CC BY
52
УДК 621.316
повышение эффективности защиты мультисервисных кабельных систем от внешних электромагнитных воздействий
Енютин К.А., аспирант,
ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», г. Москва
The author examines the ways to protect multiservice cable systems from external electro-magnetic influences in terms of their electromagnetic compatibility.
Рассмотрены и проанализированы с точки зрения электромагнитной совместимости методы защиты мультисервисных кабельных систем от внешних электромагнитных воздействий.
Ключевые слова: мультисервисные кабельные системы; электромагнитная совместимость; высокочастотные кабели.
При создании мультисервисных кабельных систем (МКС) приходится учитывать различные аспекты электромагнитной совместимости (ЭМС) применительно к системам, интегрированным в здания, и занимающим площади в сотни, а иногда и тысячи квадратных метров [1, 2]. Особую актуальность эта проблема приобретает при прокладке МКС рядом с телекоммуникационными или силовыми кабелями или другим электротехническим оборудованием, являющимся источником сильных электромагнитных помех.
Как правило, МКС различных офисов и предприятий оказываются в буквальном смысле окруженными со всех сторон всевозможными источниками электромагнитного излучения. Любые внешние возмущения электромагнитного поля в помещениях, где проложены МКС, например, включение электроприводов лифтов, работа кондиционеров, люминесцентных ламп, радиотелефонов и систем микросотовой связи, наводят электрические токи в кабелях и могут вызывать не только потерю качества передаваемой по МКС информации, но и привести к полному сбою в сети [3—5]. Поэтому чрезвычайно актуальна проблема защиты МКС от внешних электромагнитных воздействий.
Рассмотрим и проанализируем методы защиты мульти-сервисных кабельных систем от внешних электромагнитных воздействий с
точки зрения их электромагнитной совместимости.
В настоящее время для защиты от внешних электромагнитных излучений, при прокладке МКС внутри помещений, наиболее широкое распространение получили кабелепроводы экранированные с помощью металлических вставок, устанавливаемых в желоб, или нанесения металлического покрытия методом вакуумного напыления.
Для осуществления сравнительной оценки эффективности данных методов экранирования при работе МКС в диапазоне частот до 800—1000 МГц с целью преемственности и сравнения полученных результатов была использована методика, разработанная в Великобритании группой специалистов из Ассоциации поставщиков электрооборудования при тестировании кабельного оборудования в диапазоне частот от 0 до 250 МГц [3].
Для оценки эффекта экранирования не-экранированные кабели подвергались воздействию электромагнитного излучения, при этом измерялось наведенное напряжение. Затем эти же кабели помещали внутрь экранирующей оболочки и измеряли наведенные напряжения при том же уровне внешних помех. Разница в уровне наводок в определенном диапазоне частот позволяла судить об эффективности того или иного типа защиты.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И СИСТЕМЫ
Рис. 1. Ослабление электромагнитных помех коробом ПВХ с алюминиевой вставкой, выполненного: 1 — из одного сегмента; 2 — двух сегментов; 3 — трех сегментов; 4 — четырех сегментов
Рис. 2. Ослабление ЭМП коробом ПВХ с металлическим напылением выполненного:
1 — из одного сегмента; 2 — двух сегментов; 3 — трех сегментов; 4 — четырех сегментов
На рис. 1 представлены усредненные результаты измерений эффективности экранирования кабеля, помещенного в пластиковый короб с алюминиевой вставкой.
Анализ представленных зависимостей показывает, что с увеличением рабочей частоты ослабление электромагнитных помех (ЭМП) с помощью алюминиевой вставки в пластиковом коробе существенно уменьшается. Так, если на частоте 100 МГц это ослабление составляло 32 дБ, то на частоте 800 МГц оно упало до 17 дБ. Кроме того, в зависимости от рабочей частоты каждый новый сегмент составного кабелепровода ухудшает защиту еще на 3...5 дБ.
Усредненные результаты измерений эффективности экранирования кабеля, помещенного в пластиковый короб с металлическим напылением, представлены на рис. 2.
Из представленных зависимостей видно, что относительно хорошее ослабление ЭМП короб с металлическим напылением обеспечивает лишь на частотах 600—700 МГц (18 дБ). При этом даже одно соединение короба может уменьшить защитный эффект на 2—4 дБ. С увеличением частоты свыше 700 МГц и числа соединений эффективность защиты короба с металлическим напылением резко падает и уже при четырех сочленениях практически равна нулю.
Рис. 3. Ослабление электромагнитных помех при параллельной прокладке двух неэкранированных кабелей, один из которых является «мешающим», где 1 — Lп = 10 м, 1 = 0,01 м; 2 — Lп = 2 м, 1 = 0,01 м; 3 — Lп = 1м, 1 = 0,01 м
На частоте 600 МГц эффективность экранирования с помощью алюминиевой вставки в пластиковый короб составила около 20 дБ, металлического напыления — 18 дБ. На частоте 1000 МГц — соответственно 16 и 13 дБ.
Уровень наводок в кабеле, помещенном в алюминиевую вставку, был в 300 раз, а в коробе с металлическим напылением — в 10 раз ниже, чем при непосредственном воздействии внешних электромагнитных возмущений.
В ряде исследований [6—8 ] было показано, что металлическое покрытие является относительно эффективным методом экранирования лишь при небольших размерах линии и на частотах, близких к 600 МГц. Кабельные линии, призванные обеспечить устойчивую работу в диапазоне частот свыше 600 МГц, должны быть не просто экранированными, а хорошо защищенными. При этом каждая пара должна иметь свой индивидуальный экран, а вся кабельная сборка — общую защиту, выполненную в виде фольги и оплетки.
Важным аспектом проблемы электромагнитной совместимости является взаимное влияние кабелей, проложенных параллельно в одном и том же кабелепроводе. Согласно теории, если источником помех, воздействующих на неэкранированный кабель, является параллельно проложенный кабель, излучающий электромагнитные помехи, то для приближенной оценки ослабления электромагнитных
помех можно воспользоваться эмпирическим выражением:
Ап»Апп — 201g(50Lп/1Rк), дБ, (1)
где Lп — длина кабеля, подверженного воздействию электромагнитной помехи, м;
1 — расстояние между «мешающим» кабелем и кабелем подверженным воздействию помехи, м;
Кк — сопротивление кабеля, Ом;
Апп = ДГп) — ослабление электромагнитных помех, для двух параллельно проложенных кабелей, в зависимости от рабочей частоты «мешающего» кабеля Fп.
Значения Апп могут быть найдены по графикам (рис. 3). Из представленных зависимостей видно, что при параллельной прокладке двух неэкранированных кабелей, один из которых является для другого источником ЭМП, с увеличением рабочей частоты Fп «мешающего» кабеля, степень электромагнитного воздействия резко возрастает. При этом значение величины Апп может быть сведено практически к нулю. Однако, если хотя бы один из параллельно проложенных кабелей экранирован, то в этом случае величина Апп значительно увеличивается.
На рис. 4 представлены зависимости величины Апп от частоты Fп для параллельно проложенных кабелей при Lп = 1 м, 1 = 0,01 м.
Из представленных зависимостей видно, что ослабление электромагнитных помех Апп
Рис. 4. Ослабление электромагнитных помех, при параллельной прокладке двух кабелей, где 1 — один кабель экранирован; 2 — оба кабеля экранированы
будет иметь максимальное значение, если оба параллельно расположенных кабеля экранированы.
Анализируя выражение (1) и приведенные на рис. 3, 4 зависимости можно сделать следующие выводы. Для уменьшения электромагнитного влияния в случае параллельно проложенных двух кабелей, один из которых является источником помех, необходимо: 1) обеспечить их хотя бы простейшим защитным экраном; 2) по возможности не только максимально удалить их друг от друга, но и уменьшить длину кабеля, подверженного воздействию электромагнитной помехи.
Для оценки эффективности экранирования кабеля были проведены серии испытаний, в которых контрольный 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.
Оценивались три способа защиты: 1) использование коробов из ПВХ с алюминиевой вставкой; 2) использование коробов из ПВХ с металлическим напылением; 3) экранирование кабеля.
Усредненные результаты зависимости ослабления ЭМП при использовании указанных способов защиты кабеля представлены на рис. 5.
Анализ результатов измерений показал, что с увеличением рабочей частоты эффективность ослабления ЭМП у всех способов защиты кабеля падала. Наилучшую защи-
Рис. 5. Зависимость относительного ослабления ЭМП от частоты для различных способов защиты информационного кабеля, при параллельной прокладке «мешающего» кабеля, где кабель: 1 — экранирован; 2 — помещен в ПВХ короб с алюминиевой вставкой; 3 — помещен в ПВХ короб с металлическим напылением
ту обеспечил экранированный кабель. Так, на частоте 800 МГц ослабление ЭМП экранированным кабелем составило 22 дБ, алюминиевой вставкой — 17 дБ, ослабление коробом с металлическим напылением практически свелось к нулю.
Если короб с алюминиевой вставкой обеспечил защиту на 5 дБ хуже во всем диапазоне частот, то металлическое напыление оказалось примерно в 100...1000 раз менее эффективным, чем экранированный кабель.
Воспользовавшись методикой, предложенной при разработке стандартов EIA/TIA 569 и EN50174-2, были получены зависимости предельно допустимых расстояний между трассами МКС и силовыми кабелями, проло-
0
100
200
s 300
Ï 400 S
І 500
О 600
£ 700
800 900 1000
1 2 3 4 5 кВА
ÍÍ-T
„
' ^ * *
V *
\
\
>
♦
ч
женными с использованием различных разделителей (рис. 6 на с. 61, рис. 7 на с. 62).
Из представленных зависимостей видно, что использование разделителя между неэкра-нированными силовыми и информационными кабелями МКС позволяет значительно уменьшить предельно допустимое расстояние. Так, при 3 кВА алюминиевый разделитель позволяет уменьшить его почти в 1,5 раза, а стальной — в 2,6 раз, при 5 кВА, алюминиевый разделитель — в 1,2 раза, стальной — почти в
2 раза.
Таким образом, осуществлен анализ эффективности методов защиты МКС от внешних электромагнитных помех. Показано, что алюминиевая вставка в пластиковый короб наиболее эффективна на низких частотах. С увеличением рабочей частоты ослабление электромагнитных помех с помощью такой защиты падает, причем сборка кабелепровода из нескольких сегментов может ухудшить защиту еще на 5.10 дБ.
Показано, что использование в качестве защиты МКС коробов ПВХ с металлическим напылением мало эффективно. Относительно хорошую защиту они обеспечивают лишь на частотах 600.700 МГц, при этом даже одно сочленение короба уменьшает защитный эффект более чем на 5 дБ. С увеличением частоты и числа соединений эффективность защиты такого короба резко падает.
Было показано, что кабельные линии МКС, призванные обеспечить устойчивую работу в диапазоне частот свыше 600 МГц, должны быть не просто экранированными, а хорошо защищенными. При этом каждая пара должна иметь свой индивидуальный экран, а вся кабельная сборка — общую защиту, выполненную в виде фольги и оплетки.
Осуществлен расчет минимально допустимого расстояния от МКС до силовых линий. Показано, что уровень электромагнитных помех можно свести к минимуму при использовании в кабельном желобе с высокими краями металлического разделителя, если силовые
Рис. 6. Предельно допустимые расстояния между силовыми и информационными кабелями: а) без металлического разделителя; б) с алюминиевым разделителем; в) со стальным разделителем, где 1 — оба кабеля неэкранированы; 2 — силовой кабель экранирован; 3 — оба кабеля экранированы
Рис. 7. Предельно допустимые расстояния:
а) между неэкранированными силовыми и информационными кабелями;
б) между экранированными силовыми и неэкранирован-ными информационными кабелями;
в) между экранированными силовыми и информационными кабелями, где 1 — без металлического разделения; 2 — с алюминиевым разделителем; 3 — со стальным разделителем
кабели распределены по одному краю, а кабели данных — по другому.
Показано, что использование разделителя между неэкранированным силовым и информационным кабелем МКС позволяет
значительно уменьшить предельно допустимое расстояние. Так, при 3 кВА алюминиевый разделитель уменьшает его почти в 1,5 раза, стальной — в 2,6 раз. При 5 кВА, соответственно, — в 1,2 и 2 раза.
Литература
1. ВоловодовА.А. Европейская директива электромагнитной совместимости. Сети и системы связи. 1997. № 10. С. 30; 1997. № 12. С. 48.
2. Ригглсуорт К. Экранирование кабельных коробов // Сети и системы связи. 1998 г., апрель. www.ecolan.ru.
3. Гальперович Д.Я. Для чего кабелю экран? // Журнал «LAN». 2000. № 5. // Изд-во «Открытые Системы». www. osp.ru.
4. Гудошник А.М., Артюшенко В.М. Проблемы межкабельных наводок и электромагнитной совместимости в кабельных системах // Материалы VIII Международной научно-практической конференции «Наука — сервису». М.: МГУС, 2003. С. 105-107.
5. Орлов С. Последнее поколение неэкранированной медной проводки // Журнал «LAN». 2002. № 3. // Изд-во «Открытые системы». www.osp.ru.
6. ГродневИ.И. Кабели связи. М.: Энергия, 1976. 270 с.
7. Гроднев И.И, Фролов Н.А. Коаксиальные кабели связи. М.: Радио и связь, 1983. 209 с.
8. Бранзбург Б.Я., Дорезюк Н.И., Мальков Б.В. и др. Провода и кабели для радиоэлектронной аппаратуры. М.: Информэлектро, 1989. 132 с.
