Экранирование кабельных коробов

Введение

Прогресс постиндустриального общества приводит к тому, что все возрастающее число коммерческих и промышленных организаций не только использует, но и делает ставку на информационные и сетевые технологии. Сегодня практически в каждом офисе установлены персональные компьютеры, объединенные в сеть.

Конкурентоспособность и успех компаний зависит от качества и скорости передачи, надежности и сохранности информации, обеспечиваемых локальными сетями. Выход из строя оборудования или нарушения в работе таких систем могут оказаться весьма дорогостоящими с точки зрения прямых убытков и косвенных потерь.

Современное информационное оборудование и системы достаточно надежны, однако эволюция технологий в сторону высоких частот делает актуальной проблему электромагнитной совместимости для все большего числа электрических и электронных устройств. Данная проблема имеет два аспекта — влияние собственных излучений систем на работу других устройств и их уязвимость от внешних электромагнитных помех.

Что касается активного оборудования, то обеспечение его электромагнитной совместимости — это задача и ответственность производителей. Кабельные сети проектируются системными интеграторами, которым приходится учитывать различные аспекты ЭМС применительно к системам, интегрированным в здания, и занимающим площади в сотни и тысячи квадратных метров.

Данная проблема приобретает особую актуальность в случае использования электропроводных кабелей, обеспечивающих передачу сигналов высокоскоростных протоколов, и прокладки в непосредственной близости телекоммуникационных и силовых кабелей.

Электропроводные кабели составляют свыше 90% всех каналов большинства структурированных кабельных систем. Как правило, они обеспечивают передачу информации в пределах этажа и относятся к горизонтальной подсистеме СКС. Самое популярное решение для среды передачи — кабели типа НВП — неэкранированная витая пара.

Большинство специалистов сходятся во мнении о том, что для обеспечения работы высокоскоростных приложений наиболее эффективным решением проблемы электромагнитной совместимости является экранирование кабелей. Данный аспект проблемы активно изучает и освещает компания ITT NS&S.

В течение ряда лет данная компания — ведущий производитель экранированных СКС в Великобритании, провела многочисленные испытания и сравнительные измерения экранированных и неэкранированных систем в сертифицированных лабораториях ряда стран. Результаты опубликованы в виде технических бюллетеней, получивших название «Белые страницы».

Индивидуальное экранирование каждой пары кабелей позволило перешагнуть рубеж 200 МГц, определенный категорией 6. Седьмая категория, расширяющая границу спектра до 600 МГц, будет выполняться на кабелях типа ЗВП — защищенная витая пара.

Однако доля экранированных и защищенных кабелей, которые определяют магистральное направление развития электропроводных кабелей, пока не велика. По данным BSRIA/Viniki 1997 года доля рынка экранированных СКС в России составляет около 28% или примерно четверть.

Есть ли другие возможности решения проблемы электромагнитной совместимости для оставшихся трех четвертей кабелей?

Наиболее эстетичным и достаточно распространенным вариантом подвода кабелей к каждому рабочему месту является создание каналов прокладки с помощью кабелепроводов из ПВХ, которые крепятся к стенам, проходят по периметрам дверных проемов или на уровне плинтусов. Рассмотрим далее, могут ли короба из ПВХ в какой-то степени помочь в решении проблемы электромагнитной совместимости.

В настоящее время предлагается два варианта экранирования кабелепроводов: использование металлических вставок, устанавливаемых в желоб, или нанесение металлического покрытия методом вакуумного напыления.

Однако с практической точки зрения важно понять, насколько эффективна защита современных кабельных систем от внешних помех, обеспечиваемая кабелепроводами. Чтобы понять суть проблемы, необходимо выявить узкие места физической среды передачи с точки зрения электромагнитной совместимости. Говоря другим словами, необходимо представлять характер и проблему внутренних помех или собственных шумов электропроводных кабелей.

Природа собственных шумов электропроводных кабелей

Наиболее распространенный тип кабеля, применяемый в структурированных кабельных системах, это сборка из четырех неэкранированных витых пар, имеющих разный шаг скрутки, помещенных в общую оболочку. Основное ограничение диапазона обуславливается наличием индуктивной и емкостной связи между парами, вызывающими перекрестные наводки.

Электромагнитная энергия не только наводится в соседних парах, но и отражается вследствие неоднородностей волнового сопротивления. Волновое сопротивление таких кабелей составляет 100 ом плюс минус 15%. Тем не менее, шумы, обусловленные возвратными потерями, практически не принимались во внимание, до тех пор, пока не появились протоколы с дуплексной передачей сигналов по всем парам.

В настоящее время международные и национальные стандарты определяют параметры передачи сигналов по медному кабелю в локальных сетях в полосе частот до 100 МГц. Увеличение частоты от 1 до 100 МГц приводит к возрастанию перекрестных наводок между парами кабеля в тысячи раз.

Данный параметр обозначают как NEXT (Near End Crosstalk) — перекрестные или двунаправленные наводки. Показатель NEXT представляет собой относительную величину напряжения сигнала, который наводится на стороне приемника в одной паре проводников при наличии сигнала на стороне передатчика в другой паре.

При двунаправленной приемопередаче приемник и передатчик находятся на каждом конце кабеля. Поэтому перекрестные наводки NEXT измеряют также на обоих концах линии / канала. Наводки — это внутренние шумы системы, которые искажают полезные электрические сигналы. Сигналы ослабляются также в силу того, что проводники рассеивают энергию в виде тепла и излучений.

В результате затухания уровень мощности сигнала в конце 90 метровой линии уменьшатся примерно в сто раз.

На графике приведены значения затухания и перекрестных наводок, определяемые стандартом TIA/EIA-568-A для базовой линии категории 5 длиной 90 метров. Расстояние между линиями графика по вертикали составляет фактическое превышение уровня полезного сигнала над уровнем собственного шума системы, а частота, на которой отношение сигнал / шум все еще приемлемо для работы протокола, является границей диапазона частот.

Другими словами диапазон частот — это ширина «окна частотного спектра» кабельного канала. В силу природы электропроводных линий наиболее уязвимыми для воздействия внешних шумов оказываются протоколы, требующие широкой полосы частот, такие как АТМ 155, 100 Base TX Fast Ethernet и другие. Это объясняется тем, что в верхней области спектра таких протоколов отношение сигнал / собственный шум составляет единицы децибел, т. е. мощность полезного сигнала превышает мощность шумов менее чем на порядок.

Любое внешнее возмущение электромагнитного поля в офисном здании, например, включение электроприводов лифтов, срабатывание кондиционеров, люминесцентных ламп, не говоря уже о работе радиотелефонов и систем микросотовой связи, наводит электрические токи в кабелях, которые могут вызвать сбои высокоскоростных сетевых протоколов.

С другой стороны, кабели также излучают электромагнитную энергию примерно в том же диапазоне, что и радио и телевещательные станции. Мощность электромагнитного поля уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Если передающие антенны таких станций, как правило, удалены, то сотрудники офисов оказываются в буквальном смысле слова окруженными со всех сторон высокочастотными кабелями, имеющими несовершенный баланс и являющимися источниками излучения.

Эффективность защиты от внешних помех

Сравнительная оценка эффективности данных методов экранирования, организованная компанией MK Electric, была проведена в Великобритании группой специалистов из Ассоциации поставщиков электрооборудования, Строительной исследовательской лаборатории и Британской ассоциации производителей кабельной продукции. Ранее эта же группа изучала проблему минимально допустимых расстояний прокладки разнотипных кабелей. Обе проблемы тесно взаимосвязаны и призваны дать ответ на вопрос как лучше прокладывать телекоммуникационные и силовые кабели в непосредственной близости и при этом обеспечить их совместимость и эстетичный вид кабелепроводов.

Измерения проводились в специально оборудованной помехозащищенной экранированной камере. Эффект экранирования оценивался следующим образом. Контрольные телекоммуникационные кабели (сигнальные и информационные) подвергали воздействию электромагнитного излучения и измеряли наведенное напряжение.

Затем кабель помещали внутри экранирующей оболочки и измеряли наведенные напряжения при том же уровне внешних помех. Разница в уровне наводок в определенном диапазоне частот позволяет судить об эффективности того или иного типа защиты.

На графике представлены результаты измерений эффективности экранирования сигнального кабеля, помещенного последовательно в алюминиевую вставку пластикового короба (алюм.), то же, но с одним соединением и несколькими сочленениями.

Эффективность алюминиевого экрана уменьшается с частотой. Сборка кабелепровода из нескольких сегментов ухудшает защиту еще на 5–8 децибел. Металлическое напыление, неэффективное на частотах до 200 МГц, обеспечивает относительно лучшую защиту на частотах 600–700 МГц. Даже одно соединение уменьшает эффект экрана в диапазоне частот до 600 Мгц на 5 дБ.

Итак, какова ситуация с экранированием информационных кабелей от внешних помех в диапазоне частот, на котором высокоскоростные протоколы оказываются наиболее уязвимыми для внешних помех?

В диапазоне 100 МГц эффективность многосекционного алюминиевого экрана составила около 25 дБ, металлического напыления — 10 дБ. Другими словами, уровень наводок в сигнальном кабеле, помещенном в алюминиевую вставку, был в 300, а в коробе с металлическим напылением и одним соединением — в 10 ниже, чем при непосредственном воздействии внешних помех.

Чем объясняется такая разница?

Специалисты сходятся во мнении, что наилучшая защита от электромагнитных и радиочастотных помех достигается путем прокладывания кабелей внутри металлической оболочки. При грамотном монтаже это обеспечивает эффект клетки Фарадея — наведенные токи присутствуют только на внешней стороне металлического экрана. Однако оболочка при этом должна полностью окружать кабели (на все 360 градусов) и, чтобы достичь максимальной защиты, иметь потенциал, близкий к нулевому относительно земли.

Следовательно, заземление оболочки наиболее важно для эффективного экранирования кабелей. Однако эти данные относятся к кабелепроводам, выполненным в виде единого конструктивного элемента. На практике это условие недостижимо. Кабелепроводы состоят из отдельных секций длиной два или три метра. Кроме того, более короткие отрезки необходимы для обхода углов, выступов, периметров дверей, выполнения сочленений. К этому следует добавить крышки, уголки, сочленения, переходники, заглушки, коробки розеток и другие элементы, обеспечивающие прокладку по сложному маршруту и точки коммутации.

Реально любой кабелепровод состоит из десятков элементов. Поэтому наиболее актуальной оказывается проблема электрического соединения металлического напыления секций и элементов и их заземления.

Клетка Фарадея может отклонять, отражать или поглощать электромагнитные волны. При поглощении электромагнитной энергии в экранирующей среде возникает ток, который стекает на землю по проводнику с низким сопротивлением. В случае применения алюминиевого короба или вставок дренажный ток проходит по коробу или вставкам соответственно.

Основным недостатком металлического напыленного покрытия является высокое удельное сопротивление, превышающее сопротивление металлического проводника в десятки тысяч раз и не обеспечивающее дренаж наведенных токов.

Для того, чтобы решить проблему высокого удельного сопротивления металлического покрытия, производители рекомендуют прокладывать дополнительный заземленный провод внутри экранированного сегмента короба, а также обеспечивать электрическое соединение всех его элементов.

Следовательно, исполнитель должен гарантировать электрический контакт всех элементов кабелепровода друг с другом и их надежное заземление. Необходимо помнить, что крышка, любые муфты, угловая арматура, тройники или ответвители должны отвечать строгим требованиям заземления для соответствия стандартам.

Использование плотно подогнанных частей элементов из ПВХ с металлическим покрытием не является надежным методом обеспечения такого заземления. В этом случае внутри экранированного сегмента короба прокладывают дополнительный заземленный проводник, что более трудоемко, чем монтаж и соединение алюминиевых коробов или вставок. Алюминиевые вставки имеют малое удельное и волновое сопротивление, поэтому эффективно проводят токи наводок и не требуют специального проводника.

Для коробов с металлическим напылением необходимо отметить, что при соединении оболочки с землей для получения эффективного экранирования возникает более важная проблема — обеспечение безопасности. Она заключается в том, что сопротивление контура заземления должно быть таким, чтобы гарантировать отключение источника электропитания в случае возникновения токов утечки выше порога срабатывания защитных устройств.

Дополнительный провод, необходимый в этом случае для отвода токов, наведенных на металлическом покрытии, должен быть проложен внутри экранированного сегмента короба. Этот провод может нарушить эффект экранирования, выступая в качестве антенны, если не обеспечено его надежное соединение с землей.

Наводки возникают на высоких частотах. Ток на частотах порядка мегагерц вытесняется на наружную поверхность проводника. Это явление известно как поверхностный эффект.

При установке заземленного алюминиевого короба или вставок этот ток будет протекать по внешней поверхности короба или вставок и не будет влиять на кабели для передачи данных.

Однако, в случае с металлическим напылением ток будет только на внешней поверхности заземленного провода. Помехи переносятся внутрь экранирующей оболочки и воздействуют на информационные кабели.

Следует отметить, что целесообразность нанесения металлического покрытия является спорным вопросом только при использовании в изделиях большой длины. При небольших размерах и на частотах 600 МГц металлическое покрытие является эффективным методом экранирования и широко используется в электронной промышленности.

В современных локальных сетях такие частоты пока не используются. Здесь уместно замечание о том, что в ближайшем будущем технологии локальных сетей освоят и этот диапазон. Однако электропроводные линии категории 7, призванные обеспечить передачу сигналов в диапазоне до 600 МГц, будут не просто экранированными, а защищенными.

При этом каждая пара будет иметь индивидуальный экран, а вся кабельная сборка — общую защиту в виде фольги и оплетки. Металлическое напыление короба практически ничего не добавит к такой защите.

Силовые и телекоммуникационные кабели

Еще один важный аспект проблемы ЭМС — взаимное влияние кабелей, проложенных параллельно в одном и том же кабелепроводе. В вышеупомянутой серии испытаний контрольный сигнальный кабель подвергали воздействию электромагнитного излучения от проходящего параллельно кабеля, являющегося источником излучений.

Затем кабель помещали внутри экранирующей оболочки и измеряли наведенные напряжения при том же уровне внешних помех. Данные измерения были примечательны тем, что оценивались три способа защиты — экранирование кабеля, алюминиевая вставка и металлическое напыление короба из ПВХ. В качестве экранированного сигнального кабеля был использован коаксиал с волновым сопротивлением 75 ом, то есть наилучший вариант экранирования. Диапазон измеряемых частот — от 1 до 250 Мгц.

В первом варианте были взяты отрезки вставки и короба, не имеющие изгибов и сочленений. Экранированный кабель обеспечил наилучшую защиту, алюминиевая вставка — примерно на 5 дБ хуже во всем диапазоне частот, а металлическое напыление оказалось на 20–30 дБ или примерно в 100–1000 раз менее эффективным, чем экранированный кабель.

Проведя анализ результатов измерений, руководство компании MK Electric приняло решение отказаться от проведения дальнейших исследований и разработок в области электромагнитной защиты с помощью нанесения металлического покрытия на внутреннюю поверхность ПВХ кабелепроводов и сосредоточить усилия на разработке и производстве систем с алюминиевыми вставками.

Минимально допустимые расстояния

Тем не менее, несмотря на важность теории, при принятии решения об экранировании кабельных коробов, обычно преобладают практические соображения. Все основные производители структурированных систем, предлагающие решения как на неэкранированной, так и экранированной витой паре. Они гарантируют, что установленная СКС будет соответствовать требуемым параметрам независимо от того, используются ли при этом дорогие алюминиевые или же обычные ПВХ короба.

При этом они требуют или, по крайней мере, рекомендуют соблюдать стандарты, определяющие расстояние между телекоммуникационными и силовыми кабелями при их параллельной прокладке не менее 127 мм. Это расстояние должно быть тем больше, чем выше напряжение и мощность силовой проводки. Таблица минимально допустимых расстояний для силовых линий с напряжением менее 480 вольт, определенная стандартом EIA/TIA 569, приводится ниже.

В коммерческих помещениях наиболее распространенными источниками помех, являются устройства, создающие резкие перепады напряжения. Алюминиевые короба и вставки пригодны для защиты от наводок, возникающих в данном случае. Когда на электропроводные кабели воздействуют поля с преобладанием магнитной составляющей, вызываемые, например, перепадами тока при работе сварочных аппаратов, защиту могут обеспечить только ферромагнитные материалы, например железные трубы или стальные короба, предлагаемые, в частности, компанией Tolartois, Франция, или Davis, Великобритания.

Как видно из таблицы, применение алюминиевых кабелепроводов или вставок в коробах из ПВХ позволяет уменьшать расстояние между силовой и телекоммуникационной проводками. Однако стандарт EIA/TIA 569 ничего не говорит о том, распространяется ли понятие заземленного металлического кабелепровода на заземленные экранированные кабели.

Формально — нет. Однако, как показали исследования компании MK Electric, эффективность защиты от взаимных наводок за счет использования экранирования кабеля выше, чем металлического кабелепровода. Более того, экран кабеля всегда непрерывен, а металлический кабелепровод состоит из секций, снижающих эффективность защиты еще на несколько децибел.

Исходя из этого, можно сделать важный практический вывод. Минимально допустимые расстояния для прокладки экранированных кабелей вблизи силовой электропроводки могут быть, по крайней мере, такими же, как для неэкранированных кабелей, помещенных в металлическую заземленную защиту.

Выводы

В конечном счете, решение о выборе экранированных кабелей для передачи данных, либо других вариантов защиты, а также степени и способе экранирования принимается заказчиком на основе информации, предоставляемой производителями элементов локальных сетей. Тем не менее, для обеспечения нормального функционирования высокоскоростных сетей можно предложить следующие общие рекомендации:

1. Использовать экранированные кабели, имеющие гарантию производителя. Это наилучшее решение с точки зрения эффективности, простоты монтажа и стоимости.
2. В случае выбора неэкранированной системы можно рекомендовать укладку кабелей в алюминиевых коробах или алюминиевых вставках кабелепроводов. Система, состоящая из ПВХ коробов с сегментами из металлических вставок, имеет преимущество в том, что обеспечивает практически тот же уровень защиты, что и экранирование кабелей.
3. Для системы, состоящей из ПВХ коробов с металлическим напылением, необходимо обеспечить электрическое соединение элементов короба друг с другом и их надежное заземление. При этом уровень защиты будет примерно на два порядка ниже, чем при использовании алюминиевых коробов или вставок.
4. При параллельной прокладке силовых и телекоммуникационных кабелей, следует применять экранированные кабели, алюминиевые короба и вставки. Это позволяет уменьшить расстояния между ними, что дает экономию по сравнению с выбором раздельных маршрутов.

Авторы: Крис Ригглсуорт, Воловодов А.А. (ООО «Эколан Тек»).
Статья опубликована в журнале «Сети и системы связи» № 4-1998
(http://www.ccc.ru/magazine/depot/98_04/read.html?0104.htm)
Уточнения и актуализация – январь 2000 года.