Мифы об экранированных кабельных системах.

Миф №1. Двухстороннее заземление и токовая петля

Данной статьей мы начинаем серию публикацию на тему распространенных заблуждений о сложностях монтажа экранированных кабельных систем, связанных с их конструкцией и подключением к системе заземления. В большинстве своем эти заблуждения не соответствуют действительности, и мы предлагаем разобраться в них.

Согласно требованиям нормативных документов, заземление телекоммуникационных шкафов и стоек с оборудованием обязательно для обеспечения электрической безопасности в помещении и электромагнитной совместимости оборудования. Это требование справедливо для любых кабельных проводок, поэтому вопросы заземления приходится решать и для экранированных, и для неэкранированных информационных систем.

Действующий европейский стандарт EN 50174-2, регламентирующий вопросы инсталляции структурированных кабельных систем, обязывает использовать на объекте инсталляции СКС систему электропитания TN-S типа, в которой нулевой N и защитный PE проводники разделены (и соединяются вместе только на главной заземляющей шине здания):

7.1.3 Заземление системы распределения электропитания переменного тока

7.1.3.1 Основные требования

a) При инсталляции СКС следует использовать систему электропитания ТN-S типа. Исключения возможны только для высоковольтных систем распределения электропитания, при наличии требований к бесперебойности электроснабжения (например больницы), а также если данное требование указано в национальных/региональных нормативных документах.»

Российский стандарт ГОСТ Р 50571.21-2000 «Заземляющие устройства и системы уравнивания электрических потенциалов в электроустановках, содержащих оборудование обработки информации» определяет систему TN-S типа обязательной для любых новых зданий.

Рис.1 Заземление системы распределения электропитания переменного тока

Применение системы заземления TN-S в комбинации с системой выравнивания потенциалов, позволяет исключить разность потенциалов между корпусами IT-оборудования и, соответственно, наличие токов в защитном проводнике.

Между тем считается, что экранированные системы обязательно должны быть подключены к системе заземления с двух сторон: со стороны телекоммуникационного шкафа и со стороны рабочего места.

Чтобы прояснить ситуацию, обратимся к стандарту EN 50174-2. О заземлении экранированных кабельных систем в стандарте сказано следующее:

4.7.1.2 Экранированная кабельная система

Кабельный экран должен быть непрерывным на всем протяжении от передатчика до приемника.

При подготовке к инсталляции следует учитывать способ заземления экранированной кабельной системы, так как заземление необходимо для повышения помехозащищенности и электромагнитной совместимости кабельного экрана.

С практической точки зрения:

а) заземление кабельного экрана с одной стороны создается для противодействия низкочастотным электромагнитным полям (помехоустойчивость зависит от свойств кабельного экрана).

б) дополнительная защита от высокочастотных электромагнитных полей обеспечивается при заземлении кабельного экрана с двух сторон.

Замечание 1. При соединении оборудования с экранированной проводкой, заземленной с одной стороны, создается двухстороннее заземление кабельной системы.

Для повышения свойств экрана в условиях низкочастотных магнитных полей (50 Гц) в качестве материала экрана применяются специальные материалы (пермаллой и т.п.)»

На этапе проектирования рекомендуется учитывать различие в электромагнитных характеристиках экранированных систем в зависимости от способа инсталляции и свойств кабельного экрана. В стандарте не указывается на обязательность подключения кабельного экрана с двух сторон к системе заземления.

Независимое исследование «Сравнение неэкранированных и экранированных кабельных систем при передаче данных 10 Гбит/с», выполненное немецкой испытательной лаборатории GHMT, позволяет опровергнуть устоявшийся миф. В рамках данного исследования производилась передача данных 10 Гбит/с на реальном оборудовании 10 GBASE-T в условиях окружающей среды, соответствующих международной классификации MICE стандарта ISO/IEC TR 29106. На рисунках 2 и 3 показаны результаты испытаний воздействия электромагнитных помех на экранированные кабельные системы, заземленные с одной или с двух сторон.

Рис.2 Экранированная кабельная система с общим экраном из фольги (F/UTP).

Рис.3 Дважды экранированная кабельная система с общим экраном из медной луженой проволоки и индивидуальным экраном пар из фольги (S/FTP)

По результатам испытаний не было выявлено каких-либо преимуществ двустороннего заземления. Экранированные кабельные системы оказались одинаково устойчивы к электромагнитным помехам как при заземлении с двух сторон, так и при заземлении с одной стороны.

При этом, характеристики электромагнитной совместимости качественных экранированных систем значительно превосходили требования к офисным кабельным системам (уровень E1 в соответствии с классификацией MICE). Система F/UTP сохраняла работоспособность при уровне электромагнитных помех E2, а система S/FTP функционировала при уровне помех E3, соответствующем жестким условиям на промышленном производстве.

Рис.4 Заземление кабельных экранов

Можно сделать вывод, что для экранированных кабельных систем заземление кабельного экрана с двух сторон не требуется.

Рис.5 Заземление экранированного корпуса гнезда на корпус панели

На практике, заземление кабельных экранов производится только с одной стороны – в телекоммуникационном шкафу (Рис.4). Для этого шкаф должен быть подключен к заземляющей шине в этажном распределительном узле. Каждая коммутационная панель индивидуально заземляется через штатный VDE-болт заземления или зубчатую шайбу. Заземление экранированного корпуса гнезда на корпус панели обеспечивается надежным контактом с неокрашенной стороной панели. Благодаря автоматическому круговому кабельному зажиму, входящему в состав гнезда, производится заземление непрерывного кабельного экрана через экранированный корпус гнезда.

Однако, на некоторых существующих объектах выделенный заземляющий проводник отсутствует (система TN-C, совмещенный нулевой и защитный проводник PEN) или невозможно создать достаточную эквипотенциальность между телекоммуникационным шкафом и конечным оборудованием, что приводит к появлению токов на кабельном экране (токовая петля). Считается, что это ведет к неисправностям в работе экранированных cистем и невозможности передачи данных по ним. Результаты испытаний лаборатории GHMT опровергают этот миф.

При тестировании в различных режимах передачи данных (1 Гбит/с, смешанный трафик, 10 Гбит/с) на кабельный экран наводились токи в соответствии с требованиями MICE (Таблица 1). Величины токов, наведенных на кабельный экран Системы 05, соответствуют токам, возникающим на экране дважды экранированной кабельной линии (S/FTP) длиной 90м при разности потенциалов между соединяемыми точками в 1 В.

Таблица 1

Выяснилось, что наличие на кабельном экране токов указанной величины не влияет на передачу информационного трафика 1 и 10 Гбит/с (Таблица 2).

Таблица 2

Тем не менее, наличие разности потенциалов между корпусами ИТ-устройств может привести к помехам при передаче информации, выходу из строя данных устройств или даже к поражению людей электрическим током. Поэтому в отдельных случаях (при наличии системы TN-C и невозможности выравнивания потенциалов между устройствами) применяется гальваническая развязка. Для этой цели может выступать неэкранированный коммутационный шнур до оконечного оборудования. Его применение снижает эффективность экрана, но электромагнитные характеристики такой системы по-прежнему будут превосходить характеристики полностью неэкранированной системы.

При наличии значительной разности потенциалов между корпусами передающих устройств, рекомендуются использовать оптические кабели, которые обеспечивают полную гальваническую развязку.

Миф №2. Регламентное обслуживание и сложности монтажа

В данной статье мы продолжим рассказывать о распространенных заблуждениях, связанных со сложностью монтажа экранированных кабельных системах.

Среди заблуждений есть мнение, что экранированные системы нуждаются в обязательном регламентном обслуживании контактов экрана. Кроме того считается, что монтаж экранированных разъемов занимает существенно большее время по сравнению с монтажом аналогичных разъемов UTP-типа. Давайте разберемся в этих утверждениях.

Регламентное обслуживание заземлителей электроустановок, имеющих контакт с грунтом, обычно проводится с целью определения коррозионного состояния заземляющего устройства. Под коррозией понимается самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой, которое приводит к ухудшению функциональных характеристик электрических контактов.

Чтобы понять, какое отношение это имеет к СКС, обратимся к стандартам. В связи с отсутствием российской нормативной базы, описывающей вопросы проектирования и инсталляции СКС, рассмотрим требования и рекомендации действующих иностранных стандартов. Европейский стандарт EN 50174-2 приводит детальные рекомендации по монтажу экранированных кабельных систем:

5.3.6.3 Экранированная кабельная система

Кабельный экран должен быть непрерывным и полностью охватывать кабельную линию на протяжении всей ее длины от передатчика до приемника. Соединение кабельных экранов различных элементов системы производится путем непосредственного контакта (соединение экранов допустимо также через заземляющий проводник). Кабельный экран должен быть правильно заделан во всех точках соединения.

1. Особое внимание необходимо обращать на монтаж разъемов. Контакт экрана разъема с кабельным экраном должен быть круговым на 360° согласно правилу клетки Фарадея. Соединение с кабельным экраном должно обладать низким сопротивлением.
2. Следует избегать нарушения целостности экрана, в том числе даже небольших отверстий в нем, а также использования полушнуров.
3. Контакт экрана должен быть надежным и прочным, например, при помощи зажима.
4. Экран не нужно использоваться в качестве компенсатора кабельной нагрузки.
5. Экран должен быть заземлен в соответствии с требования технического задания и требований п. 4.7 настоящего Стандарта.
6. Контакты экрана должны быть защищены от коррозии и обеспечивать надежное соединение между экранами различных экранированных элементов (в зависимости от характеристик окружающей среды возможно проведение периодического регламентного обслуживания согласно EN 50174-1).»

Обратившись к стандарту EN 50174-1 (обеспечение качества при инсталляции СКС), мы найдем следующее:

4.3.3.1 Требования к компонентам

От производителей / поставщиков кабелей и коммутационно-соединительного оборудования необходимо получить подтверждение совместимости компонентов между собой при построении кабельной системы и гарантии сохранения эксплуатационных характеристик компонентов, экранов и заземляющих контактов (если требуется) на протяжении срока службы кабельной системы.»

Таким образом, согласно стандарту EN 50174-1 необходимость регламентного обслуживания контактов экрана зависит от рекомендаций производителя оборудования.

Стандартизацией физических характеристик электротехнического и электронного оборудования занимается организация IEC (Международная электротехническая комиссия). Требования стандартов IEC предъявляются к надежности соединения сигнальных контактов и контактов экранов. Стандарты IEC (в частности IEC 60603-7-x для соединителей RJ-45) предъявляют одинаковые требования к характеристикам и методике тестирования обоих типов контактов. Сопротивление контактов (сигнального и контакта экранов) измеряется до и после проведения регламентных испытаний, которые состоят из испытаний на вибростойкость, чувствительность к колебаниям температуры и влажности, сухой жаре, коррозионную устойчивость. Контакты экрана компонентов дополнительно подвергаются измерениям на полное переходное сопротивление (Transfer Impendance) и затухание излучения (Coupling Attenuation). Кроме того, тестируемые компоненты испытываются на различные эффекты, возникающие в кабельной системе при длительной эксплуатации. Поскольку сигнальные контакты компонентов сохраняют работоспособность и обеспечивают надежное электрическое соединение без регламентного обслуживания, контакты экранов компонентов также не нуждается в регламентом обслуживании при условии прохождения полного цикла заводских испытаний на производстве.

Ведущие производители высококачественных экранированных кабельных систем не требуют регламентного обслуживания контактов экрана в случае, если эксплуатационные характеристики системы в целом и свойства экрана подтверждены заводскими испытаниями. На такие экранированные кабельные системы предоставляется долгосрочная Гарантия производителя.

Утверждение о длительности монтажа экранированных разъемов также не соответствует действительности. Внедрение современных технологий монтажа и модернизация конструкции современных экранированных гнезд (автоматический кабельный зажим экрана на 360°, автоматическая обрезка излишков проводников при заделке) позволяет производить оконцевание экранированного кабеля также просто и быстро, что и неэкранированного. Например, установка экранированного модульного гнезда Категории 6_А на дважды экранированный кабель S/FTP Кат. 7 600 МГц занимает менее 1 минуты. Оконцованная кабельная линия обеспечивает передачу приложений 10 Гигабит Ethernet и удовлетворяет требованиям Класса E_А для стационарной линии (Permanent link) в соответствии с Поправкой №2 к стандарту ISO/IEC 11801:2002.