综合布线系统的电磁干扰及防护措施
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作者: 朱 俊
摘要:简要的介绍了综合布线系统的电磁干扰成因、危害及防护措施。
关键词: 综合布线系统;电磁干扰;屏蔽;传输;防护措施
引言
随着信息时代的高速发展,各种高频的通讯设施不断出现,相互之间的电磁辐射和电磁干扰影响也日趋严重;在国外,已把电磁影响看作一种环境污染,成立专门的机构对电子产品进行管理,制定电磁辐射值标准,加以控制。综合布线是一种模块化的、灵活性极高的建筑物内或建筑群之间的信息传输通道。它把语言、数据、图像和控制信号系统统一的 传输媒介集为一体,方便地在智能建筑中组成一套标准、灵活、开放的布线系统。目前已被人们在世界上广泛地采用。通过它可使话音设备、数据设备、交换设备及各种控制设备与信息管理系统连接起来,同时也使这些设备与外部通信网络相连的综合布线。它还包括建筑物外部网络或电信线路的连接点与应用系统设备之间的所有线缆及相关的连接部件。综合布线由不同系列和规格的部件组成,其中包括:传输介质、相关连接硬件(如配线架、连接器、插座、插头、适配器)以及电气保护设备等。这些部件可用来构建各种子系统,它们都有各自的具体用途,不仅易于实施,而且能随需求的变化而平稳升级。
综合布线系统是否采取防护措施的主要根据是防止外来电磁干扰和向外电磁辐射。外来电磁干扰将直接影响综合布线系统的正常运行;向外电磁辐射是综合布线系统的缆线在传送信息时,产生泄漏的原因。为此,在综合布线系统工程设计中,必须根据智能化建筑所在环境的具体情况以及建设单位的要求,进行认真的调查研究,选用相应合适的防护措施。事实上在综合布线系统的周围环境中,不可避免地存在这样或那样的干扰源,如:荧光灯、电梯、变压器、无线电发射设备、开关电源、电磁感应炉、雷达设备和500伏电压以下的电力线路和电力设备等。其中危害最大的莫过于电磁干扰和电磁辐射。电磁干扰是电子系统辐射的寄生电能,这里的电子系统也包括电缆。这种寄生电能可能在附近的其他电缆或系统上影响综合布线系统的正常工作,降低数据传输和可靠性,增加误码率,使图像扭曲变形、控制信号误动作等;电磁辐射则涉及综合布线系统在正常运行情况下信息不被无关人员窃取的安全问题,或者造成电磁污染。电缆即是电缆干扰的主要发生器,也是主要接收器。作为发生器,它向空间辐射电磁噪声场;电缆也能敏感地接受从其它邻近干扰源所发射的相同噪声。为了抑制电缆的电磁干扰必须采取保护措施。
目前国际上对设备发射电磁噪声,及其抵御电磁干扰都有相应的标准,规定了最高辐射容限。我国现行的《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范》GB/T50311-2000,结合国内的情况,参考EN55024信息技术设备的抗干扰国际标准,IEC801-2-4和EN50082-X等相关国际标准中的有关部分,制定了适合我国国情的抗电磁干扰的标准。通过大量的实际运行和实验,证明电磁干扰对布线系统的危害和对其防护的重要性。
对电磁干扰的防护,应该从以下三个方面给予重视和加强。
一、加强综合布线系统内在的结构及材料的抗干扰性
欧洲98/336/EEC条例中要求设备不能发射电磁噪声影响其他设备的正常工作;设备必须能够抵御电磁干扰,保证其正常功能不被破坏。这对可能产生电磁干扰的产品极可能受电磁干扰影响的产品都提出了相应标准;使有关产品的制造应按照有关的标准检测。
在计算机设备、通讯、电子等设备的产品外形结构上应该采用金属材料制成的箱、盒、柜、架,使其成为法位第茏形式,加上接地端子、做好良好的接地。这在某种程度上是设备加强了抗干扰和防辐射的能力。
在综合布线系统缆线材料及性能的选择上应根据用户要求,并结合建筑物的周围环境状况进行考虑,一般宜以抗干扰能力和传输性能为主,经济因素次之。目前常用的各种电缆线和配线设备的抗干扰能力为参考如下:
UTP电缆(无屏蔽层)40dB
FTP电缆(纵包铝箔)85dB
SFT电缆(纵包铝箔,加铜编织网)90 dB
STP电缆(第对芯线和电缆线包铝箔、加铜编织网)98 dB
配线设备插入后恶化≤30 dB
在国际上对综合布线系统是否采用屏蔽系统有不同意见,以五类对绞线对称电缆为例,欧洲大多数生产厂家以屏蔽系统(STP等)为主;而以北美为代表的其它国家则采用非屏蔽系统(UTP)。最近几年来,在综合布线系统工程中采用屏蔽性能的缆线和部件,逐渐有所增多,其主要有以下三个原因:
1.通信网络的传输速率迅速提高。由于工作频率的提高,导致容易产生向外电磁辐射和受到外界电磁干扰;
2.电磁干扰源日渐增多,因而客观环境使通信网络传输条件迅速恶劣。根据综合布线系统的信息传输要求,在智能化建筑内部及其周围,如有电磁干扰源,尤其是移动通信系统,产生的电磁干扰极为严重,在这种情况下必须采取防护措施;
3.网络安全可靠性要求日趋提高。由于工作频率的提高、电磁干扰源的增多,容易产生电磁辐射或电磁干扰。一方面因电磁辐射有可能使信息失密,不能保证信息网络安全运行;另一方面由于对外电磁辐射,直接影响和干扰其它系统的正常工作。
在欧洲的法国和德国十分推崇应用带屏蔽的双绞线,其市场占有率超过50%。而非屏蔽双绞线完全能支持市场上的高速网络应用,屏蔽线比非屏蔽线价格及安装成本均较高,线缆柔软性较差,对已经使用了金属走线管的工程,无必要选用屏蔽布线系统,但对干扰较大的场合,则应使用带屏蔽的双绞线。在综合布线系统的链路中通常采用双绞线缆线,双绞线具有吸收和发射电磁场的能力。测试显示,如果双绞线的绞距同电磁波的波长相比很小,我们可以认为电磁场在第一个绞节内产生的电流与二个绞节内产生的电流相同,这样,电磁场对双绞线中产生的影响可以抵消;而另一方面,电缆中的电流产生的电磁场,按照电磁感应的原理,我们可以确定电磁场的方向。第一个绞节内的电缆产生的电磁场与第二个绞节内产生的电磁场大小相等、方向相反、相加为零。但是,这种情况只有在理想的平衡电缆中才能发生。实际上理想的平衡电缆是不存在的,首先,弯曲会造成绞节的松散。另一方面,电缆附近的任何金属物体都会形成与双绞线的电容耦合,使相邻绞节内的电磁场方向不再完全相反。如果上述情况发生、电缆就会发射电磁波。
因此,当周围环境的干扰强度或综合布线系统的噪声电频高于《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范》中GB/T50311-2000,中规定,干扰源信号或计算机网络信号频率大于或等于30MHZ时,应根据其超过标准的量级大小、分别选用FTP、 SFT、 STP等不同的屏蔽缆线系统和屏蔽配线设备。由于缆线的屏蔽层通常用一定的厚度的金属铝箔包裹制成。它具有以下三发面的因素:
1.反射损耗:首先,一部分电磁干扰被屏蔽层的外层反射;一部分射入屏蔽层的电磁干扰被屏蔽的内层反射。
2.吸收损耗:另一部分射入屏蔽层的电磁干扰由于传播损耗而被吸收。
3.趋肤效应:最后一部分电磁干扰会由于趋肤效应沿屏蔽层的外层传导。
因此,对电缆和配线设备采用屏蔽系统,可以增强抗干扰、防辐射的能力。
对屏蔽系统而言,单单有了一层金属屏蔽层是不够的,更重要的还要有正确、良好的接地系统。并且每一个部位的配线柜都应采用适当截面的导线单独布线至接地体;接地电阻值;单独设置接地体时,不应大于4欧姆;采用联合接地体时,不应大于1欧姆;综合布线系统的所有屏蔽应保持连续性,且宜两端接地,若存在两个接地体,其接地电位差不应大于1vr.m.s(有效值)。
二、屏蔽抗电磁干扰
屏蔽布线系统通过在普通非屏蔽布线系统的外面加上金属屏蔽层,利用金属屏蔽层的反射、吸收及趋肤效应实现防止电磁干扰及电磁辐射的功能,屏蔽系统综合利用了双绞线的平衡原理及屏蔽层的屏蔽作用,因而具有非常好的电磁兼容(EMC)特性。
EMC包括两个方面的要求:一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值;另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性。 国际电工委员会标准IEC对电磁兼容的定义是:系统或设备在所处的电磁环境中能正常工作,同时不对其他系统和设备造成干扰。
各种运行的电力设备之间以电磁传导、电磁感应和电磁辐射三种方式彼此关联并相互影响,在一定的条件下会对运行的设备和人员造成干扰、影响和危害。电磁兼容EMC对产生的干扰水平、抗干扰水平和抑制措施做出明确的规定,使处于同一电磁环境的设备都是兼容的,同时又不向该环境中的任何实体引入不能允许的电磁扰动。EMC包括EMI(电磁干扰)及EMS(电磁耐受性)两部份。
屏蔽电缆的屏蔽原理不同于双绞线的平衡抵消原理,屏蔽电缆是在四对双绞线的外面加多一层或两层铝箔,利用金属对电磁波的反射、吸收和趋肤效应原理(所谓趋肤效应是指电流在导体截面的分布随频率的升高而趋于导体表面分布,频率越高,趋肤深度越小,即频率越高,电磁波的穿透能力越弱),有效的防止外部电磁干扰进入电缆,同时也阻止内部信号辐射出去,干扰其它设备的工作。 实验表明,频率超过5MHz的电磁波只能透过38μm厚的铝箔。如果让屏蔽层的厚度超过38μm,就使能够透过屏蔽层进入电缆内部的电磁干扰的频率主要在5MHz以下。而对于5MHz以下的低频干扰可应用双绞线的平衡原理有效的抵消。
不同的屏蔽电缆会产生不同的屏蔽效果。屏蔽电缆抵抗外界干扰主要体现在:信号传输的完整性可以通过屏蔽系统得到一定的保证。屏蔽布线系统可以防止传输数据受到外界电磁干扰和射频干扰的影响。电磁干扰(EMI)主要是低频干扰,马达、荧光灯以及电源线是通常的电磁干扰源。射频干扰(RFI)是高频干扰,主要是无线频率干扰,包括无线电、电视转播、雷达及其他无线通信。对于抵抗电磁干扰,选择编织层屏蔽最为有效,也就是金属网屏蔽,因其具有较低的临界电阻。而对于射频干扰,金属箔层屏蔽最有效,因为金属网屏蔽所产生的缝隙可使得高频信号自由地进出。对于高低频混合的干扰场,则要采用金属箔层加金属网的双重绝缘组合屏蔽方式,也就是(SF/UTP、S/FTP、SS/UTP)形式的双层屏蔽电缆,这样可使得金属网屏蔽适用于低频范围的干扰,金属箔屏蔽适用于高频范围的干扰。可以同时抵御线对之间和来自外部的电磁辐射干扰,减少线对之间及线对对外部的电磁辐射干扰。
对于综合布线的传输品质而言,屏蔽综合布线能够提供更高的性能。
比较综合布线的性能,首先要从数据传输品质说起。衡量数据传输品质的基本参数是误码率,根据实验室对于非屏蔽综合布线与屏蔽综合布线的误码率的对比测试,屏蔽接地以后,即使是单端接地,误码率也要比非屏蔽低2个数量级,传输品质就大大高于非屏蔽线缆。
从而,可以看到屏蔽系统比非屏蔽系统在抵抗噪音方面有着先天的优势。随着技术的发展,噪音的抑制在数据的传输过程中越来越重要,尤其是对于最新的超6类(Cat.6A)10G铜缆传输标准而言,除了标准中有提出的关于外部线缆与线缆间的干扰之外,在实际的场合中,还会受到各种强电及无线电对于线缆的干扰,此时屏蔽线缆的传输性能及传输速率与非屏蔽线缆相比将会表现的尤为出色及明显;同时,对于最新的超6类(Cat.6A)10G铜缆传输标准,施工也会变得愈加重要,非屏蔽线缆微小的结点都会造成线对间绞距的破坏,从而影响整个系统的性能;屏蔽线缆由于屏蔽层的存在,反而可以忽视掉这些微小的损耗,提高施工的效率。
相对于屏蔽电缆而言,非屏蔽电缆的平衡特性并不只取决于部件本身的质量(如绞对),而会受到周围环境的影响。因为U/UTP(非屏蔽)周围的金属、隐蔽的“地”、施工中的牵拉、弯曲等等情况都会破坏其平衡特性,从而降低EMC性能。
综合布线区域内存在的电磁干扰场强高于3V/m时,宜采用屏蔽布线系统进行防护。
用户对电磁兼容性有较高的要求时,或网络安全保密的需要,宜采用屏蔽布线系统。
采用非屏蔽布线系统无法满足安装现场条件对缆线的间距要求时,宜采用屏蔽布线系统。
有严重电磁干扰环境的用户,如工厂、广播站、电台、机场以及地铁等。
出于安全考虑,严格要求保密的单位,如国防、政府、财政金融系统、大学、研究所。
三、注意设备、传输线路离不同干扰源间距的影响
综合布线系统除采用屏蔽做好接地,以提高自身的抗干扰,防辐射力外,还需尽可能地远离烦扰元,以减少其对系统正常运行的影响、提高设备、系统的可靠性;是综合布线系统在智能建筑中真正成为标准、灵活无误的布线系统。实验表明:
1.采用UTP网络,用对讲机传输缆线加以干扰,据缆线0.5米开关对讲机,1分钟的文件要用1分45秒才完成,且屏蔽出现扭曲,但结果正常。采用FTP网络,做同样试验,缆线不受干扰,1分钟文件完成传输,无干扰。当采用UTP缆线,对讲机离开2米以外使用,无干扰。
2.采用UTP缆线与电力线平行,离开0.2米时误码率要下的多,当离开1米以上时误码率就极少了。
从上面的实验结果可以看出,传输缆线距干扰源不同的距离,其传输信号的失真度亦将不同。因此,在施工安装中要重视布线系统与不同干扰源间距的影响,严格按照规范设计、施工,做好电气性能测试、存档,加强质量意识。
综合布线系统中除要抗电磁干扰外,还防电磁辐射。因此,在综合布线系统工程的具体设计、施工时,应根据工程实际情况和建设单位的要求,只要提出上述中任何一种要求,都应认真研究,在设计中是否采用防护措施是极为重要的内容。
参考文献:
《综合布线系统工程设计》刘国林 编著 电子工业出版社
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