, dass die Spannung V an einer Induktivität L durch den folgenden Ausdruck dargestellt wird, wobei di/dt die Änderungsrate des Stroms in der Induktivität darstellt:

V = L(di/dt)

Ein repräsentativer Blitzstoß im Wechselstromnetz könnte eine Kurzschlussstromwellenform von 500 Ampere Spitze mit einer Anstiegszeit von 8 Mikrosekunden haben [7]. Wenn man diese Werte auf einen 100-Mikrohenry-Induktor anwendet, ergibt sich eine berechnete Spannung von 6,25 kV.

Diese Berechnung vereinfacht die Situation für eine Stoßwellenform mit exponentieller Anstiegszeit zu stark, das Grundprinzip bleibt jedoch gültig. Große Stoßströme mit schnellen Anstiegszeiten können auf einem langen Erdungskabel Spannungsabfälle von mehreren tausend Volt erzeugen.

Zurück zu Abbildung 4: Überlegen Sie, was passiert, wenn an der Netzsteckdose ein Blitzschlag auftritt. Die Schutzkomponenten P1 und/oder P2 werden bei nominell 400 Volt eingeschaltet und der Stoßstrom versucht, durch das Erdungskabel der Wechselstromsteckdose zurück zur Schalttafel zu fließen. Wenn sich über die Länge des Erdungskabels ein Spannungsabfall von 6 kV entwickelt (dargestellt durch L-GND in Abb. 4), steigt der gesamte Erdungsreferenzknoten innerhalb des Überspannungsschutzes auf ein momentanes Potenzial von 6 kV über der Erde.

Dadurch wird das Überspannungsschutzende jedes angeschlossenen Kabels (Wechselstromnetz, Ethernet, POTS und Koaxialkabel) auf einen Momentanwert von 6 kV über der Erde angehoben. An diesem Punkt können Stoßströme, von denen normalerweise erwartet wird, dass sie über den Erdungsanschluss austreten, über die angeschlossenen Kabel andere, attraktivere Wege zur Erde finden.

Der entscheidende Punkt hierbei ist, dass ein hoher Stromstoß mit schneller Anstiegszeit im Wechselstromnetz mit der Induktivität des Erdungskabels interagieren kann, um einen Hochspannungs-Gleichtaktstoß an jedem Kabel zu erzeugen, das an den Überspannungsschutz angeschlossen ist. In gewisser Weise nimmt der Überspannungsschutz eine Überspannung im Wechselstromnetz auf und „überträgt“ sie an jedes Kabel, das an den Überspannungsschutz angeschlossen ist. Dies geschieht, obwohl der Überspannungsschutz korrekt installiert wurde und das Erdungskabel der Netzsteckdose ordnungsgemäß angeschlossen ist.

Ein interessanter Aspekt dieses Überspannungsmechanismus besteht darin, dass die zusammen mit dem Überspannungsschutz befindlichen Geräte normalerweise nicht durch die Überspannung beschädigt werden, da der Überspannungsschutz und alle zusammen platzierten Geräte ungefähr den gleichen Spannungspotentialanstieg in Bezug auf die Erde aufweisen. Schäden treten an den Geräten auf, die an das andere Ende des Kabels angeschlossen sind, über das der Stoßstrom geflossen ist. Wenn also der Stoßstrom über einen Ethernet-Port oder POTS-Port an einem ONT einen Weg zur Erde findet, wird dadurch nur der Port am ONT beschädigt. Für den Kunden schien es, dass das ONT ein isoliertes Problem hatte, das nichts mit irgendeinem anderen Teil der Installation des Kunden zu tun hatte.

Referenz [13] enthält eine hervorragende Beschreibung der Risiken, die durch die unsachgemäße Verwendung von Überspannungsschutzgeräten entstehen. Grundsätzlich können diese Risiken durch eine sorgfältige Analyse der miteinander verbundenen Geräte und der Erdung innerhalb des Gebäudes gemindert werden. Basierend auf den Erkenntnissen dieser Analyse werden Überspannungsschutzgeräte an strategischen Punkten im Gebäude angebracht.

Leider verfügen die meisten Benutzer nicht über die technische Qualifikation, die erforderliche Analyse durchzuführen. Die meisten Anwender kaufen einfach einen Überspannungsschutz und installieren ihn in der Nähe der Geräte, die sie schützen möchten. Sie sind sich möglicherweise nicht darüber im Klaren, dass dies zur Folge hat, dass Stoßströme auf andere Geräte an anderer Stelle im Gebäude geleitet werden.

Zusammenfassung

In den letzten Jahren kam es bei vielen Anbietern von Telekommunikationsgeräten unerwartet häufig zu Schäden durch Blitzstöße an Ethernet- und POTS-Ports, die nur mit der internen Verkabelung verbunden sind. Der daraus resultierende physische Schaden weist darauf hin, dass an Ethernet-Ports Stoßspannungen von mehr als 2 kV und an POTS-Ports Stoßströme von mehr als 100 Ampere (bei einer angenommenen Stromwellenform von 2/10 Mikrosekunden) auftreten. Diese Werte lassen sich nicht einfach mit herkömmlichen Annahmen darüber erklären, wie sich Blitzstöße auf Kabel übertragen, die vollständig innerhalb eines Gebäudes verlaufen.

Während mindestens einer der bekannten konventionellen Mechanismen (GPR) in der Lage ist, solch große Überspannungen zu erzeugen, sind die erforderlichen Bedingungen vergleichsweise selten. Es scheint, dass noch andere Mechanismen am Werk sind.

Branchenexperten haben verschiedene Theorien für alternative Mechanismen aufgestellt. Drei dieser Theorien wurden ausführlich diskutiert. Alle drei Theorien basieren auf der Annahme, dass Überspannungen im Wechselstromnetz irgendwie in Ethernet- und POTS-Kabel eingekoppelt werden.

Die Analyse legt nahe, dass die erste dieser Theorien unwahrscheinlich erscheint und die zweite Theorie, obwohl sie durchaus plausibel ist, nur zur Erklärung von Fehlern verwendet werden kann, die auf eine Isolationsstörung in einem Ethernet-Port zurückzuführen sind. Diese Theorie erklärt keine POTS-Fehler.

Eine dritte Theorie konzentriert sich auf unbeabsichtigte Nebenwirkungen von vom Kunden installierten Überspannungsschutzgeräten. Solche Geräte sind in den letzten Jahren immer häufiger geworden. Die dritte Theorie kann zu Schäden führen, die den beobachteten Ausfällen an Ethernet- und POTS-Ports entsprechen.

Ein nützlicher nächster Schritt zum Testen dieser Theorien wäre das Sammeln von Daten über tatsächliche Feldausfälle, um zu versuchen, ihre Eigenschaften einer der Kandidatentheorien zuzuordnen.

Theorie 1 führt beispielsweise zu Schäden an den Geräten, die an den zugehörigen Port angeschlossen sind. Theorie 2, die nur für Ethernet-Ports gilt, führt zu keinen Schäden an den angeschlossenen Geräten und, was noch wichtiger ist, zu relativ geringen Stoßströmen. Der aus Theorie 2 resultierende Schaden würde nur sehr wenige physische Spuren wie geschmolzene Leiterplattenspuren oder verkohlte Materialien aufweisen. Bei genauer Betrachtung können jedoch Lichtbogenspuren in bestimmten Bereichen innerhalb des Anschlusses oder interne Schäden an integrierten Schaltkreisen aufgedeckt werden. Theorie 3 kann sehr hohe Energiestöße entweder an POTS- oder Ethernet-Ports koppeln, ohne die angeschlossenen Geräte zu beschädigen. Theorie 3 gilt jedoch nur für Fälle, in denen der Kunde einen Überspannungsschutz mit mehreren Anschlüssen installiert hat.

Leider haben Hersteller von Geräten mit Ethernet- und POTS-Anschlüssen kaum Kontrolle über die Eigenschaften der Strom- und Erdungsumgebung, in der ihre Geräte installiert werden. Dies bedeutet, dass selbst wenn Feldauswertungen bestätigen, dass die Mechanismen einer dieser Theorien die beobachteten Ausfälle verursachen, die Hersteller wenig tun können, um das Auftreten der Überspannungen zu verhindern.

Während die hier vorgestellten theoretischen Mechanismen einer weiteren Untersuchung unterzogen werden sollten, können Hersteller, die ihre Feldausfallraten sofort reduzieren möchten, bestimmte Schritte unternehmen, ohne unbedingt die zugrunde liegenden Ursachen zu verstehen.

Es scheint, dass eine Erhöhung der Ethernet-Gleichtaktstoßtoleranz auf 6 kV ausreicht, um die meisten Ausfälle der Ethernet-Isolationsbarriere zu verhindern. Eine Erhöhung der POTS-Stoßstromtoleranz auf 500 Ampere für eine Stromwellenform von 2×10 Mikrosekunden scheint ausreichend zu sein, um die meisten Überspannungsausfälle an POTS-Ports zu verhindern.

Verweise

Joseph Randolph ist ein unabhängiger Berater mit über dreißig Jahren Erfahrung im Design von Telekommunikationsgeräten. Er erhielt seinen BSEE-Abschluss vom Virginia Polytechnic Institute und seinen MSEE-Abschluss von der Purdue University. Sein Hintergrund umfasst die Entwicklung traditioneller Telekommunikations-Sprach- und Datengeräte, DSL und einer Vielzahl neuer VOIP- und IP-Telefonieprodukte, einschließlich optischer Netzwerkendgeräte. Seine Hauptspezialitäten sind Schaltungsdesign, Blitzschutz, Einhaltung internationaler Vorschriften und Einhaltung von Industriestandards wie Telcordia NEBS GR-1089 für Telekommunikationsgeräte der Carrier-Klasse in den USA. Er ist Senior Member des IEEE und Mitglied des Telecom Advisory Ausschuss der IEEE Product Safety Engineering Society. Randolph ist unter [email protected] erreichbar.

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