system solutions EMV als Schutzmassnahme Cables + Systems DRAFT © 09/2001 Dätwyler Ltd. Cables+Systems - 113 EMC.ppt

Europäisches Komitee für elektrotechnische Normung Europa Normen Wird eine neue Europäische Norm (EN) geschaffen, so verpflichtet die Mitgliedschaft im CENELEC zur Übernahme der Norm in das eigene nationale Normenwerk. CENELEC: Europäisches Komitee für elektrotechnische Normung Die Schweiz ist Mitglied beim CENELEC:

werden Richtlinien für Erdung und EMV veröffentlicht EMV Norm In der Norm prEN 50174 werden Richtlinien für Erdung und EMV veröffentlicht Die Norm ist in Bearbeitung

Es existieren keine normierten EMV-Tests für die Verkabelung allein EMV und Verkabelung EMV-Konzept - Ziele - Massnamen Es existieren keine normierten EMV-Tests für die Verkabelung allein

EMV und Verkabelung Ziele Verkabelung und die daran angeschlossenen aktiven Geräte sollen: - Umwelt nicht stören (abgegrenzte Emission) - von der Umwelt nicht gestört werden (Immunität)

Massnahmen Symmetrische Übertragung Abschirmung (geschirmte Kabel) Erdung Kabelverlegung in Metallkanal Überspannungsableiter Verwendung optischer Kabel

Themenkreis: Arten der Kopplungen EMV-Verhalten von Kabelschirmen Schirmungs- und Erdungskonzepte Ausführungsmassnahmen in der Installation

Kopplungsmechanismen Elektromagnetische Umgebung (Störquellen) Galvanische Kopplung (Leitungen) Elektrische (E-Feld) Magnetische (H-Feld) Strahlungs- (E/H-Feld) Empfänger (Störsenke)

Kopplungsarten S1 S2 i1 i2 Galvanische Kopplung i (A) Induktive Kopplung E U Kapazitive Kopplung S1 S2 Strahlungs- Kopplung

Galvanische Kopplung Kopplung durch „Leitungs“ Ströme Ua = Zusätzlicher Spannungsabfall verursacht durch System 3 (S3) Z = Leitungsimpedanz S1 S2 S3 Ua Z Massnahme: gemeinsame Hin- und Rückleitungen vermeiden

Reduktion von galvanischen Kopplungen Fachgerechte Masseverbindung S1 S2 S3 EP Sternverbindungen Impedanzarm (niedrige Induktivität) Schleifenflächen reduzieren Impedanzarm besser niederinduktiv Leiteroberfläche möglichst gross

Reduktion kapazitive Kopplung Kopplung über das elektrische Feld vq C1 C2 C12 Vs Störquelle Störsenke Masse C Störquelle Störsenke Schirm Masse Kapazitive Kopplung Reduktion kapazitive Kopplung

UTP-Kabel Kat 6 Crosstalk im Kabel Alien Crosstalk bei 4 x 20 m Kat 5e

SFTP-Kabel Kat 6 Crosstalk im Kabel Alien Crosstalk bei 4 x 20 m Kat 5e Kat 6 Alien Crosstalk bei 4 x 20 m Kat 5e Kat 6

Induktivitätswerte nach Leiteranordnung b a 3 0.3 m H 2 m H 0.2 m m 1 0.1 1 2 5 10 20 50 100 1 2 5 10 20 50 100 d / D a / b

Erden oder an Masse legen Personenschutz EMV Spannungen hoch Energieentsorgung niedrig Telefonie, Ströme Datenkommunikation Frequenzen unter 0.1 MHz über 1.0 MHz Art des Netzabschlussses Erdung an Masse legen indirekte Verbindung zum direkte Verbindung zu einer grossen Erdboden über ein leitendes leitenden Fläche mit Potenzial null Netz Hinweis mit steigender Frequenz nimmt begrenzte metallische Oberfläche der induktive Widerstand zu, Er- an Masse legen nur für hohe Fre- dung nur bei niedrigen Frequen- quenzen bei kleinen Strömen zen als Schutzmassnahme ge- geeignet eignet  

Induktiver Spannungsabfall di / dt = Stromanstieg / Zeiteinheit L = Induktivität der Leitung H / m Beispiel: di / dt = 100 kA / s Û = 100 kA x 1  H L = 1 H m (Cu) Û = 100 kV (Spannungsabfall) Induktivitäten von Cu-Leiter rund  1.4 mm 1.54 mm2 1.39 H / m rund  6 mm 28.3 mm2 1.08 H / m rund  12 mm 113.1 mm2 0.97 H / m rechteckig 30 x 3 mm 90.0 mm2 0.92 H / m rechteckig 200 x 1 mm 200.0 mm2 0.56 H / m Quelle: Meteolabor

Spannungsabfall auf dem Erdleiter Berechnungsbeispiel: Cu-Leiter: 90 mm2 Länge: 1.8 m Widerstand: 0.33 m Induktivität: 1.6 H Û Î = 4 kA di / dt = 2 kA / s Ohm‘scher Spannungsbfall Induktiver Spannungsbfall Û = R x Î Û = L x di / dt Û = 0.00033 x 4000 Û = 1.6 x 2000 Û = 1.32 V Û = 3.2 kV Quelle: Meteolabor

Kopplungswiderstand Î Û F Abschirmung: Alu-Folie mit Abnahmedraht 0.6 mm Länge 10 m Î Abnahmedraht 0.6 mm Û F Î = 5 A di / dt = 0.2 A / ns L = 18.4 mH Û = L • di / dt Û = 3.7 kV induktiver Spannungsabfall

Kopplungswiderstand Î Û F Abschirmung: Cu-Geflecht ohne Abnahmedraht Länge 10 m Î 1.5 mm 2 Û F Î = 5 A di / dt = 0.2 A / ns L = 3.9 Û = L • di / dt Û = 0.8 kV induktiver Spannungsabfall

Induktive (magnetische) Kopplung Störquelle Magnetfeld M Störstrom L Schirm L Störsenke Is Ls Rs Masse

Induktive Eînkopplung VJ VJ = M x I1 x Rs Ls ungeschirmtes Kabel Volt geschirmtes Kabel 10 3 F (kHz) RS = Schirmwiderstand LS = Schirminduktivität fg = Grenzfrequenz VJ = induzierte Spannung im Innenleiter M = magnetische Feldstärke fg = 2 x  x Rs Ls

Einfluss von Induktionsspannung auf die Leitungsführung Daten- leitung G2 G1 i b 2.0 s 0.1 A Daten- leitung G2 G1 i b 0.2 s 1 PA A 10.0 A r(s) B  r(s) B   Magnetfluss durch die Schleifenfläche

Schleifenbildung Prinzipielle Darstellung Fangeinrichtung Bildschirm Datenleitung Schleifenfläche b CPU i In Speiseleitung a S (r) Schlaufenbild

Grössenverhältnisse von induktiven Einkopplungen 5 cm 50 cm 10 cm 10 cm 50 cm Quelle: Arnold Engeneering, Opfikon

Grössenverhältnisse von induktiven Einkopplungen 50 cm Messstelle 2.5 cm Messstelle Quelle: Arnold Engeneering, Opfikon

Beeinflussung von Kommunikationssystemen Über galvanische, kapazitive, Induktive oder Strahlungs-Kopplung können Störmechanismen auf Kommunikationssysteme wirken - Induktive Kopplung über magnetische Felder zwischen zwei oder mehreren Leiterschlaufen (z.B. Schleifenfläschen bei Steigleitungen) je grösser I und f, desto grösser die Kopplung - Kapazitive Kopplung über elektrische Felder zwischen Leiter, die unterschiedliche Potentiale aufweisen (z.B. Parallelführung von Leitern) Je grösser U und f, desto grösser die Kopplung - Kopplung im nichtleitenden Raum durch elektromagnetische Felder 8 z.B. durch hochfrequente Felder von Senden oder Geräten mit Funkenbildung) - Verschiedene Stromkreise mit einem gemeinsamen Rückleiter (z.B. NF-Brumm) - Störungen, die über Netzzuleitungen am gleichen Netz betriebener Verbraucher zur Senke gelangen (z.B. Netzrückwirkungen, wie Kommutierungseinbrüche vom Umrichtern) - Transiente Potentialanhebung (z.B. durch Blitzeinwirkung) Galvanische (Leitung) Kapazitive (E-Feld) Induktive (H-Feld) Strahlung (E/H-Feld) Kopplungsart Beispiele

Erdungskonzepte Baumstruktur oder Sternstruktur Stammstuktur Maschenstruktur

Erdungskonzeption bei geschirmten Kommunikationsverkabelung Es gibt kein Erdungskonzept, welches die analogen und digitalen bzw. nieder- und hochfrequenten Anforderungen optimal erfüllt. - Mehrere dezentrale Erdungspunkte (z.B. pro Geschoss) - Schirme mehrheitlich nur einseitig aufgelegt (z.B. tertiärer Bereich - Alle Schirme beidseitig aufgelegt - Erdanbindung an den Anschlussdosen - Ü-Frequenz > 20 MHz - Analoge Systeme - Digitale Systeme mit hohen Übertragungsraten - Analoge und digitale (bis ca. 10 Mbit/s) Systeme - Zentraler Erdungspunkt - Ü-Frequenz < 2 MHz - Einfache Anlagen Erdungsmerkmale Geeignet für: Stammstruktur Maschenstruktur Baummstruktur Konzept Erdungskonzepte sind system- und baumstrukturbezogen zu definieren. Organisatorische Gegebenheiten (z.B. Umnutzung) können Strukturvermischungen zur Folge haben

Wirkung eines Kabelschirms nicht angeschlossen Geringe Wirkung beidseitig angeschlossen Wirkung gegen elektromagnetische Strahlung einseitig geerdet Schutz gegen statische und niederfrequente elektrische Felder Wirkung gegen hochfrequente magnetische Felder (Strom im Schirm kompensiert das Störfeld beidseitig geerdet

Schirmdämpfungen bei verschiedenartigen Schirmführungen Schirmdämpfung  dB Schirm nicht angeschlossen Einseitig, nahes Ende Einseitig, fernes Ende Beidseitiger Schirmanschluss Frequenz  MHz

Schirmdämpfungen bei verschiedenartigen Schirmführungen Schirmdämpfung  dB Cu-Rohr-Abschirmung mit beidseitigem Pigtail-Anschluss an Masse Cu-Rohr-Abschirmung mit beidseitigem Schirmanschluss an Masse Frequenz  MHz

Magnetfelder Feldfreie Zone Kabelkanal besser Energiekabel Datenkabel Kabelkanal im Magnetfeld Datenkabel mit Geflecht Feldfreie Zone

• Kontaktierung niederohmig und flächendeckend (360°) Übergang Kabelschirm Masse Gehäuse Richtig Falsch Gehäuse • Kontaktierung niederohmig und flächendeckend (360°) • „pig tails“ vermeiden

Beeinflussung von Kommunikationssystemen Zu Beeinflussungsproblemen können sich auswirken: - Nichtberücksichtigung von vorhanden und / oder mitbetriebenen Systemen - Nichtberücksichtigung von vorhandenen Erdungen und / oder Erdungs- Baustrukturen - Unklare Ausführungsinformationen Fehlerhafte Planung - Mangelhafte oder fehlende Koordination zwischen Planern und Systembetreibern - Unkoordinierte Produktewahl und Systemkonfiguration Koordinationsprobleme: - Inkonsequente und / oder fehlerhafte Arbeitsausführung - Mangelhafte Ausführungskontrolle - Mangelhafte oder fehlende Abnahmekontrollen Ausführungsmängel: - Unvollständige oder fehlende Ausführungsunterlagen Dokumentationsmängel: