Учебный курс R&Mfreenet Электромагнитная совместимость

1

Учебный курс R&MfreenetЭлектромагнитная совместимость

Москва, 2007 г

2

Содержание

A) Часть 1: Основы EMC

B) Часть 2: Требования EMC для пассивных компонентов

(Кабели, Коннекторы)

C) Часть 3: Практические тесты для сравнения UTP и FTP.

3

Что такое EMC?

ЭМС - это способность устройства (включая кабель) функционировать без ошибки в предполагаемой электромагнитной среде.

4

Каковы причины EMI?

Автомобильные двигатели

Радар / Микроволновые передатчики

Электрические магистрали /

Силовые кабели

Молния

Космическая радиация

Флуоресцентное

освещение

Электрические генераторы,

моторы

Мобильныетелефоны

5

Модель взаимовлияния

Источники излучения Воздействуют на

Взаимовлияние цепей

Радиоизлучение

- ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА

- Средства связи Rxs

- Компьютеры

- Сети

- Микропроцессоры

-Бизнес машины -Индустриальные контроллеры -Военные аппаратные средства -Средства управления транспортом

- Медицинское оборудование

Искусственногопроисхождения

- Компьютеры, цифровое оборудование, сети

- Средства связи Txs

- Промышленное оборудование

- Навигационные средства

- Системы зажигания

Естественногопроисхождения

- Молния

- Магнитное поле земли

- Электростатические

разряды

6

Considerations in Structured Cabling Systems

Излучение

Невосприимчивость

7

Признаки наличия EMI

TV помехи и

мерцание

Шипение AM радио

Гул магнитофонаВысокая частота

появления ошибочных битов

8

Более серьезные проблемы

ABS Торможение

Удаленный детонатор

Бортовые компьютеры

Кардиостимулятор

Навигация и сопровождение

9

ЭМИ

Качество электропитания

Совместимость оборудования

Соответствие оборудования нормам безопасности

Качество установки

Сезонные и циклические события

Нестандартные устройства от производителей

Передатчики

Некорректные соединения

Некорректное заземление

Конструкция заземлителя

Система молниезащиты

Обслуживание

Материалы

Вид телефонной сети

Квалификация персонала

10

Нормы и стандарты, FCC Code of Federal Regulations, Title 47, Part 15, Subpart B,

11

Нормы и стандарты. IEC CISPR-22, Information Technology Equipment—Radio Disturbance Characteris-tics - Limits and Methods of Measurement.

12

Нормы и стандарты.

13

CENELEC EN 50082 Generic Immunity Standard

Согласно требований ЭМС директив Европейского Союза все продукты (оборудование) должны иметь CE метку (the conformite Europeene)

14

Нормы и стандарты

EC регламентирующие документы

89.336.EC Требования для стран членов EC относительно электромагнитной совместимости (1/96)

EN55022 Ограничения и методы измерения, для радио Излучения оборудования передачи информации

EN50081-1 EMC Стандарт регламентирующий допустимые значения Излучения

EN50082-1 EMC Стандарт регламентирующий допустимые значения Невосприимчивости

prEN55024-4 Ограничение величины напряжения Излучения в кабелях передачи данных

15

EMC Стандарты для Пассивного оборудования

Сегодня существуют стандарты EMC только для Активного оборудования.

Нет стандартов EMC для Пассивного оборудования (Кабели и Коннекторы).

Проект стандарта для пассивного оборудования находится в стадии обсуждения.

16

Требования к оборудованию

Цель:Минимум Излучения

Максимум Невосприимчивости

CE

CECE

Коммутационная панель

Горизонтальный кабель

17

Что важно в высокоскоростных информационных кабельных системах?

18

EMC и каблирование

Кабели являются важными компонентами, потому что они являются самыми длинными цепями между компонентами информационной системы. Зачастую они представляют из себя антенну (напр. развитые проводники) для приема и излучения электромагнитных шумовых полей внешнего происхождения.

19

EMC: Излучение и Невосприимчивость

Цель:

Низкое излучение и высокая невосприимчивость

Излучение

Невосприимчивость

20

Излучение

Цифровой сигнал обычно имеет широкий спектр (Преобразование Фурье), но малую амплитуду.

Передача-прием осуществляют через сбалансированные линии, использующие витую пару или коаксиал.

Для кабелей типа витая пара, становится большой проблемой для работы увеличение частоты больше чем 30Mhz.

21

Невосприимчивость к радиоизлучению

Слабый контроль за источниками излучений. Уровень электромагнитных воздействий и разрушения не

предсказуемый. Результатом является нарушение или потеря данных. Невосприимчивость достигается путем:

- Экранирование - Витая пара / Коаксиал- Сбалансированные линии - Корректирующие коды

22

Кондуктивная наводка по цепям и Невосприимчивость

Возникает из-за индуктивной связи с силовыми линиями.

Шумовое напряжение обычно попадает в кабельную систему из активного оборудования.

Сбалансированная линия не компенсирует помеху

Невосприимчивость достигается за счет фильтрации и использования устройств подавления.

23

Типы шумов

24

Концепция симметричности

25

Концепция симметричности

26

Противофазная модель

Оборудование 1 Оборудование 2ВЧ ток прямой

ВЧ ток обратный

Zземли

GND GND

ZLVS ZS

27

Синфазная модель

Оборудование 1 Оборудование 2ВЧ ток

ВЧ ток

Zземли

GND GND

ZLVS ZS

28

Компенсация полей

Сбалансированная линия

0V

+V

-V

29

B) Взаимная компенсация полей

Витая пара (Ниже 30MHz)

Противофазная модель

Поглощение H-поля

Невосприимчивостьк H-полям

Уменьшение Излучения Улучшение Невосприимчивости

30

Витые пары (< 30MHz)

Короткий шаг повива влечет за собой больше точек H - Поля Взаимокомпенсация:

=> Более низкое Излучение / Более высокая Невосприимчивость

31

Выводы: B) Компенсация полей

Витые пары хорошо компенсируют магнитные поля в диапазоне до 30 Мгц .

Выше 30 Мгц витые пары теряют эффективность компенсации магнитных полей и начинают излучать из-за:

a) Возрастают отражения от повива.

b) Антенный эффект из-за возрастающего индуктивного сопротивления. ZL = 2p f L

Витые пары не эффективны против противофазного шума.

32

Ограничения для UTP?

Полоса пропускания:

Cat 5 <-> 100MHz

Обеспечение EMC:

Cat 5 UTP <-> 30MHz

33

Защита от EMI

Для лучшей защиты от воздействия E- и H- полей необходимо:

1) Использование сбалансированных линий (витые пары)

2) Экранирование алюминиевой фольгой, заземленной на одном конце к Информационной земле. (На стороне коммутационной панели)

3) Заземление алюминиевого экрана на другом конце (Активное оборудование)

34

Выводы

EMI-электромагнитная помеха является причиной снижения эффективности производительности информационной системы.

Кабели UTP могут использоваться если спектр передаваемого информационного сигнала и спектр источника Излучения - в диапазоне ниже 30 Mhz.

Выше 30MHz, дополнительная защита от EMI достигается путем использования правильно заземленного экрана.

35

Конец части 1

EMC Основы

36

Обеспечение EMC

• Использование кабелей типа витая пара -> ограничение до 30MHz

• Организационные мероприятия (физическое разделение, сокращение совместного пробега …)

• Экранирование (металлические кабельные каналы и экранированные кабели)

• Заземление

37

B) Экранирование

Экранирование обеспечивает наилучшую защиту EMC для кабельной системы.

Требования предъявляемые кa) Кабелюb) Коммутационному оборудованию

Качество экранирования зависит от:Частотного диапазонаТипа, толщины и геометрии экранирующих материаловТипа и качества соединений экрановМетод заземления экрана

38

Подключение экрана горизонтальных кабелей

39

Подключение экрана горизонтальных кабелей

a b cd

e

Низкое сопротивление соединения FTP и S-FTP кабелей

Эффективное снятие напряжения и большая поверхность контакта гарантированны

Язык экранасоединительного

модуля

40

Непрерывное экранированиев соединительных модулях

{

Источник излучения помехи

Излучаемое шумовое поле

Излучаемый шум воздействует на экран кабеля

Источник помехи приводит к возникновению паразитных токов

Низкое сопротивление экрана <100 мОм передаточного сопротивления

41

360 градусное экранирование

A) Экранирование модуля: Экран модуля должен иметь 360 градусное экранирование во всех точках соединения информационного канала.

B) Подключение экрана:

Соединение между экраном кабеля и соединительными модулями должно иметь максимальную площадь поверхности, но 360 градусов не требуется

42

Разнос между информационными и силовыми кабелями EIA/TIA-569

Разделение телекоммуникационных и силовых кабельных каналов с напряжением, не превышающим 480 В

УсловияМинимальное расстояние

2 кВа 2-5 кВа 5 кВа

Неэкранированные силовые линии или электрическое оборудование в открытом или неметаллическом коробе

127мм(5”)

305 мм(12”)

610 мм(24”)

Неэкранированные силовые линии или электрическое оборудование в непосредственной близости к заземленным металлическим кабель каналам

64 мм(2,5”)

152 мм(6”)

305 мм(12”)

Силовые линии в металлическом заземленном экране в непосредственной близости к заземленным металлическим кабель каналам

--

76 мм(3”)

152 мм(6”)

43

Разнос между информационными и силовыми кабелями EIA/TIA-569 и ANSI/NECA/BICSI 568-2001

Конструктивные особенности кабельной трассы Минимальное расстояние, мм

< 2 кВА 2 – 5 кВА > 5 кВА

Неэкранированные силовые кабели или другие электрические устройства относительно открытых или неметаллических кабельных каналов для информационных кабелей

125 305 610

Неэкранированные силовые кабели или другие электрические устройства относительно закрытых заземленных металлических кабельных каналов для информационных кабелей

64 152 305

Силовые кабели в заземленных металлических кабельных каналах или другие экранированные электрические устройства относительно закрытых заземленных металлических кабельных каналов для информационных кабелей

- 76 152

Электродвигатели и силовые трансформаторы - - 1220

Открытые или неметаллические кабельные каналы для неэкранированных информационных кабелей относительно ламп дневного света

125

45

Разнос между информационными и силовыми кабелями EN50174 (август 2000)

46

Разнос между информационными и силовыми кабелями

К методам минимизации помех от силовых кабелей можно также отнести:

• выбор хорошо сбалансированных силовых кабелей

• использование трехфазных разводок

• применения фильтров для подавления высших гармоник

47

Разнос между информационными и силовыми кабелями EN50174-2

Powercabling

Auxiliarycircuits

Control

Correct

Ideal

MeasureMetallic cable trays

Power cabling

Auxiliary circuits

Control

Measure

Prohibited

48

Poor BetterGood

No Yes

Разнос между информационными и силовыми кабелями EN50174-2

49

No

Not recommended

Yes

Recommended

Acceptable

Not recommended

Разнос между информационными и силовыми кабелями EN50174-2

50

A B C

Poor Good Better

Разнос между информационными и силовыми кабелями EN50174-2

51

Критерии выбора типа системы Неэкранированный (UTP) или экранированный (FTP, S-FTP до S-STP)?

1) Безопасность: - Требуется-ли уровень безопасности?

2) Частота: - Спектр сигнала выше 30 МГц? - Спектр источника шума выше 30MHz?

3) Разнос: - Какой разнос может быть выдержан (параллельные силовые кабели, оборудование)?

4) Монтаж: - Заземленные металлические короба?

5) Рабочая среда: - Уровень источников сбоев?-не предсказуем

52

Критерии выбора типа системы Неэкранированный (UTP) или экранированный (FTP, S-FTP до S-STP)?

Тип здания (новое, старое, смешанное, госпиталь, др.)

Тип системы электропитания (TN-S, TN-C-S, TN-C, TT, IT)

Источники электромагнитных помех (интенсивность и спектр)

Специфические требования по ТЗИ, предъявляемые заказчиком

Специфические требования по ЭМС, предъявляемые заказчиком

Тип существующих и/или будущих заземлителей

Тип существующей или будущей системы заземляющих проводников

Тип кабельных каналов и способ прокладки в них кабелей

«Национальные» особенности

53

Системы разводок электропитания IEC 60364

Система TN-C

Система TN-S

Система TN-C-S

Система TT

57

1.7.7 Защитным заземлением называется заземление частей электроустановки с целью обеспечения электробезопасности.

1.7.11. Заземляющим устройством называется совокупность заземлителя и заземляющих проводников.

1.7.12. Заземлителем называется проводник (электрод) или совокупность металлически соединенных между собой проводников (электродов), находящихся в соприкосновении с землей.

1.7.15. Магистралью заземления или зануления называется соответственно заземляющий или нулевой защитный проводник с двумя или более отводами.

1.7.16. Заземляющим проводникам называется проводник, соединяющий заземляющие части с заземлителем.

Заземление. ПУЭ (1987).

58

Устройство заземления

•Расположено достаточно близко к зданию.•Выполнено из пластин связанных металлической полосой•Закопано на 1-3метр во влажной земле.•Низкий уровень измеряемого сопротивления.

59

Заземление. IEC61000-5-2 (1997).

Молниезащита и электрическая безопасность определяют конструкцию заземляющих электродов

Техника безопасности и ТЗИ диктуют размер заземляющих электродов

Требования ЭМС определяют структуру системы заземления в здании

60

Mesh BN

Local Mesh IBN

PE Mesh BN

CBN

IBN

Mesh IBN

Tree

Star (IBN)

Trunk

IBN

Local Mesh

PE

Примеры построения структуры заземления EN50174-2

62

Connections required for safetyConnections to reduce electrical ground differences

Усовершенствование звездообразной структуры заземления EN50174-2

63

Ground loop

IMC

Highpotential

difference

Signalcable

EquipmentN° 1

PE PE

High impedance ifthe cable is long

N° 2

Z

EquipmentDisturbedcable Equipment

N° 1

PE

LargeloopEM field

Highpotential

difference

Signalcable

PE

N° 2

Equipment

Picture from EN 50174

64

Ground loop-countermeasure

A short interconnectingcable reduces the areaof the sensitive loop

A short interconnectingcable reduces thecommon impedancebetween equipment

IMC

Lowpotential

differenceEquipment

N° 1

PE PE

N° 2

Z

EquipmentDisturbedcable Equipment

N° 1

PE

EM field

Lowpotential

difference

PE

N° 2

Equipment

Picture from EN 50174

65

Возможные топологии заземления

Достигаемое EMC

Долговременность инвестиций

UTP

Плавающий экран

Древовидная структура

Сетчатая структураНовые здания

Старые и новые здания

66

Сетчатая структура

A) Сетчатая структура:-> Наилучшая защита EMC-> Максимальная пропускная способность сетей-> Предотвращает петли заземления и разность потенциалов-> Недостатки: Инсталляция

67

Коммутационнаяпанель

Сетчатая структура

TO

Активное терминальное оборудованиеАктивное сетевое оборудование

Кабель рабочего места подключен к контуру заземления

FD

Кобель оборудования подключен к контуру

заземления

Горизонтальный кабель

Экранированные розетки RJ 45 и заземляещий

комплект коммутационной панели подсоединяются к коммуникационной земле

здания.Информационная земля здания

68

Древовидная

B) Древовидная структура:- Наилучшая, если предназначена для телекоммуникационной земли- Хорошая для высокоскоростных сетей- Порты активных компонентов должны иметь гальваническую развязку с электрической землей (стандарт), чтобы избежать петли заземления на низких частотах.

69

Коммутационнаяпанель

Кабель рабочего места подключен к контуру заземленияКобель оборудования

подключен к контуру заземления

Горизонтальный кабель

Экранированные розетки RJ 45 соединены с

заземляющим комплектом коммутационной панели,

подсоединённом к коммуникационной земле

здания.Информационная

земля здания

Древовидная структура

Активное терминальное оборудованиеАктивное сетевое оборудование

TO

FD

Активное терминальное оборудованиеАктивное сетевое оборудование

70

Плавающий экран

Плавающий экран:Экран «плавающий» (не подключенный к земле)

- Экран кабельной системы имеет гальваническую развязку на обоих концах активных компонентов (или гальваническая развязка достигается коммутационными шнурами)-> Явление “эффект Фарадея”-> Для зданий имеющих разность потенциалов выше чем 1В.

71

Коммутационнаяпанель

Активное терминальное оборудованиеАктивное сетевое оборудование

Кабель рабочего места подключен к контуру заземленияКобель оборудования

подключен к контуру заземления

Горизонтальный кабель

Плавающий экран

TO

FD

Не используется комплект заземления

72

D) Заземление

Информационная земля: a) Информационная земля подсоединяется к главной земле здания вместе с заземлением электрическим/безопасности в самой нижней точке ввода в здание.

b) Информационная земля соединяется к комплекту заземления коммутационной панели на другом конце.

Земля электрическая/безопасности:Земля электрическая/безопасности используется для заземления шкафов стоек и силового оборудования.

Системное заземление: Системная земля заземляет/выравнивает потенциалы активного оборудования.

73

Общие рекомендации

Все земли необходимо соединить, чтобы уменьшить разность потенциалов между различными точками заземления.

Разность потенциалов между любыми 2 точками системы заземления здания не должно превышать 1В и иметь минимальное сопротивление.

74

Общие рекомендации

75

Общие рекомендации

76

Общие рекомендации

77

Общие рекомендации

Все земли необходимо соединить, чтобы уменьшить разность потенциалов между различными точками заземления.

Разность потенциалов между любыми 2 точками системы заземления здания не должно превышать 1В и иметь минимальное сопротивление.

Заземление безопасности

Заземление системы водоснабжения

Информационное заземление

78

Заземление оборудования

Землябезопасности Информационная

земляСтойка с активным

оборудованием

79

Необходимое сечение заземляющих проводников

Протяженность Площадь Диаметр провода Размер провода

метров сечения, мм2 миллиметров AWG по

До 30,5 >13,33 >4.12 6

30,6–48,8 >21,15 >5.19 4

48,9–76,2 >33,59 >6.54 2

76,3–106,7 >42,43 >7.35 1

106,8–122 >53,46 >8.25 0

122,1–152,4 >67,49 >9.27 00

80

Заземление

EN50173 и ISO IS 11801 Рекомендации Международных и Европейских

стандартов Локальные стандарты Рекомендации ПУЭ Отраслевые стандарты Рекомендации производителей

81

Выводы

Правильно организованное заземление и соединение является важным элементом для обеспечения EMC.

Обеспечьте низкое сопротивление заземления.

Обеспечьте меньшую разность потенциалов между любыми двумя точками заземления (max 1V).

82

Обеспечение EMC R&M FreeNet

Удовлетворяет наиболее строгому EMC стандарту EN55022 / Class B и EN55082

360 градусное экранирование во всех элементах информационного канала гарантирует высокое качество EMC

Низкое сопротивление подсоединения экрана Удобство и Скорость оконечивания

(Запатентована) Поддержка “Древовидная структура”,

“Сетчатая структура” и “Плавающий экран”

89

Вопросы ?