Надо ли экранировать СКС?

В мировой практике кабельные системы реализуются преимущественно в неэкранированном варианте, в связи с чем возникает резонный вопрос: так, может, следует вообще отказаться от экранированных систем? Пользователям хорошо знакома проблема выхода из строя жестких дисков компьютера. Однако они вряд ли смогут припомнить случаи отказа ИТ-систем из-за электромагнитных помех, чему в немалой степени способствует как статистический характер соответствующих возмущений, так и наличие механизма исправления ошибок в протоколе Ethernet. Исследования, проведенные в конце 90-х годов, продемонстрировали, что неудовлетворительные характеристики электромагнитной совместимости линий воспринимаются пользователями как высокая нагрузка на сеть. Ошибки в передаваемой информации, возникающие вследствие влияния электромагнитных наводок, ничем не отличаются от коллизий и интерпретируются сетевым оборудованием Ethernet именно таким образом. В тяжелых случаях это может привести к полному отказу сети, но поскольку подобные явления происходят редко, на них не обращают внимания.

Представленная статистика была накоплена при работе с сетевым оборудованием стандартов 100BaseTX и 1GBaseT, которое обладает заметно более высокой степенью защиты от внешних воздействий по сравнению с интерфейсами 10GBaseT. Последние — при всей эффективности использования рабочих частот благодаря искусной обработке широкополосного сигнала — оказываются намного чувствительнее к разного рода помехам из-за минимальных уровней сигнала. Вывод следует незамедлительно: альтернативы экранированию нет.

При подготовке проекта построения кабельной инфраструктуры особое значение придается защите инвестиций, направляемых на ее создание, и экономической целесообразности. В идеальном случае разработку концепции и технических решений на ее основе выполняет специалист, независимый от производителя СКС, при этом он осуществляет всестороннюю оптимизацию с учетом всего комплекса параметров. Как показывает опыт, наилучшую защиту инвестиций обеспечивают продукты с наилучшими характеристиками. Тем не менее постоянно растет доля проектов, где используется низкокачественное, но зато более дешевое оборудование, а в ходе работ нарушаются правила инсталляции.

БАЗОВЫЕ ОСНОВЫ ЭКРАНИРОВАНИЯ

Электромагнитные помехи по большей части носят несимметричный характер. Это означает, что изменение напряжения, создаваемого этим источником, происходит относительно земли. Симметричные кабельные цепи эффективно подавляют помеху независимо от природы ее возникновения, если только помеха действует на оба провода симметричного тракта передачи одинаковым образом (см. Рисунок 1). Данный случай соответствует идеальной симметрии и означает, что обе помеховые составляющие вычитаются друг из друга. Известно, однако, что в реальности полной компенсации не происходит. Численной мерой отклонения от идеального случая служит специальный параметр — затухание несимметричных помех (Transversе Conversion Loss, TCL). В результате предельная величина подавления помехи ограничена 40 дБ, что в ряде практически важных случаев оказывается недостаточным. Для доведения степени подавления внешней помехи до нужного значения используется дополнительный проводник, изготовленный в форме трубки, который защищает пару проводов со всех сторон. Вместо трубки удобнее использовать ее аналог в виде оплетки, обеспечивающей необходимую защиту и почти не ограничивающей гибкость кабеля. Механизм действия экрана показан на Рисунке 1. Электростатическое воздействие блокируется полностью за счет эффекта клетки Фарадея. Магнитное поле в значительной степени подавляется благодаря явлению взаимной индукции. В результате высокочастотное излучение имеет сравнительно небольшую глубину проникновения и не достигает внутреннего проводящего контура.

Рисунок 1. Электромагнитные помехи по большей части носят несимметричный характер. Это означает, что изменение напряжения, создаваемого этим источником, происходит относительно земли. Симметричные кабельные цепи эффективно подавляют помеху независимо от природы ее возникновения, если помеха действует на оба провода симметричного тракта передачи одинаковым образом.

Рисунок 2. Проблема электромагнитной совместимости отдельных электрических устройств остается актуальной вот уже несколько лет. Наиболее сложным случаем является наличие помех, которые действуют на тракты передачи извне и приводят к отказу системы.

Проблема электромагнитной совместимости отдельных электрических устройств не теряет своей актуальности уже длительное время. Наибольшие проблемы вызывают те помехи, которые действуют на тракт передачи извне и приводят к отказу системы (см. Рисунок 2). На оборудование локальных сетей в частотном диапазоне 80,0 МГц – 2,0 ГГц воздействует большое количество различных источников. Например, помехи создают мобильные телефоны, стационарные радиостанции, телевизионные и радиовещательные передатчики, переносные радиостанции и различные промышленные ВЧ-установки. Нарушение функционирования локальной сети происходит в тот момент, когда данные устройства генерируют импульсную помеху, мощность которой превышает порог нечувствительности сетевого оборудования. Другими источниками помех являются силовые электрические кабели и работающие люминесцентные лампы.

КЛАССЫ ЭКРАНИРОВАНИЯ СИММЕТРИЧНЫХ КАБЕЛЕЙ

Для того чтобы сравнение экранированных и неэкранированных систем в конкретном проекте было наиболее эффективным, необходимо ввести соответствующую численную меру. В этом вопросе так называемое сопротивление связи мало чем может помочь. Дело в том, что этот классический в области экранирования параметр не определен для неэкранированных систем. Сопротивление связи удобно тем, что зависит исключительно от конструкции кабеля, а не от условий окружающей среды и схемы включения изделия. Данный параметр обладает определенной частотной зависимостью, причем чем ниже его абсолютное значение, тем меньше мешающее напряжение, наводимое током внешней помехи, который протекает в экране. Стандарт IEC61156-5 различает две группы изделий: с уровнем 1 (оплеточный экран) и с уровнем 2 (кабель с пленочным экраном). Для многих пользователей определение сопротивления связи представляется слишком абстрактным, а потому непонятным.

С целью устранения указанного выше недостатка в стандарте IEC 62153-4-5 был введен специальный параметр затухания экранирования, который в количественной форме характеризует комбинированное действие экрана (при его наличии) и скрутки отдельных пар симметричного кабеля. Процедура определения затухания экранирования построена таким образом, что она выполняется в условиях обычного функционирования сети, что позволяет отделить зерна от плевел. В Таблице 1 сравниваются требования к кабелю для построения СКС, причем соответствие между конструктивными вариантами исполнения кабеля и требованиями к характеристикам их устойчивости к внешним помехам отвечает типичным результатам измерений. На основании представленных данных можно сделать вывод, что кабель UTP обеспечивает степень подавления внешней помехи в 1000 раз (40 дБ), в то время как у конструкций S/FTP значение этого параметра достигает 30 000 (85 дБ).

Таблица 1. Сопротивление связи и затухание экранирования для кабелей различных разновидностей.

ТРЕБОВАНИЯ К ПРОСТРАНСТВЕННОМУ РАЗДЕЛЕНИЮ ЛИНИЙ

Хорошо известный инсталляционный стандарт EN 50174-2 наряду с общими рекомендациями по проведению монтажных работ содержит ряд указаний относительно совместной прокладки силовых и информационных кабелей, в том числе рекомендуемых расстояний между ними и применения разделителей на трассах. Подробные рекомендации по разнесению силовых и информационных кабелей введены и в последнюю редакцию стандарта EN 50174-2:2009, причем включенная в него информация может использоваться и при построении экранированных и неэкранированных конструкций (см. Таблицу 2).

Таблица 2. Классификация кабелей для передачи информационных сигналов.

Величина пространственного разноса силовых и информационных кабелей зависит от следующих факторов:

сопротивления связи (качества экрана) информационного кабеля;
особенностей конструкции и количества цепей передачи тока в силовых кабелях;
наличия разделительных перегородок в кабельных каналах.

Минимальное расстояние А между силовыми и информационными кабелями рассчитывается как А = S × P, где S — минимальное расстояние без применения разделителя, Р — поправочный коэффициент.

Пример. Структурированная кабельная система полностью соответствует требованиям стандарта EN 50173 и построена на основе кабелей Категории 7. Класс разделения без применения перегородки определен как d и дает S = 10 мм. 80% кабельных каналов, доступных на рынке, изготавливаются из поливинилхлорида. В канале прокладывается 10 силовых кабелей. Такие условия соответствуют Р = 0,8 и А = S × P = 10 мм × 0,8 = 8 мм.

При первой инсталляции кабельной системы и модернизации уже построенной ранее необходимо обратить внимание на часто встречающиеся ошибки (см. Рисунок 3). Они связаны с тем, что силовые и информационные кабели прокладываются в одном канале, что не исключает прямого контакта этих разнородных изделий. Чаще всего данная ситуация становится возможной из-за отсутствия разделительной перегородки в настенных коробах. Отрицательные последствия такого нарушения сильно зависят от дальности связи и числа кабелей в канале. Верхние кабели своей массой давят вниз, что приводит к дополнительному сближению отдельных групп кабельных изделий.

Рисунок 3. Силовые и информационные кабели часто прокладываются в одном канале. При этом не исключен прямой контакт этих разнородных изделий.

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКРАНИРОВАНИЯ

Для оценки стоимости решения рассмотрим несколько возможных сценариев построения горизонтальной подсистемы в случае ее реализации на элементной базе различного вида. Анализ будем проводить для трех типичных однородных и неоднородных сетей различного размера:

Небольшая смешанная инсталляция, что в общем случае может означать прокладку кабелей недалеко от производственных помещений, где вероятно воздействие достаточно мощных электромагнитных помех. На каждый информационный кабель приходится один силовой кабель 3 × 1,5 мм².
Офисная гетерогенная сеть среднего размера с низковольтным электроснабжением терминальных устройств локальной сети. На каждый силовой кабель приходится три информационных.
Масштабная офисная сеть с высокой плотностью размещения рабочих мест, в которой информационные кабели имеют доминирующее значение и разделены на отдельные сегменты. На каждый силовой кабель приходится пять информационных.

Для данной задачи класс кабельной системы имеет второстепенное значение. Однако для большей определенности дальнейший анализ будем вести исходя из применения кабельной системы класса ЕА. Согласно перспективному стандарту EN 50288-10-1, в таких условиях допустимо применять кабели, которые относятся к классам разделения с или d, то есть кабельные каналы должны быть оснащены в соответствии с требованиями стандарта EN 50174-2. Соответственно, возможно три варианта реализации кабельных каналов:

классический пластиковый канал, в котором установлена разделительная стенка;
пластиковый трехсекционный канал;
металлический кабельный канал с металлическими разделителями.

В случае офисной сети малого или среднего масштаба плотность слаботочных кабелей оказывается сравнительно высокой. В этой ситуации использование относительно недорогих информационных кабелей с классом разделения с требует увеличения расстояния между кабелями или применения металлической разделительной перегородки.

Экономичная пластиковая стенка разделяет кабельные пучки, однако не обеспечивает того расстояния между ними, которое нормируется стандартом EN50174-2. Металлические разделительные стенки, устанавливаемые в пластиковых каналах (вариант 1), позволяют добиться необходимой степени подавления мешающего воздействия, но стоимость решения значительно возрастает. Последнее обусловлено не только применением более дорогого материала для стенки, но и необходимостью ее заземления. С учетом данных обстоятельств такие кабельные каналы целесообразно использовать для кабелей с классом разделения не ниже d.

Трехкамерные каналы (вариант 2) обеспечивают большое расстояние между двумя кабельными пучками и позволяют применять кабели с классами разделения с и d, то есть в обоих случаях представляют собой экономичное решение. Тем не менее следует иметь в виду, что разделение в трех камерах выполняется при помощи пластиковых перегородок с ограниченным действием. Разделительные перегородки должны устанавливаться таким образом, чтобы расстояние между кабельными пучками было не менее 50 мм — именно такое значение рекомендуется для кабелей, отвечающих требованиям класса d по разделению.

Наилучшие характеристики обеспечивают металлические кабельные каналы, которые дополнительно снабжаются металлическими разделительными перегородками. В этом случае заземляется весь канал. Изоляция наиболее эффективно снижает уровень электромагнитного воздействия, что позволяет использовать информационные кабели с классом разделения с. Тем не менее высококачественное экранирование, выполняемое с помощью такого кабельного канала, вызывает ряд вопросов. Необходимость в разделении может возникнуть самое позднее при прокладке кабелей к этажным распределителям, и тогда снова может появиться потребность в кабелях с классом разделения d.

Построение крупномасштабных офисных кабельных систем имеет свои особенности. С учетом того, что силовые кабели прокладываются по своим маршрутам, в данной ситуации можно воспользоваться классическим пластиковым коробом (вариант 1), который, однако, должен быть выполнен по трехкамерной схеме. При одинаковых путях прокладки силовых и распределенных кабелей общая картина аналогична офису среднего масштаба. Ввиду сравнительно низкой плотности силовых кабелей металлические каналы в этой среде не могут проявить свои преимущества по разделению цепей и лишь повышают стоимость прокладки информационных сетей. В качественной форме данные положения представлены в Таблице 3. Расчеты, проведенные для офисов среднего масштаба с нормальной электромагнитной обстановкой при наличии 15 информационных кабелей в канале, показали, что использование кабелей класса d ведет к наименьшей стоимости проекта при всех трех вариантах реализации каналов.

Таблица 3. Расходы на заземление (+) и общая стоимость (€) для сетей различных масштабов при использовании разных типов кабельных каналов.

Зоран Борчич — менеджер по продуктам в регионе ЕМЕА компании Draka Comteq, Карстен Фэр — менеджер по маркетингу компании Draka Comteq.