Назначение экранирования кабелей и используемые для этого материалы
Подписка на рассылку
В конструкции кабелей для сетей энергораспределения используются различные типы экранирования. Экраны используются для того, чтобы защитить цепи от влияния электромагнитных полей токов, которые проходят по кабелю. Кроме того, они применяются для обеспечения симметрии электрического поля внутри жил самого кабеля. В качестве стандартного материала для экранирования используется медная фольга. Однако для придания изделиям лучших экранирующих свойств используются и другие материалы, которые лучше подходят для целей экранирования.
Электромагнитные помехи и способы борьбы с ними.
Кабели могут выступать как источником, так и приемником электромагнитного излучения. В качестве источника, проводка передает электромагнитные шумы на различное оборудование, непосредственно подсоединенное к ней, или находящееся в непосредственной близости. Кроме того, кабели могут выступать своеобразной антенной, излучающей помехи в окружающее пространство. В качестве приемника электромагнитных помех кабель может улавливать излучение, испускаемое другими кабелями или приборами, находящимися поблизости.
Все электромагнитные шумы принято классифицировать следующим образом:
Назначение экранов кабелей заключается в том, чтобы оградить проводку и приборы от этих шумов. В зависимости от силы электромагнитного излучения используются те или иные виды экранирования кабелей.
Используемые материалы экранов кабелей.
Для того чтобы подавить электромагнитные шумы различной интенсивности используются различные типы материалов. Также выбор материала для экранирования зависит и от типа изоляции, применяемой в кабеле. Для экранирования применяют следующие материалы экранов кабелей:
В зависимости от типа изоляции и типа используемого материала, экран может устанавливаться в различных местах. Он может быть наложен поверх поясной изоляции или поверх изоляции жил. Причина, по которой материалы для экранирования и изоляции имеют взаимозависимость, заключается в том, что они должны обладать близкими по своему значению температурными коэффициентами, чтобы свести к минимуму вероятность образования пустот между изоляцией и экранированием при нагреве кабеля.
Варианты наложения материала для экранирования.
Кроме непосредственно самого типа материала имеет значение и тот метод, каким он был уложен. Наиболее распространены следующие виды экранирования:
1. Оплетка (Рис. 2) обеспечивает высокую гибкость кабеля и отлично препятствует низкочастотным помехам.
2. Пленка. Как правило, пленочные экраны изготавливаются из медной или алюминиевой фольги. Такой тип покрытия отличается своей дешевизной и малым весом. Пленочное экранирование хорошо справляется с высокочастотными помехами.
3. Экран типа French Braid. Состоит из 2х встречных многожильных спиралей, состоящих из медных жил.
Сервис анализа защищенности предназначен для выявления уязвимых мест с целью их оперативной ликвидации. Сам по себе этот сервис ни от чего не защищает, но помогает обнаружить (и устранить) пробелы в защите раньше, чем их сможет использовать злоумышленник. В первую очередь, имеются в виду не архитектурные (их ликвидировать сложно), а «оперативные» бреши, появившиеся в результате ошибок администрирования или из-за невнимания к обновлению версий программного обеспечения.
Системы анализа защищенности (называемые также сканерами защищенности), как и рассмотренные выше средства активного аудита, основаны на накоплении и использовании знаний. В данном случае имеются в виду знания о пробелах в защите: о том, как их искать, насколько они серьезны и как их устранять.
Соответственно, ядром таких систем является база уязвимых мест, которая определяет доступный диапазон возможностей и требует практически постоянной актуализации.
В принципе, могут выявляться бреши самой разной природы: наличие вредоносного ПО (в частности, вирусов), слабые пароли пользователей, неудачно сконфигурированные операционные системы, небезопасные сетевые сервисы, неустановленные заплаты, уязвимости в приложениях и т.д. Однако наиболее эффективными являются сетевые сканеры (очевидно, в силу доминирования семейства протоколов TCP/IP), а также антивирусные средства. Антивирусную защиту мы причисляем к средствам анализа защищенности, не считая ее отдельным сервисом безопасности.
Сканеры могут выявлять уязвимые места как путем пассивного анализа, то есть изучения конфигурационных файлов, задействованных портов и т.п., так и путем имитации действий атакующего. Некоторые найденные уязвимые места могут устраняться автоматически (например, лечение зараженных файлов), о других сообщается администратору.
Системы анализа защищенности снабжены традиционным «технологическим сахаром»: автообнаружением компонентов анализируемой ИС и графическим интерфейсом (помогающим, в частности, эффективно работать с протоколом сканирования).
С возможностями свободно распространяемого сканера Nessus можно ознакомиться, прочитав статью «Сканер защищенности Nessus: уникальное предложение на российском рынке» (Jet Info,).
Контроль, обеспечиваемый системами анализа защищенности, носит реактивный, запаздывающий характер, он не защищает от новых атак, однако следует помнить, что оборона должна быть эшелонированной, и в качестве одного из рубежей контроль защищенности вполне адекватен. Отметим также, что подавляющее большинство атак носит рутинный характер; они возможны только потому, что известные бреши в защите годами остаются неустраненными.
Виды экранирования. Принципы действия экранов.
Под экранированием в общем случае понимается как защита приборов от воздействия внешних полей, так и локализация излучения каких-либо средств, препятствующая проявлению этих излучений в окружающей среде.
Электромагнитными экранами называют конструкции, предназначенные для ослабления электромагнитных полей, создаваемых какими-либо источниками в некоторой области пространства, не содержащей этих источников.
Если экран обеспечивает требуемое ослабление электростатического (или квазиэлектростатического) поля, но практически не ослабляет магнитостатического (или квазимагнитостатического) поля, то его называют электростатическим.
Если экран должен существенно ослаблять магнитостатическое (или квазимагнитостатическое) поле, то его называют магнитостатическим.
Если же экран должен ослаблять переменное электромагнитное поле, то экран называется электромагнитным.
Принципы действия всех видов экранов приведены в таблице.
Виды экранирования
Количественная оценка эффективности экрана.
Параметры, используемые для количественной оценки качества экранов и защитных корпусов
Коэффициент экранирования равный отношению напряженностей поля в сечении на половине толщины экрана (Еэ или Нэ ) напряженностямв том же месте, но без экрана(Е0 или Н0) Кэ= Еэ/ Е0= = Нэ/ Н0
Экранное затухание, равное Аэ[дБ]=20 lg(1/Кэ)
Коэффициент реакции экрана Rр, равный относительно-му коэффициен-ту отражения волны поля помехи от экрана, Rр = R(Е0; Н0)
в
Полную эффективность экрана Sэ удобно оценивать в децибелах как сумму относительного ослабления поля помехи полным действием экрана, т. е. за счет потерь на поглощение по всей толщине поверхности экрана Aэ погл и относительных потерь на отражение от наружной поверхности экрана Aэ отр:Sэ =Aэ погл+Aэ отр
Только в простейших случаях эффективность экрана определяется однозначно. К таким случаям относятся:
—экранирование полупространства от плоской электромагнитной волны бесконечным плоским однородным экраном;
—экранирование однородным шаровым экраном точечного источника, расположенного в его центре;
—экранирование однородным бесконечно протяженным цилиндрическим экраном линейного источника, лежащего на его оси.
В теории электромагнитного экранирования рассматриваются в первую очередь именно такие случаи, а реальные случаи сводятся к ним путем большей или меньшей идеализации. Естественно, что при этом в соответствующей степени страдает точность оценки.
В особо сложных случаях приходится прибегать к ряду условностей, например, определять ее для области защищаемого пространства, лежащей на достаточно большом расстоянии от экрана, для худшей точки этой области, для худшего из возможных расположений источника поля. В таких случаях точность оценки еще более снижается и можно с уверенностью судить на основании расчетов лишь о порядке наименьшей возможной эффективности.
Ослабление электромагнитной волны экраном
Толщина экрана, необходимая для обеспечения заданного значения его эффективности, легко определяется из зависимости глубины проникновения от частоты для различных материалов, часто используемых при изготовлении экранов, приведены на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость глубины проникновения электромагнитного поля для различных материалов.
Рис. 2. Зависимость эффективности экранирования двухслойного медно-стального цилиндрического экрана: 1—результирующая, 2 — за счет поглощения, 3 — за счет отражения
Рисунок 2 иллюстрирует расчетную зависимость эффективности экранирования электромагнитного поля на частоте 55 кГц двухслойным медно-стальным цилиндрическим экраном (радиус 17,5 мм, общая толщина слоев 0,4 мм) от изменения толщины каждого слоя.
Экранирование радиоэлектронной аппаратуры как метод обеспечения электромагнитной совместимости
Финансовые и временные затраты на экранирование РЭА возрастают экспоненциально с увеличением размеров устройства и приближением момента сдачи изделия. При этом цена просчета, совершенного в начале проектирования, на этапе сдачи изделия может сравняться с его стоимостью. В качестве практического примера возьмем изделие, представляющее собой набор оборудования, установленного в морской контейнер. В целом к изделию предъявляются жесткие военные требования по излучаемым помехам в широком частотном диапазоне. Однако данные требования не были учтены в ходе проектирования контейнера. В результате в конструкции не создан надежный контакт по периметру дверей, не установлены фильтры ввода питания, оценочный коэффициент экранирования вентиляционной решетки недостаточен для обеспечения заданного в ГОСТе коэффициента экранирования. По предварительной оценке, переделка контейнера, с учетом сроков сдачи изделия в эксплуатацию, превышает стоимость самого контейнера. Именно поэтому необходимо тщательно планировать помеховую обстановку изделия, применяя экраны, фильтры и поглощающие материалы.
Рассмотрим взаимодействие электромагнитной волны с экраном (рис. 1) и определение коэффициента экранирования. В общем случае коэффициент экранирования Кэ — это отношение интенсивности электромагнитного поля, измеренной до установки непрерывного бесконечного экрана и после его установки. Формулы для расчета взаимодействия при измерении напряженности поля в различных величинах:
Рис. 1. Взаимодействие электромагнитной волны с экраном
От каждой границы раздела сред совершается отражение электромагнитной волны, а в толще материала происходит поглощение. На высоких частотах коэффициент экранирования определяется в основном коэффициентом отражения Е5, который для электромагнитного поля близок к 100% и растет с повышением частоты и проводимости материала. Коэффициент отражения связан с генерацией в тонком приповерхностном слое токов той же частоты, что и воздействующее поле и, следовательно, с генерацией поля противоположной направленности. Поглощение Е3 связано со скин-эффектом — протеканием токов высокой частоты в тонком приповерхностном слое проводника. Толщина скин-слоя убывает с ростом частоты и проводимости и увеличивается с повышением магнитной проницаемости. Например, для 50 Гц — 1 см; для 5 кГц — 0,1 см; для 0,5 МГц — 10 мкм; для 2,4 ГГц — 1,67 мкм. Таким образом, для эффективного экранирования высокочастотных полей достаточно иметь тонкий экран из материала с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью.
Напротив, для экранирования постоянных магнитных полей и низкочастотных электромагнитных полей, где преобладает магнитная составляющая, необходимы материалы с высокой магнитной проницаемостью. Чем выше магнитная проницаемость материала, тем выше коэффициент экранирования.
Рис. 2. Расчетные значения потерь на отражение и поглощение
Таблица. Примеры металлов и сплавов
Экранирование постоянного магнитного поля
Экранирование высокочастотного электромагнитного поля
Вероятно, не существует другой такой отрасли, которая так высоко ценила бы надежную работу кабелей, как теле- и радио- вещание. Ведь любые ошибки, возникающие в сигнале, немедленно исказят передаваемую информацию. Индустрия теле- и радио- вещания сталкивается с проблемой помех начиная со студий и заканчивая передающими устройствами. Поэтому не удивительно, что с момента начала вещания первой радиостанции инженеры находятся в постоянном поиске лучшего способа экранирования, способного обеспечить целостность сигнала, отсутствие потерь качества передаваемой информации.
Термин «электромагнитные помехи» начал использоваться с начала 1960-х для обозначения помех, влияющих на весь электромагнитный спектр. До того времени проблемы с помехами возникали в основном при передаче радиосигналов, а, следовательно, назывались радиочастотными помехами. Сегодня все помехи в неионизирующей части электромагнитного спектра относятся к электромагнитным. По этой причине такие различные проблемы, как помехи от контуров заземления, общих путей сопротивления, прямого влияния магнитных/электрический полей, статических зарядов, излучение источников питания или силовых линий – все это попадает под широкий термин электромагнитных помех.
Однако существует другой тип шумов, связанный с движением компонентов кабеля – это трибоэлектрические шумы. Их причиной служат статический или пьезоэлектрический эффекты. С такими шумами сталкиваются при использовании проводов, часто подверженных сгибанию или ударам (гитарные, микрофонные кабели). К счастью, со многими шумами можно побороться при помощи хорошей экранировки. Давайте детально рассмотрим принципы работы экранирования и его различные типы, встречающиеся на рынке.
Экран кабеля располагается между сердечником и внешней оболочкой. В случае, если кабель многожильный, экран может обвивать все жилы одновременно или, в случае, если необходимо избежать влияния сигналов одной жилы на другую, каждую жилу отдельно. Существует множество различных вариантов экранировки, каждый тип имеет свои преимущества и недостатки, которые необходимо учитывать для выбора наиболее подходящего и экономичного варианта. На рынке имеются следующие варианты экранов:
Оплетка. Оплетка сохраняет хорошую гибкость кабеля и имеет большой срок службы. Она отлично препятствует влиянию низкочастотных помех и имеет меньшее сопротивление, чем фольга, для постоянного тока. Данный тип экрана подходит для аудио кабелей и кабелей, передающих информацию в радиочастотном диапазоне. Чем больше процент перекрытия, тем эффективнее экранировка.
Пленка. Пленочные экраны состоят из алюминиевой фольги, покрытой слоем полипропилена или полиэфира. Они полностью покрывают проводник, дешевле, легче и тоньше. Благодаря малой толщине фольгу удобно использовать для экранирования отдельных компонентов кабеля. При помощи клея ее легко соединить с внешней оболочкой или слоем диэлектрика. Пленочный экран лучше борется с помехами на высоких частотах, но при частых изгибах имеет короткий срок службы. Для того, чтобы в конструкции экрана из фольги отсутствовал шов, через который может проходить электромагнитное поле, вызывающее помехи, один из краев фольги складывается, обеспечивая замыкающий слой.
Комбинированный экран из оплетки и пленки. Комбинированный экран, состоящий из нескольких защитных слоев, позволяет эффективно бороться с помехами во всем частотном диапазоне. Сочетание фольги и оплетки позволяет обеспечить стопроцентное покрытие кабеля экраном и высокую гибкость, прочность и низкое сопротивление постоянному току.
Экран типа French Braid. Он состоит из двух встречных многожильных спиралей, жилы которых изготовлены из медной проволоки без покрытия или покрытой оловом, с чередующимся перехлёстом вдоль единственной смещенной оси. Данная конструкция позволила увеличить гибкость и прочность кабеля, в два раза уменьшить уровень трибоэлектрических и микрофонных шумов. Снизилось также и сопротивление постоянному току.
Методы тестирования. Данные тестов позволят наилучшим образом подобрать оптимальный по конструкции и цене кабель. Для начала необходимо ответить на простые вопросы:
Ниже приведены несколько тестов, а также их цели, методология и значение результатов.
Тест на полное передаточное сопротивление. Этот тест наиболее широко признан и позволяет получить абсолютный показатель эффективности экрана в борьбе с помехами от статических зарядов и излучения на частотах до 1000 МГц. Этот метод рекомендован международной электротехнической комиссией и военными. Значение передаточного сопротивления зависит от конструкции экрана кабеля и чем оно ниже, тем экран эффективнее. Значение полного передаточного сопротивления рассчитывается на основе отношения сигнала в коаксиальном кабеле к сигналу, улавливаемому детектором во внешней среде. Экран разделяет внешнюю среду и среду внутри кабеля.
Поглощающий зажим. Этот компактный прибор эффективно улавливает сигналы, излучаемые кабелем, без разрушения провода. Результаты сравниваются с уровнем излучения аналогичного кабеля той же длины, но без экрана. Затем по разности этих двух значений устанавливается эффективность экранирования.
GTEM ячейка. Этот прибор действует в поперечной составляющей гигагерцовых электромагнитных волн (Gigahertz Transverse Electromagnetic Mode). Кусок кабеля, разъем или электронное устройство помещаются внутрь камеры ячейки, после чего они могут быть либо подвергнуты влиянию поля известной величины, либо ячейка может выступать в качестве детектора, улавливающего излучаемые сигналы. Частотный диапазон данного метода составляет до 1 ГГц.
Flex Test. Эффективность экранирования в процессе эксплуатации также важна. А значит в тех ситуациях, когда кабель подвергается значительным механическим воздействиям, имеет смысл сравнить эффективность экранирования до и после нагрузок, таких как скручивание или изгиб. По этим данным можно дать информацию об остаточном ресурсе экрана кабеля.
Технологии, применяемые при производстве кабелей, становятся все более сложными. Спрос на современную кабельную продукцию и новейшие методы тестирования продолжает расти. Поэтому сейчас так важно разрабатывать системы, позволяющие с самого начала оценивать влияние тех или иных помех на передаваемый сигнал для того, чтобы можно было находить наиболее оптимальные варианты конструкции кабелей.
Вероятно, не существует другой такой отрасли, которая так высоко ценила бы надежную работу кабелей, как теле- и радио- вещание. Ведь любые ошибки, возникающие в сигнале, немедленно исказят передаваемую информацию. Индустрия теле- и радио- вещания сталкивается с проблемой помех начиная со студий и заканчивая передающими устройствами. Поэтому не удивительно, что с момента начала вещания первой радиостанции инженеры находятся в постоянном поиске лучшего способа экранирования, способного обеспечить целостность сигнала, отсутствие потерь качества передаваемой информации.
Термин «электромагнитные помехи» начал использоваться с начала 1960-х для обозначения помех, влияющих на весь электромагнитный спектр. До того времени проблемы с помехами возникали в основном при передаче радиосигналов, а, следовательно, назывались радиочастотными помехами. Сегодня все помехи в неионизирующей части электромагнитного спектра относятся к электромагнитным. По этой причине такие различные проблемы, как помехи от контуров заземления, общих путей сопротивления, прямого влияния магнитных/электрический полей, статических зарядов, излучение источников питания или силовых линий – все это попадает под широкий термин электромагнитных помех.
Однако существует другой тип шумов, связанный с движением компонентов кабеля – это трибоэлектрические шумы. Их причиной служат статический или пьезоэлектрический эффекты. С такими шумами сталкиваются при использовании проводов, часто подверженных сгибанию или ударам (гитарные, микрофонные кабели). К счастью, со многими шумами можно побороться при помощи хорошей экранировки. Давайте детально рассмотрим принципы работы экранирования и его различные типы, встречающиеся на рынке.
Экран кабеля располагается между сердечником и внешней оболочкой. В случае, если кабель многожильный, экран может обвивать все жилы одновременно или, в случае, если необходимо избежать влияния сигналов одной жилы на другую, каждую жилу отдельно. Существует множество различных вариантов экранировки, каждый тип имеет свои преимущества и недостатки, которые необходимо учитывать для выбора наиболее подходящего и экономичного варианта. На рынке имеются следующие варианты экранов:
Оплетка. Оплетка сохраняет хорошую гибкость кабеля и имеет большой срок службы. Она отлично препятствует влиянию низкочастотных помех и имеет меньшее сопротивление, чем фольга, для постоянного тока. Данный тип экрана подходит для аудио кабелей и кабелей, передающих информацию в радиочастотном диапазоне. Чем больше процент перекрытия, тем эффективнее экранировка.
Пленка. Пленочные экраны состоят из алюминиевой фольги, покрытой слоем полипропилена или полиэфира. Они полностью покрывают проводник, дешевле, легче и тоньше. Благодаря малой толщине фольгу удобно использовать для экранирования отдельных компонентов кабеля. При помощи клея ее легко соединить с внешней оболочкой или слоем диэлектрика. Пленочный экран лучше борется с помехами на высоких частотах, но при частых изгибах имеет короткий срок службы. Для того, чтобы в конструкции экрана из фольги отсутствовал шов, через который может проходить электромагнитное поле, вызывающее помехи, один из краев фольги складывается, обеспечивая замыкающий слой.
Комбинированный экран из оплетки и пленки. Комбинированный экран, состоящий из нескольких защитных слоев, позволяет эффективно бороться с помехами во всем частотном диапазоне. Сочетание фольги и оплетки позволяет обеспечить стопроцентное покрытие кабеля экраном и высокую гибкость, прочность и низкое сопротивление постоянному току.
Экран типа French Braid. Он состоит из двух встречных многожильных спиралей, жилы которых изготовлены из медной проволоки без покрытия или покрытой оловом, с чередующимся перехлёстом вдоль единственной смещенной оси. Данная конструкция позволила увеличить гибкость и прочность кабеля, в два раза уменьшить уровень трибоэлектрических и микрофонных шумов. Снизилось также и сопротивление постоянному току.
Методы тестирования. Данные тестов позволят наилучшим образом подобрать оптимальный по конструкции и цене кабель. Для начала необходимо ответить на простые вопросы:
Ниже приведены несколько тестов, а также их цели, методология и значение результатов.
Тест на полное передаточное сопротивление. Этот тест наиболее широко признан и позволяет получить абсолютный показатель эффективности экрана в борьбе с помехами от статических зарядов и излучения на частотах до 1000 МГц. Этот метод рекомендован международной электротехнической комиссией и военными. Значение передаточного сопротивления зависит от конструкции экрана кабеля и чем оно ниже, тем экран эффективнее. Значение полного передаточного сопротивления рассчитывается на основе отношения сигнала в коаксиальном кабеле к сигналу, улавливаемому детектором во внешней среде. Экран разделяет внешнюю среду и среду внутри кабеля.
Поглощающий зажим. Этот компактный прибор эффективно улавливает сигналы, излучаемые кабелем, без разрушения провода. Результаты сравниваются с уровнем излучения аналогичного кабеля той же длины, но без экрана. Затем по разности этих двух значений устанавливается эффективность экранирования.
GTEM ячейка. Этот прибор действует в поперечной составляющей гигагерцовых электромагнитных волн (Gigahertz Transverse Electromagnetic Mode). Кусок кабеля, разъем или электронное устройство помещаются внутрь камеры ячейки, после чего они могут быть либо подвергнуты влиянию поля известной величины, либо ячейка может выступать в качестве детектора, улавливающего излучаемые сигналы. Частотный диапазон данного метода составляет до 1 ГГц.
Flex Test. Эффективность экранирования в процессе эксплуатации также важна. А значит в тех ситуациях, когда кабель подвергается значительным механическим воздействиям, имеет смысл сравнить эффективность экранирования до и после нагрузок, таких как скручивание или изгиб. По этим данным можно дать информацию об остаточном ресурсе экрана кабеля.
Технологии, применяемые при производстве кабелей, становятся все более сложными. Спрос на современную кабельную продукцию и новейшие методы тестирования продолжает расти. Поэтому сейчас так важно разрабатывать системы, позволяющие с самого начала оценивать влияние тех или иных помех на передаваемый сигнал для того, чтобы можно было находить наиболее оптимальные варианты конструкции кабелей.
В конструкции кабелей для сетей энергораспределения используются различные типы экранирования. Экраны используются для того, чтобы защитить цепи от влияния электромагнитных полей токов, которые проходят по кабелю. Кроме того, они применяются для обеспечения симметрии электрического поля внутри жил самого кабеля. В качестве стандартного материала для экранирования используется медная фольга. Однако для придания изделиям лучших экранирующих свойств используются и другие материалы, которые лучше подходят для целей экранирования.
1. Оплетка (Рис. 2) обеспечивает высокую гибкость кабеля и отлично препятствует низкочастотным помехам.
Количественная оценка эффективности экрана.
Экран кабеля располагается между сердечником и внешней оболочкой. В случае, если кабель многожильный, экран может обвивать все жилы одновременно или, в случае, если необходимо избежать влияния сигналов одной жилы на другую, каждую жилу отдельно. Существует множество различных вариантов экранировки, каждый тип имеет свои преимущества и недостатки, которые необходимо учитывать для выбора наиболее подходящего и экономичного варианта. На рынке имеются следующие варианты экранов:
