Защита мультимедийных кабельных систем от внешних электромагнитных воздействий

УДК 621.316

Защита мультимедийных кабельных систем от внешних электромагнитных воздействий

К.А. Енютин

Проанализирована эффективность методов защиты мультимедийных кабельных систем от внешних электромагнитных воздействий, рассмотрены пути повышения эффективности методов защиты с учетом электромагнитной совместимости мультимедийных кабельных систем.

Efficiency of protection methods of multimedia cable systems from external electromagnetic intrusion, illustrates the ways to improve protection methods efficiency in the context of electromagnetic compatibility of multimedia cable systems was analyzed.

Введение

Современное электротехническое оборудование мультимедийных кабельных систем (МКС) достаточно надежно, однако неуклонное движение в область высоких частот делает проблему электромагнитной совместимости (ЭМС) все более и более актуальной [1, 2]. Данная проблема имеет два аспекта - влияние собственных излучений МКС на работу других устройств и их уязвимость от внешних электромагнитных воздействий.

При создании МКС приходится учитывать различные аспекты ЭМС применительно к системам, интегрированным в здания и занимающим площади в сотни и тысячи квадратных метров.

Особую актуальность эта проблема приобретает при прокладке МКС в непосредственной близости от телекоммуникационных и силовых кабелей, а также передаче по ним различных высокоскоростных протоколов.

Для обеспечения работы высокоскоростных протоколов наиболее эффективным решением проблемы ЭМС является экранирование кабелей, однако, к сожалению, доля экранированных и защищенных кабелей пока еще не велика. Наиболее эстетичным и достаточно распространенным вариантом подвода кабелей к заданному месту является создание каналов прокладки с помощью кабелепроводов из ПВХ. В настоящее время наиболее широкое применение нашли два варианта экранирования кабелепроводов: использование металлических вставок, устанавливаемых в желоб, и нанесение металлического покрытия методом вакуумного напыления.

Проведем анализ эффективности защиты мультимедийных кабельных систем от внешних электромагнитных воздействий с точки зрения электромагнитной совместимости МКС.

Сравнительный анализ эффективности методов защиты мультимедийных кабельных сетей от внешних электромагнитных возмущений

Любые внешние возмущения электромагнитного поля в помещениях, где проложены МКС, например, включение электроприводов лифтов, срабатывание кондиционеров, люминесцентных ламп, работа радиотелефонов и систем микросотовой связи, наводят электрические токи в кабелях, а также могут вызвать не только потерю качества передаваемой по МКС различного рода информации, но и привести к полному ее сбою [3...5]. Как правило, МКС различных офисов и предприятий оказываются в буквальном смысле окруженными со всех сторон всевозможными высокочастотными кабелями, являющимися источниками электромагнитного излучения.

Как уже было отмечено, в настоящее время для защиты от внешних электромагнитных излучений при прокладке МКС внутри помещений, наиболее широкое распространение получили кабеле-проводы, экранированные с помощью металлических вставок, устанавливаемых в желоб, или нанесения металлического покрытия методом вакуумного напыления.

Для осуществления сравнительной оценки эффективности методов экранирования была использована методика, разработанная в Великобритании группой специалистов из Ассоциации поставщиков электрооборудования [3].

Эффект экранирования оценивался следующим образом. Контрольные неэкранированные кабели подвергали воздействию электромагнитного излучения и измеряли наведенное напряжение. Затем кабели помещали внутри экранирующей оболочки и измеряли наведенные напряжения при том же уровне внешних помех. Разница в уровне наво-

док в определенном диапазоне частот позволяла судить об эффективности того или иного типа защиты.

На рис. 1 представлены усредненные результаты измерений эффективности экранирования кабеля, помещенного в пластиковый короб с алюминиевой вставкой.

Рис. 1. Ослабление ЭМП коробом ПВХ с алюминиевой вставкой, выполненного из одного ( кривая 1), двух (кривая 2), трех (кривая 3) и четырех (кривая 4) сегментов

На рис. 2. представлены усредненные результаты измерений эффективности экранирования кабеля, помещенного в пластиковый короб с металлическим напылением.

Рис. 2. Ослабление ЭМП коробом ПВХ с металлическим напылением, выполненного из одного (кривая 1), двух (кривая 2), трех (кривая 3) и четырех (кривая 4) сегментов

Анализ представленных зависимостей показывает, 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.

Использование в качестве защиты коробов ПВХ с металлическим напылением малоэффективно. Относительно хорошую защиту они обеспечи-

вают лишь на частотах 600.700 МГц. При этом даже одно соединение пластикового короба может уменьшить защитный эффект более чем на 5 дБ. С увеличением частоты и числа соединений эффективность защиты короба с металлическим напылением резко падает.

В диапазоне 600 МГц эффективность экранирования с помощью алюминиевой вставки в пластиковый короб составила около 20 дБ, металлического напыления - 18 дБ. Уровень наводок в кабеле, помещенном в алюминиевую вставку, был в 300 раз, а в коробе с металлическим напылением и одним соединением - в 10 раз ниже, чем при непосредственном воздействии внешних электромагнитных возмущений.

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. Оболочка должна полностью окружать кабели и иметь потенциал, близкий к нулевому потенциалу относительно земли.

Заземление оболочки наиболее важно для эффективного экранирования кабелей. Однако эти данные относятся к кабелепроводам, выполненным в виде единого конструктивного элемента. На практике любой кабелепровод состоит из десятков элементов. Поэтому наиболее актуальной оказывается проблема электрического соединения металлического напыления секций и элементов, а также 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, рекомендуется прокладывать дополнительный заземленный провод внутри экранированного сегмента короба, а также обеспечивать электрическое

соединение всех его элементов. Кроме того, необходимо обеспечить электрический контакт всех элементов кабелепровода друг с другом и их надежное заземление.

Заметим, что целесообразность нанесения металлического покрытия является спорным вопросом только при использовании в изделиях большой длины. При небольших размерах и на частотах близких к 600 МГц металлическое покрытие является довольно эффективным методом экранирования и поэтому нашло сравнительно широкое применение [6 - 8].

Результаты экспериментальных исследований показали, что 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.

Следует отметить, что в этом случае металлическое напыление короба практически ничего не добавит к такой защите и поэтому будет практически нецелесообразным.

Расчет электромагнитной совместимости при прокладке мультимедийных кабельных сетей параллельно информационным кабелям

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 - 201в

где Апп = - ослабление электромагнитных по-

мех для двух параллельно проложенных кабелей в зависимости от рабочей частоты «мешающего» кабеля ^п; Ьи - длина кабеля, подверженного воздействию электромагнитной помехи, м; I - расстояние между «мешающим» кабелем и кабелем, подверженным воздействию помехи, м; Як - сопротивление кабеля, Ом.

Значения Апп могут быть найдены по графикам рис. 3 [9].

Из представленных на рис. 3 зависимостей видно, что при параллельной прокладке двух неэк-

Рис. 3. Ослабление электромагнитных помех при параллельной прокладке двух неэкранированных кабелей, один из которых является «мешающим»: кривая 1 - Ьп = 10 м, I = 0,01 м; кривая 2 - Ьп = 2 м, I = 0,01 м; кривая 3 - Ьп = 1м, I = 0,01 м

ранированных кабелей, один из которых является для другого источником ЭМП, с увеличением рабочей частоты «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 для параллельно проложенных кабелей при Ьи = 1 м, I = 0,01 м.

Рис. 4. Ослабление электромагнитных помех, при параллельной прокладке двух кабелей: кривая 1 - один кабель экранирован; кривая 2 - оба кабеля экранированы

Из представленных зависимостей видно, что ослабление электромагнитных помех Апп 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 следующее: обеспечить их хотя

бы простейшим защитным экраном; 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: использование коробов из ПВХ с алюминиевой вставкой; использование коробов из ПВХ с металлическим напылением; экранирование кабеля.

Усредненные результаты зависимости ослабления ЭМП при использовании вышеперечисленных способов защиты кабеля представлены на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость относительного ослабления ЭМП от частоты для различных способов защиты информационного кабеля при параллельной прокладке «мешающего» кабеля: кривая 1- кабель экранирован; кривая 2 - кабель помещен в ПВХ короб с алюминиевой вставкой; кривая 3 - кабель помещен в ПВХ короб с металлическим напылением

Анализ результатов измерений показал, что наилучшую защиту обеспечил экранированный кабель, 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. Причем на частоте 800 МГц ослабление ЭМП коробом с металлическим напылением практически свелось к нулю.

Таким образом, нанесение металлического покрытия на внутреннюю поверхность ПВХ кабелепроводов значительно менее эффективно, чем использование алюминиевых вставок, и его целесо-

образно использовать на частотах, не превышающих 400.600 МГц.

Расчет минимально допустимых расстояний от мультимедийных кабельных сетей до силовых линий

При прокладке МКС рекомендуется соблюдать стандарты, определяющие расстояние между телекоммуникационными и силовыми кабелями. Так, например, при параллельной прокладке телекоммуникационных и силовых кабелей расстояние между ними должно быть не менее 127 мм, причем, чем выше напряжение и мощность силовой проводки, тем больше должно быть это расстояние [1].

В таблице представлены минимально допустимые расстояния до силовых линий, определенные стандартом Е1А/Т1А 569. Из приведенной таблицы видно, что применение металлических кабелепроводов позволяет значительно уменьшить расстояние между телекоммуникационными и силовыми кабелями. Причем, если металлические кабелепро-воды имеют хорошее заземление, то это расстояние можно еще уменьшить почти в два раза.

Таблица. Минимально допустимые расстояния до силовых линий

Условия прокладки кабелей Минимально допустимые расстояния, мм

До 2 кВА 2 - 5 кВА Более 5 кВА

Незащищенные силовые линии вблизи открытых или неметаллических кабелепроводов 127 305 610

Незащищенные силовые линии вблизи заземленных металлических кабелепроводов 64 152 305

Силовые линии в заземленных металлических кабелепроводах вблизи заземленных металлических кабелепроводов - 76 152

Если трассы МКС совмещены с электроэнергоснабжением, то уровень электромагнитных помех можно свести к минимуму при помощи кабельного желоба с высокими краями, с использованием металлического разделителя, особенно если силовые кабели распределены по одному краю желоба, а информационные по другому.

С помощью методики, предложенной при разработке стандартов Е1А/Т1А 569 и ЕШ0174-2, были получены зависимости предельно допустимых расстояний между трассами МКС и силовыми кабелями, проложенными с использованием различных разделителей (рис. 6, 7).

ё!

Рис. 6. Предельно допустимые расстояния между силовыми и информационными кабелями: а - без металлического разделителя; б - с алюминиевым разделителем; в - со стальным разделителем

Из представленных зависимостей видно, что использование разделителя между неэкранирован-ными силовыми и информационными кабелями МКС позволяет значительно уменьшить предельно допустимое расстояние. Так, при 3 кВА алюминиевый разделитель позволяет уменьшить его почти в

«1

Рис. 7. Предельно допустимые расстояния между: неэкра-нированными силовыми и информационными кабелями

1,5 раза, а стальной - в 2,6 раз, при 5 кВА алюминиевый разделитель - в 1,2 раза, стальной - почти в 2 раза.

Исследования показывают, что 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 не больше, чем для неэкранированных кабелей, помещенных в металлическую заземленную защиту.

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.

Следует заметить, что при прокладке силовых и информационных кабелей под фальшполом необходимо проектировать кабельные трассы МКС таким образом, чтобы их параллельное прохождение было минимальным, а их пересечение осуществлялось только под прямым углом, причем в точках пересечения трасс должны быть предусмотрены специальные разделяющие мостики. Кабельные трассы МКС должны проходить не ближе чем в 500 мм от газоразрядных ламп дневного света и других высоковольтных устройств, содержащих разрядники.

Представленный анализ эффективности методов защиты МКС от внешних электромагнитных помех показал, что алюминиевая вставка в пластиковый короб наиболее эффективна на низких частотах, а использование в качестве защиты МКС коробов ПВХ с металлическим напылением эффективно лишь на частотах 600...700 МГц. При этом с увеличением частоты и числа соединений таких коробов эффективность защиты резко падает.

Наилучшая защита от электромагнитных и радиочастотных помех достигается путем прокладывания кабелей внутри металлической оболочки, которая должна полностью окружать кабели и иметь потенциал, близкий к нулевому потенциалу относительно земли.

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.

Сравнительный анализ защиты от взаимного влияния кабелей, проложенных параллельно в одном и том же кабелепроводе, показал, что наилучшую защиту обеспечил экранированный кабель, алюминиевая вставка - примерно на 5 дБ хуже во всем диапазоне частот, а металлическое напыление оказалось примерно в 100.1000 раз менее эффективным, чем экранированный кабель.

Нанесение металлического покрытия на внутреннюю поверхность ПВХ кабелепроводов значительно менее эффективно, чем использование алюминиевых вставок, и его целесообразно использовать на частотах, не превышающих 400.600 МГц.

Осуществлен расчет минимально допустимого расстояния от МКС до силовых линий. Показано, что уровень электромагнитных помех можно свести к минимуму при помощи кабельного желоба с высокими краями, особенно если силовые кабели распределены по одному краю, а кабели данных по другому, с использованием металлического разделителя.

Показано, что использование разделителя между неэкранированным силовым и информационным кабелем МКС позволяет значительно уменьшить предельно допустимое расстояние.

ЛИТЕРАТУРА

1. Воловодов А.А. Европейская директива электромагнитной совместимости. - Сети и системы связи, 1997, № 10, с. 30; № 12, с. 48.

2. Ригглсуорт К. Экранирование кабельных коробов. -Сети и системы связи, 1998; www.eco1an.ru.

3. Гальперович Д.Я. Для чего кабелю экран? - ЬАМ, 2000, № 05; www.osp.ru.

4. Гудошник А.М., Артюшенко В.М. Проблемы межка-бельных наводок и электромагнитной совместимости в кабельных системах// Материалы 8-й Между-нар. науч.-практ. конф. «Наука - сервису». - М.: МГУС, 2003.

5. Орлов С. Последнее поколение неэкранированной медной проводки. - ЬАМ, 2002, №03; www.osp.ru.

6. Гроднев И.И. Кабели связи. - М.: Энергия, 1976.

7. Гроднев И.И, Фролов НА. Коаксиальные кабели связи. - М.: Радио и связь, 1983.

8. Бранзбург Б.Я., Дорезюк Н.И., Мальков Б.В. и др. Провода и кабели для радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Информэлектро, 1989.

9. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. В 3-х вып. Вып. 2. Внутрисистемные помехи и методы их уменьшения/ Сокр. пер. с англ. под. ред. А.И. Сап-гира. - М.: Сов. радио, 1978.

Поступила 15. 03. 2008 г.