Экранировать СКС или не экранировать? Вот в чем вопрос!

Запорощенко Евгений Кадарович, к.т.н., доцент, главный технический специалист по СКС SPL GROUP
Работа со структурированными кабельными системами (СКС) часто связана с их инсталляцией в местах с повышенным электромагнитным фоном или, как мы часто говорим, помехами. Возникает резонный вопрос: надо или нет монтировать экранированные версии СКС. С одной стороны напрашивается простой ответ – конечно нужно, ведь вокруг СКС помеховый фон. Но так ли это. Давайте разбираться.

Начнем наши рассуждения с типов электрических сетей, которые в настоящее время используются в мире и в нашей стране. 

Для этого обратимся к Правилам Устройства Электроустановок (ПУЭ) издания 6 и 7, актуальным в России на 2021 год [1]. Международными стандартами IEC (МЭК) и ПУЭ рекомендуются три типа электросетей в зависимости от вида заземления: TN, TT и IT.

Первая буква в типе электросети определяет тип заземления электроустановки.

T -глухозаземленная нейтраль,
I – изолированная нейтраль.

Вторая буква определяет тип заземления нагрузки.

T -непосредственное заземление,
N -соединение токоведущих выводов к нейтрали электроустановки (функциональной земле).

В TN сетях (рис. 1), дополнительные буквы указывают на установленные нейтральный и ащитный проводники.
S -независимый защитный проводник во всей электросети,
C -нейтраль и защитный проводник объединены вместе в одном проводнике.
C-S -в части электросети функции нейтрали и защитного проводника объединены.

Рис. 1 Сеть TN

Различают три разновидности сетей TN.
Сеть TN-S (рис. 2): отдельный защитный проводник используется во всей сети.

Рис. 2 Сеть TN-S
Сеть TN-С (рис. 3):функции нейтрального и защитного проводника во всей сети совмещаются в одном проводнике PEN.

Рис. 3 Сеть TN-С
Сеть TN-C-S (рис. 4): в части электросети функции нейтрали и защитного проводника совмещаются в одном проводнике.

Рис. 4 Сеть TN-С-S
В электросетях ТТ (рис. 5) нейтральный проводник источника питания, как правило, глухозаземлен. Токоведущие части оборудования подключаются к электродам заземления, которые являются нейтральными по отношению к заземлению источника питания.

Рис. 5 Сеть TТ
В электросетях IT (рис. 6) нейтральный проводник источника электропитания не заземляется или подключается к высокоомному сопротивлению.Токоведущие части оборудования заземляются.
Электросети IT неудобны для подключения электроустановок, т.к. в них нет нейтрального проводника.

Рис. 6 Сеть IТ
Как видно из вышеуказанного, в нашей стране превалируют сети TN-C, хотя многие увидели еще и сети IT, сохранившиеся в нашей стране со времен советского прошлого.

Для инсталляции СКС предпочтительно наличие в здании системы заземления TN-S. Она позволяет устранить «токовую петлю», когда разность потенциалов дает паразитный ток в кабеле. Можно использовать также потенциаловыравнивающую шину. В ГОСТе 50571.21 рассматриваются три варианта достижения эквипотенциальности: уравнивающая шина, радиальное соединение защитных проводников с корпусами оборудования ИТ (эффективное в небольших зданиях при коротких проводниках) и потенциалоуравнивающая сетка (более эффективный способ), описанная и в европейском стандарте EN 50174-2 как рекомендуемое решение для электроустановок зданий [2]. В EN 50174-2 приведены детальные рекомендации по проектированию и инсталляции системы в целом. Если детально проработать проект, предусмотрев все возможные варианты, то ни с заземлением, ни с инсталляцией никаких трудностей не возникнет. В данном случае многое зависит от умения и профессионализма специалиста, осуществляющего проектирование сети.

В Германии, Франции, Швейцарии, Англии и Австрии экранированный медный симметричный электрический кабель служит стандартной средой передачи сигналов, обеспечивая защиту канала от электромагнитных помех и межкабельных наводок (AXT). Это связано, прежде всего, с наличием в этих странах качественно спроектированных и выполненных электросетей системы TN-S и систем заземления. Однако в России и в большинстве других стран, включая США (на эту страну приходится более 40% мирового рынка СКС), как правило, используются более дешевые неэкранированные системы [2].

Рыночная доля экранированных СКС в России составляет 5-10% [2]. По оценкам [2], для вновь инсталлируемых систем она приближается к 5% и лишь через пару лет может увеличиться до 10% для решений 10 Гбит/с Ethernet. Однако по числу портов системы U/UTP категории 6 имеют еще более значительный перевес. Основные заказчики — госсектор и офисы зарубежных компаний, которые привыкли руководствоваться последними требованиями международных стандартов (ISO/IEC 11801-2017-3-й ред.).
В основном экранированные системы устанавливаются из соображений безопасности, однако в большинстве случаев имеет смысл выбирать волоконно-оптические системы, как полагают большинство специалистов по СКС [2]. К установке экранированной системы следует подходить очень избирательно. Нередко разумнее использовать СКС с кабелем U/UTP высокой категории или оптику. По оценкам Андрея Семенова (д.т.н. по СКС, профессора), в крупных проектах экранированные СКС составляют 15-20%, а в мелких практически не используются, поскольку в нашей стране в офисных зданиях (даже специализированной постройки) нормальное телекоммуникационное заземление встречается нечасто. Что касается альтернативы «экран/оптика», то медная неэкранированная СКС более экономична.
Безусловно, с внедрением мультимедиа и 10GbE-решений доля экранированных проводок будет расти до 32% в год. Выбор в пользу экранированных систем обусловлен требованиями обеспечения непрерывности и надежности бизнес-процессов. Это касается банковского сектора, логистики, риэлтерского бизнеса, а также телевизионных компаний, которые осуществляют переход на цифровые методы обработки видеоинформации [2].

При правильном монтаже экранированные СКС обеспечивают лучшую защиту от электромагнитных помех и межкабельных наводок, однако, экранированным системам присущ ряд недостатков, включая трудности монтажа, массогабаритные показатели кабеля, необходимость учитывать особенности системы заземления и электропитания здания, высокую стоимость. По сравнению с неэкранированной U/UTP системой, они остаются более дорогими — будь то стоимость компонентов, монтажных работ или сопутствующих систем (телекоммуникационная шина заземления и т.п.), а при отсутствии контура заземления сделать его по всем правилам слишком накладно, что приводит к удорожанию всей ЛВС [2].
В случае неверной инсталляции характеристики экранированной СКС могут оказаться хуже, чем у неэкранированной системы той же категории: протекающий по неправильно заземленному экрану ток между точками с разными потенциалами будет наводить помехи на проводники пар. Экранированные системы требуют более продуманного проектирования, внимательного монтажа и эксплуатации. Вместе с заземлением решение получается далеко не дешевым, хотя при определенных условиях может дать выигрыш по TCO. Инсталляция компонентов экранированной СКС не намного сложнее, но основная трудность заключается в выполнении безукоризненного заземления. При этом необходимо наличие у телекоммуникационной системы заземления и опыта инсталляции у монтажников. Кроме того, экранированные СКС имеют увеличенный размер и вес компонентов и высокую стоимость, которая порой в два раза дороже, чем версия U/UTP, и примерно еще на столько же возрастает за счет установки системы заземления в сети TN-S [2].
По оценке [2], экранированный вариант СКС обойдется на 30-40% дороже по стоимости продуктов, и на 10-15% — по стоимости инсталляции.
В последнее время большое внимание уделяется электромагнитной совместимости в различных информационных приложениях кабелей на основе экранированной витой пары (F/UTP) по сравнению с кабелями на основе неэкранированной витой пары (U/UTP). Широко распространенные традиционные взгляды на экранирование привели к вере в то, что физически “экранированный” кабель безусловно обладает лучшей невосприимчивостью к шуму и более низкими уровнями излучательной способности, чем “неэкранированный” кабель. Однако полученные результаты исследований [3] показывают, что невосприимчивость к шуму и излучательные характеристики информационных кабелей типа неэкранированная витая пара практически не отличаются от таких же характеристик кабелей типа экранированная витая пара.
В кабелях U/UTP и F/UTP применяются две различные стратегии противостояния шумовым помехам. В неэкранированных кабелях витая пара для повышения невосприимчивости к шуму основная ставка делается на хороший баланс пар в кабеле. Когда сбалансированность кабельной U/UTP-системы приближается к идеальной, наведенные шумовые токи на витых проводниках выравниваются и приемник, который способен обнаруживать только разницу напряжений на паре, становиться невосприимчивым к шумовым помехам. Таким образом, даже без защиты с помощью физического “экрана” идеально сбалансированная пара будет демонстрировать отличную невосприимчивость к шуму [3].
В экранированных кабелях витая пара для улучшения невосприимчивости к шуму используется легко разрушимая и дорогостоящая технология. Поле шумовой помехи наводит ток в металлическом экране кабеля. В результате стекания на землю наведенного тока на сигнальных проводниках под экраном будет наводиться одинаковый по амплитуде и разнофазный ток. По мере приближения качества экрана к идеальному два тока становятся равными по амплитуде и противофазными, компенсируя влияние шумовых помех [3].Главной задачей огромного большинства конечных пользователей является то, насколько хорошо будет функционировать система в различных конфигурациях и при различных кабельных решениях. Невосприимчивость к воздействию со стороны электромагнитных шумов является главным критерием при определении рабочих характеристик установленной системы (часто выражается в виде параметра BER – Bit-Error-Rate – уровень битовой ошибки). В сетях ЛВС ухудшение рабочих характеристик может значительно увеличить время реакции системы и в экстремальных ситуациях вызвать аварию в сети. С точки зрения конечного пользователя хорошая кабельная система позволяет реализовать множественные конфигурации (то есть количество пользователей, количество подключений, длины кабельных участков) и в то же время сохранять приемлемые рабочие характеристики по параметру BER. 

По этой причине экранированные кабели обладают несомненной привлекательностью для тех, кто не подозревает об опасностях, создаваемых неправильно смонтированным экраном, и не знает о хорошей невосприимчивости к шуму и отличных рабочих характеристиках неэкранированных кабельных систем для передачи данных.

Многие проектировщики систем и оборудования, а также конечные пользователи уверены в том, что качество их кабельных систем на основе F/UTP является следствием физического присутствия “экрана”. Однако, любой экран, если он изготовлен и смонтирован некачественно, будет вести себя как антенна, излучая или поглощая шумы. Эффективно экранированная кабельная система должна иметь экран, правильно инсталлированный с обоих концов и быть целостностным в каждом соединении по всей кабельной системе [3].

Так, измерения рабочих характеристик, проведенные компанией AT&T, развеяли некоторые заблуждения, связанные с рабочими характеристиками кабелей на основе экранированной и неэкранированной витой пары. Результаты измерений вторично наведенного тока привели к заключению, что “сам по себе экранированный кабель не обеспечивает невосприимчивости к шуму. Следует рассматривать внешнее экранирование всей линии, так как на первый взгляд безобидные соединения могут оказывать и оказывают значительное влияние на эффективность экранирования. Кроме того, поддержание высокого качества экрана в каждой точке становится дорогим, а разработчик системы должен найти компромисс между требованиями, предъявляемыми к системе, учитывая требуемые рабочие характеристики электромагнитной совместимости, а также стоимость компонентов и обслуживания системы”. 

В заключение можно констатировать, что при использовании обычных кабельных конфигураций, неэкранированный кабель полностью способен обеспечивать такой же уровень устойчивости к шуму, как и экранированный кабель. Это касается как часто используемой категории 6, так и всех неэкранированных решений.

Литература
Правила Устройства Электроустановок (ПУЭ) (издание 6 и 7), 2021 г.
За экраном, Сергей Орлов, «Журнала сетевых решений/LAN», 06, 2007 г.
Экранированный кабель «витая пара» против неэкранированного кабеля «витая пара». Ошибочный взгляд на рабочие характеристики. Е. Оганесян, База знаний ICS, 2000 г.