8 /812/ 449-32-25 г. Санкт-Петербург, пер. Беловодский 6, 3-й этаж
Экранированные СКС - распространенные заблуждения

Экранированные структурированные кабельные системы (СКС) получили широкое распространение в ряде стран мира, особенно в Центральной Европе. На наш взгляд, причиной того, что экранированные решения до сих пор не нашли в России соответствующего их достоинствам применения, в значительной мере является распространение заблуждений о чрезмерных сложностях их монтажа, связанных с особенностями конструкции и подключением к системе заземления. В большинстве своем это не соответствует действительности, в чем мы и попытаемся разобраться.



Двухстороннее заземление и токовая петля

Согласно требованиям нормативных документов, заземление телекоммуникационных шкафов и стоек с оборудованием обязательно для обеспечения электрической безопасности и электромагнитной совместимости оборудования. Это требование относится к любым кабельным системам, поэтому вопросы заземления приходится решать как для экранированных, так и для неэкранированных СКС. 
Стандарт Европейского Союза EN 50174-2, регламентирующий вопросы монтажа кабельных систем, обязывает использовать на объекте инсталляции СКС систему электропитания типа TN-S, в которой нулевой и защитный (PE) проводники разделены и соединяются вместе только на главной заземляющей шине здания. В его разделе 7.1.3.1 говорится: “При инсталляции СКС следует использовать систему электропитания типа ТN-S. 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 типа TN-S обязательной для любых новых зданий. Применение системы заземления TN-S в комбинации с системой выравнивания потенциалов (рис. 1) позволяет исключить разность потенциалов между корпусами ИТ-оборудования (ОИТ) и, соответственно, наличие токов в защитном проводнике.

токовая петля.jpg

Рис. 1. Заземление системы распределения электропитания переменного тока

Распространено мнение, что экранированные системы обязательно должны быть подключены к системе заземления с двух сторон: со стороны телекоммуникационного шкафа и рабочего места. Чтобы прояснить ситуацию, обратимся к тексту стандарта EN 50174-2. О заземлении экранированных кабельных систем в нем 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: 
a) заземление кабельного экрана, с одной стороны, создается для противодействия низкочастотным электромагнитным полям (помехоустойчивость зависит от свойств кабельного экрана); 
b) 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 улучшения свойств экрана в условиях низкочастотных магнитных полей (50 Гц) в качестве материала экрана применяются специальные материалы (пермаллой и т. п.)”. 
Опровергнуть устоявшееся заблуждение позволяют результаты исследования “Сравнение производительности неэкранированных и экранированных кабельных систем при передаче данных 10 Гбит/с”, выполненного недавно независимой испытательной лабораторией Gesselschaft fur Hochfrequenz-Meβtechnik (GHMT) AG (Германия). В его рамках производилась передача данных при скорости 1 Гбит/с, смешанном трафике (попеременно 1 и 10 Гбит/с) и 10 Гбит/с с помощью сетевого оборудования 10 GBASE-T в условиях окружающей среды, которые соответствуют международной классификации MICE E1/E2/E3, описанной в EN 50173-1.

экранированная скс.jpg

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

MICE описывает типовые воздействия, которые могут влиять на кабельную систему с различным уровнем интенсивности (класс E1 для слабого, E3 - для сильного уровня воздействия). На рис. 2 и 3 показаны результаты испытаний воздействия электромагнитных помех на экранированные кабельные системы двух типов, заземленные с одной или с двух сторон. Как видно из рисунков, по результатам испытаний каких-либо преимуществ двустороннего заземления выявлено не было. Экранированные кабельные системы оказались одинаково устойчивыми к электромагнитным помехам при заземлении как с двух, так и с одной стороны. 
При этом характеристики электромагнитной совместимости 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.

Результаты позволяют сделать вывод, что для экранированных кабельных систем заземления кабельного экрана с двух сторон не требуется. 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 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 оконечным оборудованием, что приводит к появлению токов в кабельном экране (токовая петля). Некоторые считают, что это ведет к неисправностям в работе экранированных cистем и невозможности передачи по ним данных. Результаты испытаний лаборатории GHMT опровергают этот миф.

дважды экранированная скс.jpg

Рис. 3. Дважды экранированная СКС с общим экраном из медной луженой проволоки и индивидуальным экранированием пар фольгой (S/FTP)

При тестировании в различных режимах передачи данных (1 Гбит/с, смешанный трафик, 10 Гбит/с) в кабельном экране, заземленном с одной стороны, измерялись токи, наведенные магнитными полями электропитающей системы. Результаты измерений приведены в таблице. 
Выяснилось, что наличие в кабельном экране токов указанной величины никак не влияет на передачу информационного трафика 1 и 10 Гбит/с. 
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 можно использовать неэкранированный коммутационный шнур до оконечного оборудования. Его применение снижает эффективность экранирования, но электромагнитные характеристики такой системы все же будут превосходить характеристики полностью неэкранированной системы. 
При наличии значительной разности потенциалов между корпусами передающих устройств рекомендуется использовать оптические кабели, которые обеспечивают полную гальваническую развязку.



Регламентное обслуживание и сложности монтажа

Достаточно распространено 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. Попробуем разобраться с этими утверждениями. 

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 признанным большинством профессионалов несовершенством формально существующей российской нормативной базы, описывающей вопросы проектирования и инсталляции СКС (см., например, Вестник связи № 5 за 2010 г., с. 28 — 30), обратимся к требованиям и рекомендациям действующих иностранных стандартов. 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. 
a). 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. 
b). Следует избегать нарушения целостности экрана, в том числе даже небольших отверстий в нем. 
c). Контакт экрана должен быть надежным и прочным, например, осуществляться при помощи зажима. 
d). Экран не следует использоваться в качестве компенсатора кабельной нагрузки. 
e). Экран должен быть заземлен в соответствии с требованиями технического задания и требованиями п. 4.7 настоящего Стандарта. 
f). 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)”.

таблица.jpg

Обратившись к стандарту EN 50174-1, посвященному обеспечению 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 модульных 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 по оценке параметров сопротивления связи (Transfer Impendance) и затухания 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 нуждаются в регламентном обслуживании при прохождения полного цикла заводских испытаний в процессе производства.

заземление экрана.jpg

Рис. 4. Заземление экрана через телекоммуникационный шкаф

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 длительном времени, необходимом для монтажа экранированных разъемов, сегодня 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, как и неэкранированного. Например, установка экранированного модульного гнезда категории 6А AMP-TWIST-6АS производства AMP NETCONNECT/Tyco Electronics на дважды экранированный кабель S/FTP занимает менее 1 мин.



Нагревание кабелей

Существует мнение, что экранированные кабели при передаче по ним сигналов нагреваются сильнее, чем неэкранированные аналоги. Обычно тепло, генерируемое внутри кабеля, рассеивается через изоляционный слой и защитную оболочку. Однако при высокой плотности размещения кабелей в лотках, характерной для некоторых участков офисных СКС, а также для серверных и ЦОДов, отвод тепла затрудняется, что приводит к нагреву кабелей. Важно отметить, что стандарты СКС нормируют электрические параметры кабелей из витых пар для температуры 20 °С. При температурах выше 20 °С увеличивается затухание сигнала в кабелях, что приводит к ухудшению их передаточных характеристик. 

Однако на самом деле экранированные кабельные линии лучше справляются с отводом тепла, чем неэкранированные. Объясняется это просто: металл обладает большей теплопроводностью по сравнению с материалом полимерной оболочки. Практические испытания легко подтверждают это. Экранированные кабели эффективнее рассеивают тепло и меньше нагреваются, причем наилучшими показателями обладают дважды экранированные кабели с индивидуальным экранированием пар. 
Действующие стандарты СКС описывают температурную зависимость допустимой длины кабельной линии в горизонтальной подсистеме при повышении температуры окружающей среды более 20 °C. Международный стандарт ISO/IEC 11801:2002 содержит поправочный коэффициент для расчета максимальной длины линейного кабеля: “При повышении температуры окружающей среды выше 20 °C максимальная длина горизонтального кабеля уменьшается на: 
0,2 % на каждый °C (в диапазоне от 20 до 60 °C) для экранированных кабелей; 0,4 % на °C (от 20 до 40 °C) и 0,6 % на °C (от 40 до 60 °C) для неэкранированных кабелей”. 
В американском стандарте ANSI/TIA-568-C.2 даны аналогичные рекомендации по инсталляции горизонтальных линий категории 6 в условиях повышенной температуры окружающей среды: при температуре + 40 °С максимальная длина неэкранированного кабеля составляет 84 м, экранированного — 87 м. При температуре + 60 °С максимальная длина неэкранированного кабеля составляет 75 м, экранированного — 83 м. 
Таким образом, в случае эксплуатации кабельной системы при температуре воздуха выше 20 °C преимущество имеют экранированные кабели, так как по сравнению с кабелями UTP они обеспечивают большую длину линии без деградации передаточных характеристик. Игнорирование требований стандартов в части уменьшения максимальной длины линейного кабеля при повышенной температуре окружающей среды приведет к увеличению затухания в кабеле и, как следствие, к отрицательным результатам тестирования, а также, что намного хуже, к сбоям в работе ЛВС. А повышение температуры — вещь вполне реальная. Например, температура 50 °C легко достигается при прокладке кабеля в непосредственной близости от батарей отопления, труб с горячей водой и т. д.

Лучшая устойчивость кабелей к повышению температуры является также важной для получающего все большее распространение дистанционного электропитания абонентских устройств по линиям СКС (технологии PoE и PoE Plus). Стандарт IEEE 802.3at на PoE Plus регламентирует передачу до 30 Вт мощности оконечному оборудованию по существующей кабельной проводке для питания таких устройств, как сетевые камеры систем безопасности, беспроводные точки доступа 802.11n, коммутаторы Ethernet для небольших сетей, тонкие клиенты, ЖК-дисплеи и т. д. 
Одновременная передача информационного сигнала и питания по кабелю из витых пар приводит к росту температуры проводников. Проблема осложняется тем, что на текущий момент не существует методики контроля температуры кабельных линий. Возникает потребность в эффективном отводе тепла. 
Хорошо известно: чем больше диаметр медного проводника, тем меньше он нагревается при заданном значении тока. Поэтому кабель с проводниками большего диаметра способен поддерживать более высокий уровень предельной силы тока. Например, для кабеля категории 6 максимально допустимая сила тока равна 2,9 А, для категории 5Е (c меньшим диаметром проводников) — 2 А. Помимо устойчивости к более высоким температурам, кабели с проводниками большего диаметра лучше и по другим важным параметрам, таким как затухание и защищенность от перекрестных наводок. Оптимальным решением для реализации технологии PoE Plus будет использование экранированных кабельных линий категории 6А или 7А, обеспечивающих эффективное рассеивание тепла.

Автор статьи: И.А. ЛИПЕНКО, инженер техподдержки СКС AMP NETCONNECT компании “Tyco Electronics Россия” (“Вестник связи” № 2 '2011).