Экранированный кабель — что это такое

Каждое электрическое устройство, такое как электродвигатель, ноутбук, радиопередатчик, телекоммуникационные устройства или высоковольтные кабели, генерируют собственные электромагнитные поля, которые могут влиять на работу других устройств и вызывать их помехи. Для того чтобы противодействовать влиянию этих полей, применяются так называемые экранирование. Экранирование проводов — это способ защиты, который с помощью правильно изготовленных экранов, обычно называемых экранами, защищает электроустановки и устройства от воздействия электрических и/или магнитных полей. Такие экраны обычно изготавливаются из металла, их можно встретить, например, в электротехнических устройствах, помещениях или в некоторых электрических проводах.

Использование экранированных кабелей дает много преимуществ. Ответ на вопрос "в чем преимущества и почему стоит использовать экранированный кабель?" приводится далее в статье.

Большинство людей, особенно люди, не имеющие отношения к электротехнической промышленности или имеющие общее представление об электричестве, ежедневно используют термин электрический кабель или электрический провод взаимозаменяемо. Хотя для электриков-любителей это не будет большой ошибкой, для профессионалов, связанных с электротехнической промышленностью, это может внести некоторые неточности. Так в чем же разница? Электрические кабели всегда имеют герметичную и усиленную изоляцию , поэтому их можно эксплуатировать в различных условиях внешней среды, как внутри помещений, так и на открытом воздухе, например, в воде и земле.

Электрические провода могут иметь изоляцию, но это не обязательное требование, поэтому в основном их используют внутри помещений. Те, у кого нет изоляции, часто помещают в трубчатые оболочки. В свою очередь электрические провода с изоляцией строят на меньшие напряжения, чаще всего до 6кВ. Для сравнения, кабели можно использовать во всем диапазоне напряжений, т.е. ниже и выше 6 кВ.

Как было сказано выше, кабели отличаются от проводов тем, что всегда имеют изоляцию и применяются в широком диапазоне напряжений. Пример конструкции кабеля с экраном показан ниже на рисунке 1. На него укладывается коаксиальный кабель, также известный как спутниковый или антенный кабель, имеющийся в большинстве домовладений. Используется для передачи маломощных переменных сигналов, в том числе для передачи сигнала от спутникового преобразователя к декодеру.

В электрических кабелях стандартно можно выделить четыре основных элемента - хотя не все из них имеют экран - и это:

- одножильный или многожильный электрический кабель (с отдельной внутренней изоляцией для каждой жилы) - обычно изготавливается из меди, также можно найти электрические провода алюминиевые или стальные,
- внутренняя изоляция (диэлектрик) - в случае коаксиального кабеля изоляционным материалом является полиэтилен, а в других кабелях также используется резина или ПВХ. Функция внутренней изоляции заключается, в том числе, в защите от поражения электрическим током. В случае многожильных кабелей отдельные цвета изоляции указывают, с каким кабелем мы имеем дело. Поэтому это может быть фазный, нулевой или заземляющий провод,
- экран - это вторая проводящая среда после электрического провода. Обычно изготавливается в виде алюминиевой фольги, медной или алюминиевой оплетки. В полужестких воздуховодах он также доступен в виде втулки.
- внешняя изоляция – защищает кабель от внешних факторов, таких как механические повреждения или влажность. Внешняя изоляция выполнена из термопластичных и термореактивных материалов, например поливинилхлорида (ПВХ).

Основные преимущества использования экрана в кабелях описаны ниже:

– Экранирование в основном используется для сдерживания электрических и магнитных полей, особенно с более высокими частотами. Экран позволяет защитить окружающую среду от полей, исходящих от устройства и наоборот – защищает устройство от воздействия магнитных или электрических полей, возникающих снаружи. Коаксиальные кабели передают цифровые и аналоговые сигналы в диапазоне от 20 Гц до 15 ГГц и в них можно встретить экран в виде фольги и оплетки. В случае спутникового сигнала передача от конвертора на спутниковый ресивер происходит в диапазоне частот от 950 МГц до 2150 МГц. Возникает вопрос, зачем в спутниковом кабеле двойное экранирование? Речь идет в первую очередь о механическом и экономическом аспекте - при отсутствии фольги оплетка должна была бы быть толще и плотнее, что ухудшило бы возможность изгиба кабеля и себестоимость его производства. При производстве спутниковых кабелей нет смысла делать тугие оплётки, если использование дополнительной фольги дает такой же или такой же конечный результат, как и тщательное плетение. Использование фольги - более дешевое решение, оно просто позволяет "залатать" разрыв в оплетке, но сама фольга относительно тонкая, из-за чего экранирует намного хуже, чем сплошная оплетка.

– Экранирование обеспечивает безопасность в виде защиты от поражения электрическим током и ограничивает токи короткого замыкания. Для предотвращения появления напряжения снаружи щиток заземляют. Даже если внешняя изоляция повреждена, напряжения снаружи кабеля не будет. Это позволяет избежать опасных междуфазных коротких замыканий и скачков напряжения в оборудовании рядом с кабелем.

– Экранирование обеспечивает равномерное распределение магнитного поля. Однако следует учитывать, что, например, в случае двухпроводной линии с увеличением толщины стенки экрана распределение магнитного поля во внутренней области экрана будет становиться все больше и больше. неровный. Поэтому важными параметрами экрана являются его толщина, плотность покрытия и проводимость материала, из которого он изготовлен. Если экран спроектирован правильно, чтобы он мог должным образом выполнять свою роль, необходимо учитывать эти три параметра. Помимо толщины экрана, на распределение магнитного поля в упомянутых двухпроводных линиях влияет также явление близости и реверсивности токов в проводах.

Электрические линии могут вызывать электромагнитные помехи как в своей работе, так и в работе других устройств, и они тоже это чувствуют - в результате эффекта связи. Поэтому для обеспечения ЭСМ (электромагнитной совместимости) линия должна быть экранирована. Экранирование — это защитный эффект, выражающийся, прежде всего, в так называемом оптическом покрытии, т. е. в области, которая визуально закрывается экраном. Например, если линия имеет медную или алюминиевую фольгу в качестве экрана, можно говорить о 100%-м покрытии, поскольку она действует как труба. Если экран плетеный или сложенный проволокой, это имеет то преимущество, что в отличие от фольги он намного прочнее и устойчивее к изгибу. Однако недостатком оплетка заключается в том, что площадь покрытия уменьшается, потому что между каждым экранирующим проводом есть небольшой зазор. Как правило, оплетки имеют плотность покрытия в диапазоне от 30% до 95%.

Было показано, что в случае линейных кабелей наилучшим решением является плетеный экран с оптимальным углом наклона оплетки. С другой стороны, когда речь идет о витых проводах (так называемых «витых проводах»), оптимальным экраном является фольга, помещенная между внутренней изоляцией — оплеткой всех одиночных проводов в витой паре — и трубой-оболочкой.

Одним из наиболее очевидных преимуществ медных кабелей является то, что они намного дешевле, чем оптоволоконные кабели, и их гораздо проще подключить. На выбор соответствующего типа кабеля влияют окружающая среда и его назначение.

В случае витых кабелей можно выделить следующее деление:
- неэкранированная витая пара
- экранированная витая пара

Неэкранированный кабель представляет собой витую пару UTP.(неэкранированная витая пара), которая используется в сетевых приложениях. Обычно он состоит из четырех пар медных проводов от 22AWG до 28AWG, каждый из которых изолирован и скручен. Неэкранированная симметричная витая пара UTP состоит из витых пар проводов (обычно четырех) с оболочкой из ПВХ или LSZH (Low Smoke Zero Halogen). Обозначение LSZH означает, что крышка изготовлена ​​из материала, не выделяющего при пожаре вредных газов. Ухудшение характеристик такого кабеля может быть вызвано, в том числе, превышение радиуса изгиба кабеля, слишком большое натяжение (растяжение) или отсутствие терминатора. Возникающие электромагнитные помехи также ухудшают характеристики кабеля UTP, поэтому его используют для сред с низким уровнем электрических помех.

О преимуществах экранированных кабелей уже упоминалось ранее. Наиболее популярны экраны из фольги и металлической оплётки (плетенки). Фольга обеспечивает 100% непрозрачность, тесьма от 30 до 95%. Однако оплетка обеспечивает лучшую общую защиту, поскольку она толще фольги и поглощает больше электромагнитных помех. Характеристики плетеных экранов также лучше на более низких частотах. Фольга тоньше, реже подавляет помехи, но обеспечивает лучшую защиту в более широком диапазоне частот. Поэтому для наилучшей защиты иногда применяют комбинированные экраны из фольги и тесьмы. Экраны могут окружать все пары витых проводов вместе и/или отдельные пары витых проводов.

Существует несколько типов кабелей с витой парой, и их терминология менялась с годами. UTP используется для неэкранированной витой пары. В случае экранированных витых пар можно встретить следующие буквенные сокращения. Буква перед косой чертой представляет общий внешний экран, а буква после косой черты представляет экран вокруг отдельных витых пар медных (электрических) проводов.

И так:
– U/FTP (Unshielded/Foiled Twisted Pair) – это кабель без внешнего общего экрана, но с экраном из фольги, который окружает каждую пару из четырех электрических проводов.
– Ф/УТП (Фольгированная/неэкранированная витая пара) — этот кабель имеет общий экран из фольги вокруг всех электрических проводов в кабеле. Отдельные пары проводов не имеют индивидуального экрана.
– Sc/FTP (Screened/Foiled Twisted Pair) – кабель имеет общий экран из проволочной сетки под внешней изоляцией кабеля. Отдельные пары электрических проводов также окружены одиночными экранами из фольги.
– F/FTP (Foiled/Foiled Twisted Pair) – в таком кабеле под внешней изоляцией находится экран из фольги. Кроме того, отдельные пары электрических проводов также окружены одиночными экранами из фольги.

Кабели Sc/FTP и F/FTP обеспечивают наилучшую защиту от внешних шумов и посторонних перекрестных помех.

Кабели управления используются для передачи сигналов управления между передатчиком и приемником. Их можно найти, например, в промышленных роботах, сборочных линиях, станках с ЧПУ и т. д. Как следует из названия, они предназначены для управления устройством с помощью электрического сигнала, что также означает, что они должны быть устойчивы к помехам. В противном случае воздействие помех на управляющий сигнал может привести к неисправности устройства.

Кабели управления используются как в стационарных, так и в мобильных установках. Для получения адекватного ослабления асимметрии используются параллельно скрученные проводники. Для повышения устойчивости к электромагнитным помехам помимо экрана в виде алюминиевой фольги или оплетки применяют еще и заземляющий провод. Часто можно встретить двойной экран. Затем внешнюю оплетку оцинковывают для повышения ее устойчивости к механическим движениям.

Кабели управления очень часто используются в мобильных приложениях, что делает их подверженными - в дополнение к суровым условиям окружающей среды - повышенным нагрузкам, возникающим в результате движения, скручивания или частых изгибов. Во избежание быстрого износа или повреждения изоляции провода управления покрывают полимерными материалами с повышенной стойкостью к указанным выше механическим движениям. Кроме того, тросы управления часто укладывают в так называемые цепи, которые обеспечивают дополнительную защиту от истирания или повреждений, вызванных многократным изгибом.

Направляющие уменьшают износ и давление на кабели во время изгиба, а также помогают организовать и удерживать их на месте. Ведущим производителем энергоцепей является немецкая компания igus®, которая за последние годы внедрила множество технологических инноваций в свои энергоцепи. В первую очередь речь идет о типе используемых материалов, благодаря которым удалось добиться большей долговечности при меньшем весе цепи, что, несомненно, является большим преимуществом. Еще одним преимуществом является их модульная структура, которая делает установку цепей относительно простой, и их можно довольно гибко адаптировать к индивидуальным требованиям, например, в отношении длины. Однако перед выбором направляющей для кабеля управления убедитесь, что кабель совместим с направляющей.

Для этого

– внешние диаметры и количество используемых тросов – для определения внутреннего размера цепи
– радиус изгиба тросов – затем можно выбрать соответствующий радиус цепи,
– общий вес тросов – для выбора провисания цепи.

igus® также специализируется на производстве электрических кабелей. Кабели для мобильного применения доступны на рынке под названием chainflex®. Ассортимент chainflex® очень широк и включает более тысячи различных кабелей, включая кабели управления, кабели для сервоприводов, кабели для двигателей или роботов, кабели для шин и многие другие. Доступен как в экранированном, так и в неэкранированном исполнении.

Кабели управления chainflex® отвечают различным механическим требованиям, в том числе являются:
– способными к скручиванию,
– пригодными для особо жестких лучей и низких температур,
– устойчивыми к УФ-излучению,
– огнестойкими и не содержащими галогенов.

Обозначение chainflex® M относится к кабелям, надежность которых гарантирована в течение одного миллиона циклов движения.

К экранированным кабелям управления относятся, среди прочего, версии:
– LIYCY,
– JZ-500-C,
– серии IGUS: CF2, CF6, CF10, CF78, CF99, CF140, CF180.

Кабели двигателя подвергаются чрезвычайно высоким нагрузкам, например, частые изгибы или высокие скорости и ускорения. Кроме того, они часто подвергаются воздействию УФ-лучей или контактируют с органическими маслами и охлаждающей жидкостью. Доступны как одножильные, так и многожильные кабели, экранированные и неэкранированные. К экранированным кабелям двигателя igus относятся, в частности: экранированный кабель CF31, CF35, CF38, CF270, CF886, CF896, CFROBOT или экранированный кабель CFROBOT7.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) оказывает решающее влияние на управление двигателем с помощью инвертора, поэтому здесь так важна электромагнитная совместимость (ECM). В этом случае используйте экранированные кабели. Одним из них является, например, многожильный кабель управления с двойным экраном с маркировкой 2XSLCY-J. Этот кабель используется для подключения двигателя к инвертору, а кабель 2YSLCY используется для передачи данных.

С другой стороны, для управления серводвигателями используется только качественный экранированный кабель, т.н. серво кабели. Кабели для сервоприводов в ассортименте igus® обозначаются как CF21, CF27, CF29, CF210, CF220, CF270, CF280, CF887, CF897.

Тросы для направляющих приспособлены для работы с наименьшими радиусами изгиба, поэтому отличаются повышенной устойчивостью к механическим движениям, таким как скручивание, раздавливание или изгиб.

В конструкции таких кабелей можно выделить следующие характеристики:

- Жилы в таких кабелях должны соответствовать высоким требованиям гибкости. Один из способов улучшить его — сделать одну жилу из кучи тонких проводов — вместо одного провода того же диаметра.
Соответствующие инновационные полимерные материалы используются для производства защитных покрытий, а также для повышения прочности на изгиб.

– Плетеный экран более устойчив к изгибу, чем фольга, поэтому этот тип экрана в основном используется в кабелях для мобильных устройств. Для повышения прочности оплетку обычно изготавливают из меди, подвергнутой процессу цинкования. Медь обладает большей гибкостью, чем алюминий, что делает ее более устойчивой к изгибу.

Сейчас доступны различные версии энергетических цепей, как для одно-, двух-, так и для трехмерного (3D) движения — например, в промышленных роботах. В целом кабели для энергоцепей должны соответствовать ряду стандартов и руководств, в том числе требованиям безопасности, связанным с электромагнитной совместимостью (ЭМС). Большинство кабелей, доступных на рынке, можно разместить в направляющих, таких как кабели управления, кабели двигателей, кабели сервоприводов, кабели передачи данных и т. д. Примером может служить кабель управления OLFLEX FD CLASSIC 810 CY от LABB KABEL, кабели передачи данных. от HELUKABEL или вышеупомянутые ранее кабели igus®. Однако важно, чтобы отдельный кабель был адаптирован с точки зрения конструкции для мобильного применения. В первую очередь следует помнить о правильном подборе.

Целью использования электромагнитного экрана является либо закрытие генерируемого в нем электромагнитного поля и предотвращение его распространения, либо создание пространства, свободного от внешних полей. В проводах электронных устройств возникают перепады напряжения, что приводит к так называемым электромагнитным помехам (ЭМП). Это также относится к области промышленной автоматизации.

Что касается видов помех, то их пять видов, но они обычно возникают одновременно - а это:

- гальванические,
- емкостные,
- индукционные,
- волновые,
- радиационные.

Помехи способствуют некорректной работе отдельных функций данного устройства и даже могут стать причиной его полного выхода из строя. Для предотвращения появления помех применяют экранирование приборов и проводов К экранам относятся магнитные, электромагнитные и электростатические экраны.. Электростатическое экранирование работает по принципу электростатической индукции, подобно клетке Фарадея, внутренняя часть которой защищена проводником, перехватывающим на своей поверхности электрический потенциал, поступающий извне. Благодаря этому внутренняя часть клетки освобождается от внешних электрических полей. Чтобы экранированные кабели выполняли свои защитные функции, необходимо помнить об их правильном заземлении. При таком расположении электропроводный материал экрана соединен с землей или опорным потенциалом. При отсутствии заземления экран в кабеле становится просто бесполезным.

Экран можно заземлить двумя способами, т. е. односторонним или двусторонним. Например, если кабель имеет двойное экранирование, один из экранов может быть заземлен с одной стороны, а другой — с обеих сторон.

Тип ожидаемых помех влияет на выбор метода заземления:

– требуется одностороннее заземление для защиты от внешних электрических полей. Эта комбинация особенно выгодна для устранения емкостных и индуктивных помех и предпочтительна только для низкочастотных сигналов низкого напряжения.

– для исключения влияния переменного магнитного поля применяют двухстороннее заземление. Однако затем так называемая контур заземления, который дополнительно создает гальванические помехи и способствует низкочастотным магнитным возмущениям. Для уменьшения помех при заземлении с обеих сторон применяют двойное экранирование проводов, при котором внешний экран заземляется с двух сторон, а внутренний - с одной. Такую систему можно встретить при передаче высокочастотных сигналов. Для уменьшения гальванических помех можно подключить внешний экран с обоих концов, но экран должен быть подключен к опорному потенциалу через конденсатор с одной стороны.

За последние двадцать лет потребность в более высоких скоростях сети привела к разработке новых спецификаций и технологий кабелей. Развитие каждого поколения Ethernet сопровождается соответствующим развитием кабельных технологий. Частью этого развития является более широкое использование экранированных кабелей. Они все чаще используются в высокоскоростных сетях, особенно когда речь идет о минимизации AXT (Alien Crosstalk) на линиях 10 GbE.

Экранированные кабели обычно использовались для передачи сигналов на большие расстояния. За счет экрана они минимизировали электромагнитные помехи EMI по всей длине кабеля. Источниками электромагнитных помех, обычно называемых шумом, могут быть, например, двигатели лифтов, люминесцентные лампы, генераторы, кондиционеры или принтеры. Поэтому рядом с такими устройствами также используются экранированные кабели, даже если длина кабеля меньше. Кроме того, экранированный кабель также часто используется во взрывоопасных местах, например в шахтах.

Подводя итог, можно сказать, что экранированный кабель имеет ряд преимуществ, таких как: снижение электрических помех, улучшение передачи сигнала, снижение электромагнитного излучения или предотвращение перекрестных помех между аналогичными кабелями. Однако следует также учитывать, что экранированные кабели более дорогие, менее гибкие и могут быть более сложными в установке, чем не экранированные кабели, включая необходимость заземления.

Заземление экранированного кабеля хотя бы с одной стороны необходимо для исключения влияния электромагнитных помех на кабели. Кроме того, большинство экранированных кабелей тяжелее и толще неэкранированных, что также следует учитывать при планировании кабельной линии.

Добавить комментарий