【導(dǎo)讀】采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，可以防止雷擊對以太網(wǎng)連接設(shè)備造成損壞。使用保護(hù)元器件的傳統(tǒng)方法可能不完全有效，我們還需要輔以另外一種方法，其靈感基于對雷擊能量傳遞給以太網(wǎng)電纜和相連設(shè)備的基礎(chǔ)機(jī)制的深入分析，本文會詳細(xì)介紹這些內(nèi)容。
問題：
有沒有一種簡單方法可以保護(hù)以太網(wǎng)免受雷擊損壞？
答案：
如果對磁學(xué)和電路理論有深入的理解，再加上適當(dāng)?shù)慕拥睾推帘渭夹g(shù)，就能找到辦法。
摘要
采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，可以防止雷擊對以太網(wǎng)連接設(shè)備造成損壞。使用保護(hù)元器件的傳統(tǒng)方法可能不完全有效，我們還需要輔以另外一種方法，其靈感基于對雷擊能量傳遞給以太網(wǎng)電纜和相連設(shè)備的基礎(chǔ)機(jī)制的深入分析，本文會詳細(xì)介紹這些內(nèi)容。
引言
以雷擊為罪魁禍?zhǔn)椎睦擞渴录層芯€以太網(wǎng)出現(xiàn)故障，時刻牽動著網(wǎng)絡(luò)管理員或者其他相關(guān)負(fù)責(zé)人的神經(jīng)。這個問題并不局限于以太網(wǎng)，任何現(xiàn)實(shí)中較大的電子或電力系統(tǒng)都不例外。其他示例包括：遠(yuǎn)程返回的電氣測量、電力傳輸以及傳感器不在附近的工業(yè)自動化應(yīng)用。傳統(tǒng)解決方案的工作原理是吸收或限制某個區(qū)域附近的事件能量，以保護(hù)物理層元器件。這種方法的問題在于，能量未被消除，由此產(chǎn)生的電流也未被消除。感應(yīng)路徑中的瞬態(tài)電流總是會產(chǎn)生很大的電壓，進(jìn)而可能造成損壞。因此，當(dāng)考慮常規(guī)方法時，我們必須明確：需要什么級別的保護(hù)，以及需要多少時間、精力和資源來實(shí)施？此外，所部署的保護(hù)方法不僅要能夠抵御浪涌，而且要在浪涌發(fā)生后仍能正常運(yùn)作。雷擊產(chǎn)生的能量比您想象的可能要大幾個數(shù)量級。為了實(shí)現(xiàn)安全可靠的運(yùn)行，需要采取強(qiáng)有力的保護(hù)措施來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。
能量大小
以太網(wǎng)系統(tǒng)需要防范浪涌事件，不同浪涌事件的能量可能相去甚遠(yuǎn)。數(shù)千米外的雷擊引起的能量浪涌在強(qiáng)度上可能比門外的雷擊引起的能量浪涌低五個數(shù)量級。以太網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)模也會影響其處理不同量級的能量的能力。甚至環(huán)路的方向也可能使系統(tǒng)的浪涌承受能力增加三個數(shù)量級。
雷擊能量
浪涌事件造成的損壞取決于事件的能量、能量浪涌發(fā)生的位置以及系統(tǒng)受到?jīng)_擊時可以儲存多少能量。了解這些因素將有助于找到防范這種損壞的解決方案。
雷擊產(chǎn)生的能量儲存在雷擊周圍的區(qū)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，其中磁場對于這種低阻抗源來說最為重要。通過雷擊長度可以求出總電感，然后使用我們熟悉的能量方程E = 1/2Li2便可近似計(jì)算磁場中的總能量。雷擊電流大小不一，但可能高達(dá)50,000 A。在超過此距離的遠(yuǎn)場中，能量非常小，幾乎不用擔(dān)心，除非您從事建造無線電接收器的業(yè)務(wù)。
太陽每秒產(chǎn)生3.846 × 1026 W的功率。在距離太陽9300萬英里的地球上，一平方米空間接收到其中的1000 W功率。如果我們對圍繞太陽的整個球面進(jìn)行積分，無論距離太陽表面有多遠(yuǎn)，總會有3.846 × 1026 W的輻射功率，而1平方米相對于9300萬英里之外的總表面積而言非常之?。‖F(xiàn)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）。此能量體積等于1M2乘以光在一秒內(nèi)傳播的距離，即3 × 108 M；在這種情況下，總體積也是3 × 108M3。
為了理解本文的其余內(nèi)容，必須接受輻射能量和靜態(tài)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(yùn)動、移動或轉(zhuǎn)移。能量的轉(zhuǎn)移總是同時涉及磁場和電場。導(dǎo)體內(nèi)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(yuǎn)處（輻射）的能量都儲存在雷擊事件周圍的空間中，這個道理簡單明了。此概念（能量儲存在空間中）為浪涌問題提出了以下解決方案：不接觸這種能量就能消除電涌問題。
要接觸該能量，導(dǎo)體幾何結(jié)構(gòu)（以太網(wǎng)電纜）需要進(jìn)入能量運(yùn)動所在的空間。就像我們的輻射示例一樣，即使處于近場，也涉及時間。以太網(wǎng)電纜以差分方式連接，不具有任何明顯的環(huán)路區(qū)域，因此不太可能從該周圍空間耦合任何明顯的能量。對于以太網(wǎng)電纜和接地系統(tǒng)之間的區(qū)域，情況并非如此。
浪涌是一種涉及機(jī)箱接地系統(tǒng)的高頻環(huán)路電流。每個構(gòu)建的電路都有機(jī)箱接地系統(tǒng)。就本文而言，它僅對大型電路很重要。請參閱圖1的示例，了解機(jī)箱接地系統(tǒng)如何始終存在，而且系統(tǒng)越大，它就越重要，以及為什么接地與該問題沒有任何關(guān)系，而任何寄生導(dǎo)體都會有關(guān)系。下一節(jié)將介紹兩種最常見的浪涌電流源。
接地環(huán)路能量
接地環(huán)路之所以產(chǎn)生，是因?yàn)槿魏蝺蓚€位置的接地電位都不是恒定的。圖1顯示，每個原理圖都有第二個電路，即寄生接地環(huán)路。由于接地環(huán)路和您設(shè)計(jì)的電路可以共用一根導(dǎo)線，因此該接地環(huán)路也被稱為共阻抗耦合1。圖1和圖2顯示了更詳細(xì)的示例。通常，第二個機(jī)箱接地電路不是那么大，但始終存在。一般來說，電子系統(tǒng)覆蓋的距離越遠(yuǎn)，這些接地之間的電位差就越大，它們之間的電感和電阻也會越大。
圖1.從技術(shù)上講，即使像手持設(shè)備這樣小的系統(tǒng)也可能受到外界的影響。在此示例中，接地環(huán)路非常小，任何干擾電流都將流向屏蔽層而不是無線電接地。
圖2.上圖所示為線路供電儀器，機(jī)箱接地1和機(jī)箱接地2之間有接地環(huán)路電壓。同時，該環(huán)路很大，足以使磁耦合干擾變得顯著。另請注意，干擾環(huán)路與儀器接地共用一根導(dǎo)線。
當(dāng)閃電擊中地面時，電流會向各個方向擴(kuò)散。該電流會導(dǎo)致電流流經(jīng)的接地電阻和電感出現(xiàn)顯著的電壓下降。對于某些有線以太網(wǎng)設(shè)施，此電位差可能橫跨整個以太網(wǎng)電纜（從一端到另一端），并可能引起大電流流動。這種效應(yīng)被歸類為接地環(huán)路，這是正確的。源自儀器儀表和電力機(jī)械的電流也會引起接地環(huán)路。正確接地的建筑物以公用設(shè)施入口處的單個接地導(dǎo)體為基準(zhǔn)。由此可知，在單一建筑物內(nèi)，雷擊引起的接地環(huán)路并不是造成設(shè)備損壞的主導(dǎo)因素。對于在建筑物外部或建筑物之間布設(shè)的以太網(wǎng)來說，情況顯然不是這樣。
無論來源如何，接地電壓都會在以太網(wǎng)電纜中產(chǎn)生電流，即使長度不是很長或者沒有環(huán)路區(qū)域也是如此。重要的是兩個接地點(diǎn)的電位差、上升時間以及兩點(diǎn)之間機(jī)箱系統(tǒng)的電感。
閃電產(chǎn)生的磁場
根據(jù)法拉第定律，閃電還可以在任何環(huán)路區(qū)域中產(chǎn)生磁耦合電壓。這可能是最堪憂的問題，因?yàn)樗鼤绊懡ㄖ飪?nèi)布設(shè)的以太網(wǎng)。
接地環(huán)路引起的雷擊浪涌事件與磁耦合（法拉第定律）引起的浪涌事件不同。接下來的幾節(jié)將討論每個問題的可能解決方案。作為參考，圖3顯示了沒有采用本文所述任何解決方案的以太網(wǎng)連接。這里，通過電路和接地參考平面（也是電路的一部分）的電流路徑（由于接地環(huán)路或法拉第定律而產(chǎn)生）是浪涌電流可以通過的唯一路徑。常規(guī)解決方案試圖將該電流從元器件中分流走，但電流路徑中可能發(fā)生具有危險(xiǎn)性的V = Ldi/dt事件。
圖3.一個容易受到浪涌損壞的以太網(wǎng)示例。
教科書解決方案
解決接地環(huán)路和磁能問題的教科書解決方案是使用防護(hù)。用屏蔽層包圍整個應(yīng)用來提供防護(hù)。這種防護(hù)的作用是使應(yīng)用與除防護(hù)本身之外的任何物體之間的電容最小化。考慮圖4（一個簡化的非以太網(wǎng)示例），很顯然，所有接地環(huán)路或磁感應(yīng)電流都將沿著防護(hù)金屬流動并穿過C5處的隔離柵。接地環(huán)路電流不可能進(jìn)入防護(hù)裝置所包圍的任一應(yīng)用區(qū)域。在這種情況下，干擾場完全在應(yīng)用元器件的外部。除了消除任何靜電耦合噪聲之外，該教科書解決方案還能應(yīng)對上述兩種干擾源。教科書解決方案確實(shí)非常出色，即使C5非常小，它也能工作。短路線匝并不是必需的。
圖4.儀器示例，顯示了使用防護(hù)來消除能量，從而減少應(yīng)用電路中的浪涌電流。
這是唯一適用于兩種接地環(huán)路和磁耦合場能量的解決方案。它通常也超出了這種以太網(wǎng)應(yīng)用的要求，下面將做一些簡化，以得到我們可以實(shí)際構(gòu)建的以太網(wǎng)解決方案。
短路線匝
造成損壞的能量來自閃電所產(chǎn)生的能量場。為了消除以太網(wǎng)布設(shè)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(shè)計(jì)一個短路線匝，其中閃電為初級，以太網(wǎng)接地環(huán)路區(qū)域?yàn)榇渭?。如果使用以太網(wǎng)電纜內(nèi)部的防護(hù)層和應(yīng)用電路中的平面來構(gòu)建一個隔離的短路線匝，通過接地提供最終導(dǎo)體來閉合短路線匝，那么我們應(yīng)該能夠消除能量。在實(shí)踐中，實(shí)施這種短路線匝后，添加外部分流保護(hù)元件的過程會容易得多。
要進(jìn)行簡化，可以去掉系統(tǒng)左右半部的完整包圍，如圖5所示（以太網(wǎng)配置如圖6所示）。如果防護(hù)回路可以充當(dāng)短路線匝，并且C3/C4的比值極小，那么這種更簡單的配置可能是有效的。相比隔離路徑，這種消除浪涌的簡化方法只有在我們能夠構(gòu)建短路線匝時才有效。
圖5.使用屏蔽將浪涌能量從應(yīng)用電路引走的簡化儀器示例。
圖6.使用屏蔽將浪涌能量從應(yīng)用電路引走的以太網(wǎng)示例，C3 < C4。
從以太網(wǎng)環(huán)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幾乎不儲存能量，繞組必須直接纏繞在彼此之上，以便幾乎沒有儲存能量的空間。即使繞組不直接相互疊置，用磁芯制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(zhuǎn)移到另一個繞組，但繞組和磁芯之間必須幾乎沒有空間，以便幾乎不會儲存能量。當(dāng)使用磁芯時，由于電感較高，較大的μr會直接降低磁化電流，讓我們可以獲得額外的優(yōu)勢。不管有無磁芯，施加到初級的電壓都會產(chǎn)生一個電流，可通過我們熟悉的V = Ldi/dt關(guān)系來描述，這反過來又會導(dǎo)致次級上產(chǎn)生一個電壓，可通過下式得出：
V = (環(huán)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，它不會改變變壓器電壓。在初級中，磁導(dǎo)率μr是一個常數(shù)，它會增加電感（增加μr），但也會降低di/dt以進(jìn)行補(bǔ)償。對于次級，較大μr會減慢dB/dt（因?yàn)槌跫塪i/dt較低），但它也會增加B，增加幅度就是該常數(shù)。高磁導(dǎo)率實(shí)際上只是通過提高初級電感來降低磁化電流。
由于變壓器中不儲存能量，當(dāng)次級負(fù)載很大時，低阻抗電壓源驅(qū)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。
相比之下，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(nèi)部以及次級繞組接口處所做的事情，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凈外部磁場（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，它被稱為楞次定律。這就是以太網(wǎng)電纜和機(jī)箱接地回路周圍空間中發(fā)生的情況。以太網(wǎng)環(huán)路（或短路線匝，由您選擇）提供了轉(zhuǎn)移或耗散此能量的手段，因?yàn)槿我皇侄味继峁┝藘Υ孑^少能量的方法。就像上面的變壓器示例一樣，產(chǎn)生的次級電壓仍然為V = (環(huán)路面積)dB/dt，但初級（閃電）和次級（以太網(wǎng)環(huán)路）之間沒有緊密耦合。這種不良耦合使該區(qū)域無法接觸無限的能量源。短路線匝會產(chǎn)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，那么它會是一個較低的值，表明儲存的能量較少，一些丟失的能量在短路線匝中耗散。換句話說，次級負(fù)載產(chǎn)生的磁場將抵消閃電產(chǎn)生的磁場，使以太網(wǎng)環(huán)路中儲存的能量減少。
順便說一句，在變壓器中，當(dāng)將一個次級短路時，所發(fā)生的正是上述情況。但是，這其中有一個重要區(qū)別。對于實(shí)際變壓器，由于緊密耦合，短路線匝將耗散初級中的所有可用能量。對于閃電，只有以太網(wǎng)環(huán)路空間中的能量才會被耗散。
我們來看一個例子。雷擊產(chǎn)生的H場為I/2πR。假設(shè)雷擊距離以太網(wǎng)電纜1英里(1600 M)，雷擊電流為50,000 A，則磁場強(qiáng)度將為4.97 A/M
B場即為B = μH = (4π × 10E-7)(4.97) = 6.25E-6 Tesla，以太網(wǎng)環(huán)路面積（一英里遠(yuǎn)）為： 1 M × 150 M =150M2
雷擊電流的上升時間可以短到1μs，其下降時間為約100 μs，因此該環(huán)路中產(chǎn)生的電壓可近似計(jì)算為：V = A (環(huán)路面積 × dB/dt) = 150(6.25E-6)/1 μs = 937 V
我們通過仿真來獲得準(zhǔn)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。
圖7.50 kA雷擊，上升時間為1 μs，下降時間為10 μs。
根據(jù)法拉第定律，此電流將產(chǎn)生電壓V1，如圖8所示。E1代表未受保護(hù)的以太網(wǎng)環(huán)路內(nèi)的浪涌電壓。459 μH是帶機(jī)箱的以太網(wǎng)環(huán)路區(qū)域的電感，500 pF表示以太網(wǎng)連接的PSE和PD兩側(cè)的對地凈串聯(lián)電容，10 Ω電阻是電路的串聯(lián)電阻。在仿真中，R2的值并沒有真正改變電流的峰值，而是導(dǎo)致波形的包絡(luò)以更快的速率衰減。這一更有利的L/R時間常數(shù)將使浪涌能量作為熱量更快地通過整個分布式電阻耗散。
圖8.SPICE仿真模型，說明了利用與以太網(wǎng)環(huán)路緊密耦合的第二短路線匝可以降低浪涌電流。
圖9.圖8中示例仿真的浪涌電流。
所產(chǎn)生的浪涌電流I(L2)如圖9所示。該圖表明，即使雷擊發(fā)生在1英里之外，未受保護(hù)的環(huán)路也會出現(xiàn)1.6 A的峰峰值浪涌電流。想象一下，如果雷擊距離近很多，會產(chǎn)生多大的環(huán)路電流。即使這樣的電流也足以造成損壞。
現(xiàn)在，讓我們考慮原理圖右半部分所示的受保護(hù)以太網(wǎng)環(huán)路（這里是內(nèi)部以太網(wǎng)環(huán)路）中的浪涌電流。如果降低屏蔽環(huán)路阻抗（增加C3和C4），同時保持與以太網(wǎng)環(huán)路的良好磁耦合，則該浪涌電流可以進(jìn)一步降低。
隔離
還有一種消除浪涌電流的方法，那就是隔離電纜的一端或兩端。理想情況下，要以這種方式隔離應(yīng)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(shí)現(xiàn)；對于以太網(wǎng)，這包括數(shù)據(jù)變壓器和電源變壓器（POE應(yīng)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，從而支持高頻浪涌電流。如果有極低電容的變壓器可用，我們一開始就不會有浪涌問題，所以這不是答案。不過，減小隔離電容確實(shí)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(tǒng)，盡管跨隔離柵的電容較大。如果電容看不到任何dv/dt，那么它便無關(guān)緊要。
有什么問題？
問題是我們永遠(yuǎn)無法在電路周圍建立理想的防護(hù)，或者利用短路線匝消除所有磁場，或者構(gòu)建沒有電容的變壓器。這種情況下，還能做些什么呢？為了增強(qiáng)這些解決方案，我們可能還需要添加旨在轉(zhuǎn)移任何剩余浪涌電流的保護(hù)元器件。短路線匝中的電流可能很高，但幾乎不必?fù)?dān)心，因?yàn)槲覀冎皇褂勉~和電容來構(gòu)建它。我們可以做出的最后一項(xiàng)改進(jìn)是在整個以太網(wǎng)鏈路周圍添加鐵氧體，如圖10所示。
圖10.共模扼流圈CH1為差模電流提供低阻抗，并為共模電流提供更大阻抗。
在沒有新增短路線匝的情況下，此鐵氧體仍然表現(xiàn)良好。它為高頻電流提供一個開路，以補(bǔ)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一起使用，我們會得到一些非常驚人的結(jié)果。在這種情況下，鐵氧體為接地環(huán)路周圍的電流提供一個開路，使得C3/C4比值進(jìn)一步減小。
結(jié)語
任何需要長電纜的應(yīng)用都可能受到雷擊的損壞。這種損壞的原因可能是雷擊的高電流導(dǎo)致的接地阻抗壓降（接地環(huán)路），還有根據(jù)法拉第定律產(chǎn)生的電壓（磁耦合）。在某些應(yīng)用中，使用保護(hù)元器件來引導(dǎo)這種破壞性電流可能不奏效。在這種情況下，直接沿著以太網(wǎng)電纜和電路（耦合良好）添加低阻抗短路線匝可以顯著降低浪涌電流。這種方法僅使用銅和電容，因此我們不必?fù)?dān)心短路線匝可能產(chǎn)生的高電流。在以太網(wǎng)電纜上添加共模扼流圈也可以安全地降低浪涌電流。
參考資料
1 Alan Rich?！捌帘魏头雷o(hù)，如何排除干擾型噪聲——方法及原理：一種理性方法?！?a >ADI公司，1983年。
Karl-Heinz Niemann。“Ethernet-APL工程指南”，版本1.14 19。2022年9月。
Richard P. Feynman、Robert B. Leighton和Matthew Sands。費(fèi)曼物理學(xué)講義，第二卷：新千年版：主要涉及電磁學(xué)和物質(zhì)。Basic Books，2011年。
Ralph Morrison。接地和屏蔽技術(shù)，第四版。John Wiley & Sons Publications，1998年。
（來源：ADI公司，作者：James Niemann，現(xiàn)場應(yīng)用工程師）
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