Электромагнитная совместимость

Учебный курс R&Mfreenet
Электромагнитная совместимость
Москва, 2007 г
1
Содержание
A) Часть 1:
B) Часть 2:
C) Часть 3:
Основы EMC
Требования EMC для пассивных компонентов
(Кабели, Коннекторы)
Практические тесты для сравнения UTP и FTP.
2
Что такое EMC?
ЭМС - это способность устройства (включая кабель)
функционировать без ошибки в предполагаемой
электромагнитной среде.
3
Каковы причины EMI?
Электрические генераторы,
Молния
моторы
Космическая радиация
Автомобильны
е двигатели
Радар /
Микроволновы
е передатчики
Флуоресцентное
Электрические магистрали /
освещение
Силовые кабели
Мобильные
телефоны
4
Модель взаимовлияния
Источники излучения
Воздействуют на
Искусственного
происхождения
- ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА
- Компьютеры, цифровое
оборудование, сети
- Средства связи Rxs
- Компьютеры
- Средства связи Txs
- Промышленное
оборудование
Радиоизлучение
- Микропроцессоры
- Навигационные средства
- Системы зажигания
Естественного
происхождения
- Молния
- Магнитное поле земли
- Сети
Взаимовлияние цепей
-Бизнес машины
-Индустриальные
контроллеры
-Военные аппаратные
средства
-Средства управления
транспортом
- Медицинское
оборудование
- Электростатические
разряды
5
Considerations in Structured Cabling Systems
Излучение
Невосприимчивость
6
Признаки наличия EMI
Высокая частота
появления ошибочных битов
TV помехи и
мерцание
Гул магнитофона
Шипение AM радио
7
Более серьезные проблемы
ABS Торможение
Бортовые компьютеры
Кардиостимулятор
Навигация и сопровождение
Удаленный детонатор
8
ЭМИ
Качество электропитания
Конструкция заземлителя
Совместимость оборудования
Система молниезащиты
Соответствие оборудования
нормам безопасности
Обслуживание
Качество установки
Сезонные и циклические события
Материалы
Вид телефонной сети
Квалификация персонала
Нестандартные устройства от
производителей
Передатчики
Некорректные соединения
Некорректное заземление
9
Нормы и стандарты, FCC Code of Federal
Regulations, Title 47, Part 15, Subpart B,
10
Нормы и стандарты. IEC CISPR-22,
Information Technology Equipment—
Radio Disturbance Characteris-tics Limits and Methods of Measurement.
11
Нормы и стандарты.
12
CENELEC EN 50082 Generic Immunity
Standard
Согласно требований ЭМС директив Европейского Союза все
продукты (оборудование) должны иметь CE метку (the conformite
Europeene)
13
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
14
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.
15
Требования к оборудованию
CE
Коммутационная
панель
CE
CE
Горизонтальный
кабель
Цель:
Минимум Излучения
Максимум Невосприимчивости
16
Что важно в высокоскоростных
информационных кабельных системах?
17
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.
18
EMC: Излучение и Невосприимчивость
Излучение
Невосприимчивость

Цель:
Низкое излучение и высокая невосприимчивость
19
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.
20
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
21
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.
22
Типы шумов
23
Концепция симметричности
24
Концепция симметричности
25
Противофазная модель
Оборудование 2
Оборудование 1
ВЧ ток прямой
VS
ZS
ZL
ВЧ ток обратный
GND
GND
Zземли
26
Синфазная модель
Оборудование 2
Оборудование 1
ВЧ ток
VS
ZS
ВЧ ток
GND
ZL
GND
Zземли
27
Компенсация полей
Сбалансированная линия
+V
0V
-V
28
B) Взаимная компенсация полей
Витая пара (Ниже 30MHz)
Противофазная
модель
Поглощение H-поля
Уменьшение Излучения
Невосприимчивость
к H-полям
Улучшение Невосприимчивости
29
Витые пары (< 30MHz)
Короткий шаг повива влечет за собой больше точек H Поля Взаимокомпенсация:
=> Более низкое Излучение / Более высокая
Невосприимчивость
30
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.
31
Ограничения для UTP?
Полоса пропускания:
Cat 5 <-> 100MHz
Обеспечение EMC:
Cat 5 UTP <-> 30MHz
32
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)
33
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.
34
Конец части 1
EMC Основы
35
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
36
B) Экранирование
Экранирование обеспечивает наилучшую защиту EMC для кабельной
системы.
Требования предъявляемые к
a) Кабелю
b) Коммутационному оборудованию
Качество экранирования зависит от:
Частотного диапазона
Типа, толщины и геометрии экранирующих материалов
Типа и качества соединений экранов
Метод заземления экрана
37
Подключение экрана горизонтальных
кабелей
38
Подключение экрана горизонтальных
кабелей
a
b
c
d
e
Низкое сопротивление
соединения FTP и S-FTP кабелей
Эффективное снятие напряжения
Язык экрана
и большая поверхность
соединительного
контакта гарантированны
модуля
39
Непрерывное экранирование
в соединительных модулях
Источник излучения помехи
Низкое сопротивление экрана <100 мОм
передаточного сопротивления
Излучаемое
шумовое поле
Излучаемый шум
воздействует на
экран кабеля
Источник помехи
приводит к
возникновению
паразитных токов
{
40
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
41
Разнос между информационными и силовыми
кабелями EIA/TIA-569
Разделение телекоммуникационных и силовых кабельных каналов с
напряжением, не превышающим 480 В
Минимальное расстояние
Условия
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”)
-
76 мм
(3”)
152 мм
(6”)
Силовые линии в металлическом заземленном
экране в непосредственной близости к
заземленным металлическим кабель каналам
42
Разнос между информационными и силовыми
кабелями EIA/TIA-569 и ANSI/NECA/BICSI 5682001
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
43
Разнос между информационными и силовыми
кабелями EN50174 (август 2000)
45
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
46
Разнос между информационными и силовыми
кабелями EN50174-2
Ideal
Power cabling
Prohibited
Auxiliary circuits
Power
cabling
Control
Measure
Auxiliary
circuits
Correct
Control
Metallic cable trays
Measure
47
Разнос между информационными и силовыми
кабелями EN50174-2
Poor
No
Good
Better
Yes
48
Разнос между информационными и силовыми
кабелями EN50174-2
No
Not recommended
Yes
Recommended
Acceptable
Not recommended
49
Разнос между информационными и силовыми
кабелями EN50174-2
A
Poor
B
C
Good
Better
50
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
51
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
52
Системы разводок электропитания IEC 60364
Система TN-C
Система TN-S
Система TN-C-S
Система TT
53
Заземление. ПУЭ (1987).
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.
57
Устройство заземления
•Расположено достаточно
близко к зданию.
•Выполнено из пластин
связанных металлической
полосой
•Закопано на 1-3метр во
влажной земле.
•Низкий уровень измеряемого
сопротивления.
58
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
59
Примеры построения структуры
заземления EN50174-2
Mesh BN
PE
PE
IBN
Mesh BN
Mesh IBN
Local Mesh
Trunk
Tree
Star (IBN)
IBN
Local
Mesh IBN
CBN
60
Усовершенствование звездообразной
структуры заземления EN50174-2
Connections required for safety
Connections to reduce electrical ground differences
62
Ground loop
Disturbed
cable
High
potential
difference
High
potential
difference
Equipment
N° 1
Signal
cable
Signal
cable
IMC
PE
Z
Picture from EN 50174
PE
PE
High impedance if
the cable is long
Equipment
N° 2
Equipment
N° 1
Equipment
N° 2
EM field
PE
Large
loop
63
Ground loop-countermeasure
Disturbed
cable
Low
potential
difference
Low
potential
difference
Equipment
N° 1
Equipment
N° 2
PE
PE
Equipment
N° 1
Equipment
N° 2
IMC
Z
Picture from EN 50174
A short interconnecting
cable reduces the
common impedance
between equipment
PE
EM field
PE
A short interconnecting
cable reduces the area
of the sensitive loop
64
Возможные топологии заземления
Достигаемое EMC
Новые здания
Сетчатая структура
Древовидная структура
Плавающий экран
Старые и новые здания
UTP
Долговременность инвестиций
65
Сетчатая структура
A) Сетчатая структура:
-> Наилучшая защита EMC-> Максимальная пропускная
способность сетей
-> Предотвращает петли заземления и разность потенциалов
-> Недостатки: Инсталляция
66
Сетчатая структура
Активное сетевое оборудование
Активное терминальное оборудование
Кобель оборудования
подключен к контуру
заземления
FD
Коммутационная
панель
Кабель рабочего
места подключен к
контуру заземления
TO
Горизонтальный
кабель
Информационная
земля здания
Экранированные розетки
RJ 45 и заземляещий
комплект коммутационной
панели подсоединяются к
коммуникационной земле
здания.
67
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.
68
Древовидная структура
Активное
терминальное оборудование
Активное
терминальное
оборудование
Активноесетевое
сетевое оборудование
Активное
оборудование
Кобель оборудования
подключен к контуру
заземления
FD
Коммутационная
панель
Кабель рабочего
места подключен к
контуру заземления
TO
Горизонтальный
кабель
Информационная
земля здания
Экранированные розетки
RJ 45 соединены с
заземляющим комплектом
коммутационной панели,
подсоединённом к
коммуникационной земле
здания.
69
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.
70
Плавающий экран
Активное сетевое оборудование
Активное терминальное оборудование
Кобель оборудования
подключен к контуру
заземления
FD
Коммутационная
панель
Кабель рабочего
места подключен к
контуру заземления
TO
Горизонтальный
кабель
Не используется
комплект заземления
71
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.
72
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.
73
Общие рекомендации
74
Общие рекомендации
75
Общие рекомендации
76
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
77
Заземление оборудования
Земля
безопасности Информационная
Стойка с активным
земля
оборудованием
78
Необходимое сечение заземляющих
проводников
Протяженность Площадь
метров
сечения, мм2
До 30,5
>13,33
30,6–48,8
>21,15
48,9–76,2
>33,59
76,3–106,7
>42,43
106,8–122
>53,46
122,1–152,4
>67,49
Диаметр провода
миллиметров
>4.12
>5.19
>6.54
>7.35
>8.25
>9.27
Размер провода
AWG по
6
4
2
1
0
00
79
Заземление
EN50173 и ISO IS 11801
 Рекомендации Международных и Европейских
стандартов
 Локальные стандарты
 Рекомендации ПУЭ
 Отраслевые стандарты
 Рекомендации производителей
80
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).
81
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”
82
Вопросы ?
89