Экранирование кабеля

Экранирование кабеля — это заключение всей токопроводящей части или отдельных жил в специальную оболочку, которая если не блокирует полностью, то как минимум снижает интенсивность электромагнитного излучения. О том, зачем это нужно и для каких разновидностей кабелей актуально — ниже.

Для чего нужен экранированный кабель

Любой кабель, по которому протекает электрический ток, — источник электромагнитных помех, способных помешать работе окружающих электроприборов. Вопрос только в размере этого вредного «шума» и чувствительности к нему другого оборудования. Причем важен именно баланс — если помехи не достигают порога чувствительности, то нет особой необходимости с ними бороться, поскольку на работу приборов они повлиять не смогут.

Интересно, что чувствительность и способность кабеля создавать помехи — взаимосвязанные величины. Чем выше напряжение, тем сильнее помехи, которые создает кабель без экрана, и тем выше его устойчивость к шумам со стороны других источников электромагнитных полей. И наоборот: слаботочные кабели практически не создают помех, зато очень чувствительны к ним.

Поэтому:

1. Силовые кабели экранируют, если они проложены вблизи контрольных или информационных или рядом с электроникой. Например, при монтаже в одной кабельной трассе внутри здания.
2. Контрольные кабели могут не экранировать, если рядом с ними нет сильных источников помех, и они проложены в защищенном месте.
3. Все виды информационных кабелей, включая сигнальные и витую пару, экранируют всегда.

Наличие экрана сильно влияет на стоимость кабеля, поэтому иногда выгоднее изменить схему разводки проводки и проложить силовые кабели отдельно от информационных.

Что внутри: конструкция экранированных кабелей

В качестве экрана кабеля может использоваться:

• обертка из фольгированного материала, полимерного полотна, специальной электропроводящей бумаги;
• металлическая оплетка из тонкой медной проволоки или лента из нее же.

При этом сам экран может быть:

• общим, то есть обтягивать весь кабель под изоляцией;
• индивидуальным для каждого проводника или группы;
• комбинированным: с индивидуальным экранированием проводников и общим всего кабеля.

Очевидно, что чем больше экранов, тем дороже кабель. Поэтому к индивидуальному и, тем более, комбинированному экранированию прибегают, только если без этого не обойтись.

Типы экранированных кабелей

Оптимальный тип экрана зависит от назначения кабеля. Рассмотрим основные из их разновидностей.

Экранирование силовых кабелей

Для экранирования силовых кабелей обычно используют общий экран из медной оплетки или алюминиевой фольги. Кабели свыше 6 кВ обязательно должны быть экранированы, а марки, рассчитанные на меньшее напряжение, могут прокладываться и без экрана.

Экранированные контрольные кабели

Контрольные кабели нужны для передачи сигналов от датчиков к реле или контроллеру и управляющих сигналов от контроллера к оборудованию. От наводок их, как правило, защищают алюминиевой или медной фольгой.

Комбинированные кабели с экраном

Комбинированные кабели — это два в одном. В этом случае в одной оболочке заключен и силовой, и контрольный кабель одновременно. Это сильно облегчает прокладку проводов, но взамен такое решение требует серьезной защиты от помех. Управляющий проводник всегда экранируется индивидуально, а весь кабель часто оснащается общим фольгированным экраном.

Экранированный сигнальный кабель

Сигнальный или сигнально-блокировочный кабель обычно отвечает за передачу сигналов в критически важных системах: пожарной и охранной сигнализации, пожаротушения, дымоудаления. Поэтому он нуждается в серьезной защите от внешних воздействий. Для этого используют мощный общий экран фольгированного типа, иногда даже двойной для большей надежности.

Экранирование кабелей связи и передачи данных

К этом типу относятся коаксиальные, телефонные и другие кабели доцифровой эпохи. Проводник, отвечающий за передачу информации, в таких кабелях всегда должен экранироваться. Если таких проводников несколько, экранируется каждый. Общего экрана может не быть.

Витая пара

Учитывая восприимчивость к влиянию помех, экранирование сетевого кабеля — почти искусство. Оно может быть очень разным: индивидуальным, общим и комбинированным — все зависит от вида и условий монтажа.

Например, если витая пара проходит вдали от распределительных щитов и любых силовых сетей, то ее могут вообще не экранировать — наводки от соседних проводников слишком малы, чтобы мешать друг другу. Если кабель прокладывают в несильно загрязненной помехами среде, то часто достаточно одного общего фольгированного экрана. В зонах с высоким электромагнитным загрязнением используют уже витую пару с общим и индивидуальным экраном.

В зависимости от технических характеристик и условий эксплуатации производятся расчеты, по которым определяют материал, конструкцию и тип защитного экранирования.

Упрощенный метод прогнозирования коэффициента экранирования кабеля на основе передаточного импеданса (сопротивления)

Для экранированного кабеля можно вывести приблизительную зависимость в диапазоне от нескольких Гц до первого резонанса исходя из его передаточного импенданса (сопротивления) – Zt – что позволяет предугадать коэффициент экранирования кабеля. Инженеры, работающие с техническими характеристиками продукции и предварительным проектированием, предпочитают располагать данным коэффициентом. Не обязательно являться специалистами ЭМС, чтобы напрямую связывать его с общей характеристикой экранирования, необходимой для системных блоков или шкафов.

В этой статье приведены очень простые и практичные формулы, которые помогают напрямую получить коэффициент экранирования кабеля Kr, учитывая его Zt и частоту.

Основные характеристики экрана кабеля

Качество экрана кабеля является важным вопросом для EMC сообщества, а также для всей электронной промышленности. Это связанно с потребностью прогнозировать, измерять, сравнивать и повышать эффективность службы самых разных экранированных кабелей, таких как коаксиальные кабели или экранированные пары и жгуты, имеющих различные типы экранов: оплетки, фольги, спиральные, гофрированные, тканые и т.п.

Однако, когда дело доходит до выбора удобной и надежной характеристики экрана кабеля, возникает несколько вопросов.

Конкурируют между собой следующие методы: качество экранирования (SE, дБ), поверхностная передача (Zt, Ом/м) или коэффициент уменьшения экрана (Kr, дБ).

Хотя передача Zt является широко используемым и надежным параметром, инженеры, работающие с характеристиками продукта и общей конструкцией, часто предпочитают SE или коэффициент уменьшения Kr в качестве показателя качества, поскольку они могут напрямую связать его со всеми характеристиками экранирования, необходимыми системе. Было бы нонсенсом требовать 60 дБ экранирования для системных блоков или шкафов, если соответствующие кабели и их соединительное оборудование обеспечивают только 30 дБ, и наоборот.

• a) Эффективность экранирования, определенная для любого экранирующего барьера, определяется следующим образом:

  SE (дБ) = 20 log [E (или H) без экрана] / [E (или H) с экраном]

  SE – это Screen Efficiency (качество экранирования)

  При воздействии на тестируемый образец сильного электромагнитного поля необходимо располагать данными эффективности экранирования для коробки, шкафа или любого корпуса, где SE является безразмерным числом. Поскольку нецелесообразно давать доступ к оставшемуся полю E (или H) внутри экрана кабеля, то есть между оболочкой и жилой, вместо этого измеряется эффект поля падающего излучения, например, напряжение между жилой и экраном.

  Однако у этого метода есть несколько недостатков.

  • Для него требуется полный набор дорогостоящего оборудования: генератор, источник питания, усилитель, антенны, экранированное/безэховое помещение (или реверберационная камера с перемешиванием) и т. д.
  • Он имеет типичные погрешности измерения излучения (среднее значение погрешности для обычных электромагнитных помех составляет 6 дБ).
  • Он очень чувствителен к тестируемому кабелю: его высоте расположения над землей, нагрузке и типу возбуждения в условиях ближнего поля. Например, передающая антенна на расстоянии 1 м от тестового образца создаст условия ближнего поля для всех частот ниже 50 МГц. Если антенна относится к семейству диполей, то ближнее поле будет преимущественно электрическим, то есть полем с высоким сопротивлением, и результаты SE будут выглядеть превосходно. Если передающая антенна представляет собой магнитную петлю, поле будет низкоимпедансным H-полем, и результаты SE будут гораздо менее впечатляющими.

• b) Передаточное сопротивление (Zt), в отличие от SE, представляет собой чисто кондуктивный метод измерения с точными результатами, и, как правило, с погрешностью в пределах 10% (1 дБ). Но Zt, выраженное в Ом/метр, имеет размерность и не может быть напрямую выражено как характеристика экрана.
• c) Коэффициент преобразования экрана, Kr, соединяет два способа, взяв лучшее из Zt — преимущественно проводимого измерения и SE: артикул прямого показателя дан в дБ.

Определение коэффициента преобразования экрана

Мы можем определить коэффициент преобразования экрана (Kr) как отношение напряжения дифференциального режима (Vd), появляющегося между жилой и экраном на приемном конце кабеля, к напряжению синфазного режима (Vcm), приложенному последовательно в петлю (рис. 1).

Kr (dB) = 20 log (Vd / Vcm) (1)

Эту цифру также можно рассматривать как коэффициент преобразования режима между внешней цепью (контуром) и внутренней цепью (линией между сердечником и экраном).

Иногда используются несколько иные версии этого определения, например:

Kr (dB) = 20 Log (Vd₂ / Vd₁)

Где

Vd₁ – дифференциальное напряжение на приемном конце, когда экран отсутствует (отключен)

Vd₂ – дифференциальное напряжение на приемном конце при нормально заземленном экране с обоих концов.

Последнее определение было бы более строгим, чем-то напоминающим вносимые потери в терминологии ЭМС, т. е. сравнивалось бы то, что можно было бы получить без экрана и с экраном при одном и том же уровне напряжения тока (см. рис. 1, Б). Это устраняет участие   сопротивления и собственной индуктивности жилы, так как они одинаково влияют на Vd₁ и Vd₂.

Расчетные значения Kr для простых случаев, для длины ι < λ/2

Выразим Vd, используя классическую модель Zt, предполагая, что ближний конец кабеля закорочен (жила-экран):

Vd = Zt x / x I_shield

Где l – длина экранированного кабеля

Выражение тока экрана, I_shield:

I_shield = V_cm / Z_контур

Мы можем заменить Vd на его значение в выражении Kr:

Kr = Zt.l / Z_контур

Z_контур зависит от длины поскольку это просто сопротивление контура экран-земля, который для любого качественного экрана имеет меньшее значение, чем оно же у жильного провода плюс клеммы.

Z_контур (Ω)=(R_sh +jω.L_ext ).l R_sh = сопротивление экрана

L_ext = собственная индуктивность экрана к заменяющему Z_{контуру} в его выражении:

Zt (рис. 2) состоит из сопротивления экрана R_sh и передаточной (или рассеянной) индуктивности экрана Lt.

Таким образом, мы пришли к выражению Kr в виде безразмерного числа, не зависящего от длины кабеля:

Это выражение интересно тем, что оно раскрывает три основных частотных диапазона:

• a) для очень низких частот, где член ωLt пренебрежимо мал, Zt преобладает над R_sh:

Kr=R_sh /(R_sh +jω.L_ext )

≈ 1 (0dB) ниже нескольких кГц, так как нижний предел импеданса контура уменьшается до Rs_sh

• b) для средний частот (обычно выше 5-10 кГц для обычного плетеного экрана):

Kr=(R_sh +jω.Lt)/(jω.L_ext )

Понижающий коэффициент улучшается линейно с частотой.

• c) на более высоких частотах (обычно выше одного МГц), до первого < λ/2 резонанса

Kr = Lt / L_ext

Понижающий коэффициент остается постоянным, независимо от длины и частоты.

Можно вывести быструю и удобную формулу, которая действительна для любой частоты от 10 кГц до первого резонанса < λ/2:

Kr (dB) = - 20 Log [ 1 + (6. FMHz /Zt (Ω/m) ] (3)

Значение Zt принимается на рассматриваемой частоте.

Рис. 1. Концептуальный вид коэффициента снижения защиты (Kr) с двумя вариантами схемы измерения. В (B) измерение сравнивает напряжение, измеренное на оконечной нагрузке с подключенным экраном и без него.

((*) Ранее было предложено несколько формул для выражения эффективности экрана кабеля на основе его Zt. Часто упоминаемое быстро работающее правило: Kr(или SE)dB=40-20Log(Zt.l). Хотя это верно выше омической области Zt, это может дать широкий диапазон положительных результатов, 50 дБ или 70 дБ при 50/60 Гц, где обычный экран вообще не дает никакой защиты против помех, наведенных синфазным режимом.

Расчет Kr при длине, приближающейся или превышающей λ/2

Когда размер кабеля достигает половины длины волны, нельзя продолжать умножать Zt(Ом/м) на физическую длину, по которой больше не проходит однородный ток. Фактически, предположение о «электрически короткой линии» становится все менее и менее приемлемым, когда длина кабеля «l» превышает λ/10.

Когда кабель подвергается воздействию однородного электромагнитного поля или равномерно распределенного изменения ландшафта, экран, заземленный с обоих концов, встретившись с обычными помехами CM ведет себя как диполь, демонстрирующий собственный резонанс и антирезонанс для каждого нечетного и четного кратного λ/2 соответственно. Соответственно пики тока будут возникать периодически для каждого нечетного числа, кратного λ/2, что приводит к значению Kr для наиболее жестких условий.

*Некоторые испытательные установки для измерения Kr используют возбуждение конца экрана кабеля генератором на 50 Ом, что тоже позволяет получить резонансы λ/4. Краткое обсуждение этого представлено в Приложении.

Необходимо также учитывать C', фактическую скорость распространения в линии передачи кабель-земля, где C' меньше, чем идеальная скорость C в свободном пространстве. Обычно C' = 0,7–0,8 C. Следовательно, фактическая длина волны в контуре кабель-земля:

λ’=0.7to0.8x λ

Если мы применим наши расчеты к наихудшим условиям, самые плохие из которых будут (рис. 3) при первом λ’/2, где принимаемое напряжение Vd будет максимальным (из-за пика тока), и, следовательно, к низкому значению Kr.

Это правильно передает реальную ситуацию, когда при равномерном воздействии поля схема приемника, испытывающего воздействие, будет видеть более высокие помехи.

Рис. 2. Некоторые типичные значения Zt для нескольких экранированных кабелей

За пределами этой первой точки резонанса при постоянном возбуждении СМ граничное напряжение Vd будет проходить через последовательность пиков (с нечетными кратными λ’/2) и нулей. При этом амплитуда пиков не будет превышать амплитуду, достигнутую при первом резонансе.

Просто учитывая, что длина «электрически активного» сегмента экрана ограничена λ’/2, Vd_max можно рассчитать следующим образом:

Vd_max = Zt (Ω/m) x 0.5 λ’ x I_shield (4)

где, Zt = передаточное сопротивление на интересующей частоте отвечая на λ’.

При такой частоте Zt преобладает над Lt, передаточная индуктивность экрана

λ’= скорректированной длине волны для скорости распространения C’ ≈ 0,7–0,8λ

λ’= 0,75 . 300,106/F(Гц) = 220,106/F(Гц) (среднее значение)

(Уравнение 4) для Vd (max) можно записать как:

Vd_max =Lt.ω.0,5.(220,106 /F)xIsh= Lt(H/m).2π.F.0.5.(220,106 /F)xIsh)

Частота в уравнении сокращается, поэтому уменьшаются все переменные и используются более практичные единицы, такие как Lt в нГн/м:

Vdmax ≈Lt(нГн/м)x0,7xI_sh (5)

Кроме того, мы можем выразить I_shmax для экрана, заземленного с обоих концов, подвергнутого воздействию однородным полем (типичный сценарий восприимчивости к электромагнитным помехам):

Где

Zc = характеристика сопротивления кабельной надземной линии передачи.

= 150 Ом для отношения высота/диаметр = 4 (обычное для испытательной установки MIL-STD 461)

= 300 Ом для отношения высота/диаметр = 50

Таким образом, для Zc может быть задано среднее значение 210 Ом (приближение +/- 3 дБ).

Объединение уравнения 4 и 5 мы получаем простое выражение для наихудшего Kr выше резонанса.

Рис. 3. Воображаемый вид поведения Kr выше резонанса. Даже с экраном хорошего качества периодические скачки тока экрана с нечетными кратными значениями λ’/2 объясняют типичное ухудшение Kr на 10 дБ.

Рис. 4. Результаты расчетов для коаксиального кабеля с одинарной оплеткой длиной 5 м. Первый резонанс λ’/2 достигается на частоте около 20 МГц.

Рис. 5. Kr для коаксиального кабеля длиной 5 м, экран заземлен с помощью косички длиной 10 см

Рис. 6. Kr для экранированного компьютерного кабеля длиной 5 м с экранированным разъемом SubD25 хорошего качества

наихудший Kr выше резонанса:

Kr (min) = Vd max / Vcm

= ( 0.7 Lt . Vcm / 210) / Vcm

Kr min (dB) = - 20 Log [ 210 / 0.7 Lt(nH/m) ] Kr min (dB) = - 20 Log [ 300 / Lt(nH/m) ] (6)

Несколько практических показателей Kr, ниже или выше первого кабельного резонанса

На следующих рисунках показаны некоторые расчеты по формулам из этой статьи и результаты испытаний.

На рис. 4 показаны результаты расчетов для 5-метрового коаксиального кабеля хорошего качества с одинарной оплеткой, расположенного на высоте 1 метр над землей, с идеальным 360-градусным контактом на задней стенке разъема. На рис. 5 кривая показывает результаты испытаний 5-метрового коаксиального кабеля, в котором экран был намеренно испорчен 10-сантиметровым хвостом. Ухудшение показателя Kr выше 8 МГц впечатляет.

Приложение

Мы видели, что, когда размер кабеля приближается или превышает длину полуволны, ток на экране имеет синусоидальное распределение с чередованием инверсии фазы на каждом сегменте λ/2. А также дополнительно появляется еще сложность в том, что, если тестовая установка на генераторе 50 Ом, питающем один конец экрана, то он выглядит как линия передачи, закороченная на другом конце, подверженном стоячим волнам. Это несоответствие вызывает нули и пики тока при каждом кратном λ/4.

Для нечетных множителей, таких как λ/4, 3 λ/4, 5λ/4 и т. д., нулевой ток соответствует генератору, у которого наблюдается бесконечный импеданс. В то время как управляющее напряжение равно значению разомкнутой цепи, минимальный ток на экране вызывает падение напряжения на клеммах Vd, поэтому значение Kr искусственно подскакивает до более высоких значений. Этот эффект виден на рисунках, где Kr то появляется то лучше, то хуже своих средних значений. В настоящей статье мы предпочли ориентировать расчеты на наихудший случай, а не на самый благоприятный.