Кабели экранированные с 1 парой

Кабели экранированные с 1 парой: конструкция, стандарты и применение

Кабели экранированные с одной витой парой представляют собой специализированный класс кабельной продукции, предназначенный для передачи слаботочных сигналов в условиях воздействия интенсивных электромагнитных помех. Их основное функциональное назначение – обеспечение целостности и достоверности аналоговых или цифровых данных в промышленных сетях, системах автоматизации, связи и телеметрии. Конструкция таких кабелей принципиально отличается от силовых и многопарных кабелей, фокусируясь на защите единственной дифференциальной пары проводников.

Конструктивные элементы и материалы

Конструкция экранированного кабеля с одной парой является многослойной, где каждый слой выполняет строго определенную функцию.

1. Токопроводящая жила

Изготавливается из медной проволоки. В зависимости от требований к гибкости, применяются различные классы:

    • Класс 1 (монолитная) – твердая проволока для стационарной прокладки.
    • Класс 2 (перевитая) – несколько проволок, скрученных вместе.
    • Классы 5 и 6 (гибкие и особо гибкие) – многопроволочные жилы для подвижного подключения.

    Сечение жил стандартизировано и выбирается исходя из длины линии и сопротивления нагрузки: 0.22; 0.34; 0.5; 0.75; 1.0; 1.5 мм².

    2. Изоляция жилы

    Наносится на каждую жилу индивидуально для обеспечения электрической прочности и сохранения геометрии пары. Материалы:

    • Поливинилхлорид (ПВХ): для общих условий.
    • Полиэтилен (PE): для стойкости к влаге и ультрафиолету (наружная прокладка).
    • Вспененный полиэтилен (Foamed PE): для снижения диэлектрической проницаемости, улучшения частотных характеристик.
    • Полипропилен (PP), Термопластичный эластомер (TPE): для специальных требований по гибкости, температуре, нераспространению горения.

    3. Витая пара

    Две изолированные жилы скручиваются с определенным шагом. Этот шаг является ключевым параметром, снижающим влияние внешних наводок и перекрестных помех между жилами пары. Качество скрутки напрямую влияет на симметрию линии и эффективность работы дифференциальной системы передачи.

    4. Экранирование

    Экран – критически важный элемент, обеспечивающий защиту от электромагнитных помех. Типы экранирования:

    • Фольгированный экран (Foil, AL): алюминиевая или полиэстеровая фольга с дренажной проволокой. Обеспечивает 100% покрытие по длине, эффективно против высокочастотных помех.
    • Оплеточный экран (Braid): сетка из луженых медных проволок. Обеспечивает низкое сопротивление постоянному току и механическую защиту, эффективен на низких и средних частотах. Степень покрытия обычно 60-85%.
    • Комбинированные экраны (SF/UTP, S/FTP): сочетание оплетки и фольги. Например, фольга на каждую пару + общая оплетка. Обеспечивает максимальную защиту в тяжелых электромагнитных условиях.

    Обозначения: U – неэкранированная пара, F – фольга, S – оплетка. Кабель с 1 экранированной парой чаще всего имеет маркировку F/UTP (общий экран из фольги) или SF/UTP (фольга + оплетка).

    5. Внешняя оболочка

    Защищает все внутренние элементы от механических, химических, климатических воздействий. Материал выбирается по условиям эксплуатации:

    • ПВХ: универсальный, для внутренней прокладки.
    • Полиэтилен (PE): для наружной, подземной прокладки.
    • Полиуретан (PUR): масло-, бензостойкий, износостойкий, для подвижных применений.
    • Безгалогеновые составы (LSZH): с низким дымовыделением и газовыделением при пожаре, для общественных зданий и транспорта.

    Цвет оболочки часто серый, черный или оранжевый (для обозначения как слаботочного).

    Ключевые технические характеристики и стандарты

    Выбор кабеля осуществляется на основе технических параметров, регламентированных национальными и международными стандартами (МЭК, ГОСТ, EN).

    Таблица 1. Основные технические характеристики кабелей с 1 экранированной парой
    ПараметрТипичные значения / ОписаниеСтандарт/Метод измерения
    Номинальное напряжение300 В (для слаботочных цепей)МЭК 61156, ГОСТ 22498
    Электрическое сопротивление жилы при +20°CОм/км (зависит от сечения: 0.5 мм² ≈ 36-39 Ом/км; 1.0 мм² ≈ 18-19 Ом/км)МЭК 60228
    Сопротивление изоляции> 5 ГОм·км (при +20°C)МЭК 60189-1
    Рабочая емкость (погонная)40 — 120 нФ/км (зависит от изоляции и шага скрутки)МЭК 60189-1
    Волновое сопротивление100 Ом, 120 Ом, 150 Ом (для цифровых интерфейсов)МЭК 61156
    Затухание сигналаЗависит от частоты и сечения (дБ/100м). Указывается в datasheet.МЭК 61156
    Скорость распространения0.6 — 0.7c (где c – скорость света)
    Полоса пропусканияДо нескольких МГц для аналоговых сигналов; определяется протоколом для цифровых.
    Рабочий температурный диапазонОт -60°C до +70°C (зависит от материалов изоляции и оболочки)
    Минимальный радиус изгиба7.5 — 10 × наружного диаметра кабеля (для стационарной прокладки)МЭК 60754

    Области применения и протоколы передачи

    Данные кабели являются физической средой для ряда критически важных промышленных протоколов и интерфейсов.

    • Промышленные сети (Fieldbus):
      • PROFIBUS PA/DP: Для сетей PROFIBUS DP на скоростях до 12 Мбит/с используется кабель типа А (по ГОСТ Р МЭК 61158-2) с импедансом 150 Ом, сечением 0.34 мм² или 0.5 мм², с экраном в виде оплетки или комбинированным.
      • Foundation Fieldbus H1: Использует экранированную витую пару для питания и передачи данных по шине (31.25 кбит/с).
      • Modbus RTU (RS-485): Стандарт EIA-485 рекомендует использование витой пары с согласованным волновым сопротивлением (120 Ом) и экраном для увеличения дальности (до 1200 м) и помехозащищенности.
    • Аналоговые сигналы:
      • Передача сигналов 4-20 мА, 0-10 В от датчиков к контроллерам. Экранирование защищает от наводок, которые могут исказить значение измеряемого параметра (температуры, давления, уровня).
      • Аудиосигналы (микрофонные, линейные уровни).
    • Цифровые интерфейсы:
      • RS-422: Полнодуплексная передача на большие расстояния.
      • Ethernet (специальные случаи): Для некоторых промышленных решений 10BASE-T1L или для организации связи на длинные дистанции в специфичных конфигурациях может использоваться одна пара.
      • Домофонные и охранные системы, СКУД: Передача данных и питания для считывателей.

    Правила монтажа и заземления экрана

    Эффективность экранирования на 50% определяется правильностью монтажа. Нарушения ведут к появлению «антенн», излучающих или принимающих помехи.

    • Непрерывность экрана: Экран должен быть непрерывным на всем протяжении линии. При соединении сегментов экраны должны быть соединены с низким переходным сопротивлением.
    • Заземление в одной точке: Во избежание образования контуров заземления, экран должен быть заземлен только с одной стороны линии (как правило, со стороны контроллера или источника питания). Это классическое правило для аналоговых сигналов 4-20 мА и низкоскоростных цифровых.
    • Заземление с двух сторон: Для высокочастотных помех (>1 МГц) эффективнее заземление с двух сторон. При этом для устранения контура заземления рекомендуется использовать экранный изолирующий трансформатор или прокладывать параллельно заземляющий проводник большого сечения для выравнивания потенциалов. В современных системах с гальванической развязкой портов заземление с двух сторон часто является нормой.
    • Качественные коннекторы: Необходимо использовать разъемы с металлическими корпусами, обеспечивающие круговой обжим или пайку экрана (например, Sub-D, M12, M8 с металлической оболочкой). Плетеный экран должен быть заплетен в косичку и надежно зафиксирован.
    • Изоляция экрана: В процессе монтажа необходимо предотвратить случайный контакт экрана с землей или конструкциями.

    Сравнение с неэкранированными и многопарными кабелями

    Таблица 2. Сравнение типов кабелей
    КритерийЭкранированная 1 пара (F/UTP, SF/UTP)Неэкранированная витая пара (UTP)Многопарный экранированный кабель
    Устойчивость к ЭМПВысокая. Для сред с выраженными помехами.Низкая. Только для офисных/бытовых условий.Высокая. Общий и/или индивидуальные экраны.
    Гибкость примененияВысокая для одиночных линий.Высокая в «чистой» среде.Низкая. Для прокладки магистралей, групповых линий.
    СтоимостьСредняя (дороже UTP за счет экрана).Низкая.Высокая на единицу длины, но может быть экономичнее при большом количестве пар.
    Сложность монтажаВысокая (требует правильного заземления экрана).Низкая.Очень высокая (разделка, заземление многих экранов).
    Типичное применениеПромышленные датчики, приводы, RS-485, PROFIBUS.Офисная LAN-сеть, бытовая автоматика.Магистрали АСУ ТП, телефония, центры обработки данных.

    Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

    В чем принципиальная разница между кабелями для RS-485 и PROFIBUS?

    Оба часто используют экранированную витую пару, но с разными номинальными параметрами. Кабель для PROFIBUS DP (тип А) стандартизирован под волновое сопротивление 150 Ом и имеет строгие требования к емкости (менее 30 пФ/м) и сечению жил. Кабель для RS-485 часто имеет импеданс 120 Ом. Использование «профибасного» кабеля для RS-485 обычно допустимо и даже улучшает характеристики линии, а вот обратная замена может ухудшить работу PROFIBUS на высоких скоростях.

    Можно ли использовать кабель FTP (из СКС) для передачи аналогового сигнала 4-20 мА?

    Технически возможно, но не рекомендуется для ответственных промышленных применений. Кабели СКС (Cat.5e/6) рассчитаны на высокие частоты (>100 МГц), имеют тонкие жилы (24-26 AWG, ~0.22-0.13 мм²), что ведет к большему падению напряжения на длинных линиях для токовой петли. Их экран (фольга) часто хрупкий и не предназначен для частых изгибов в условиях цеха. Лучше использовать специализированный кабель с жилой 0.5 мм² или более, в стойкой к маслам и механическим воздействиям оболочке.

    Как правильно выбрать сечение жилы?

    Выбор сечения основывается на двух факторах: падение напряжения и механическая прочность.

    • Падение напряжения: Критично для петли 4-20 мА и шинных протоколов с питанием по кабелю (например, PROFIBUS PA). Рассчитывается по формуле: ΔU = I R L
    • 2, где I – максимальный ток, R – сопротивление жилы на км, L – длина в км. Падение не должно превышать допустимого для приемника (обычно 1-2 В). Для тока 20 мА и длины 500 м минимальное сечение часто составляет 0.5 мм².
    • Механическая прочность: Для стационарной прокладки достаточно 0.34 мм². Для подвижных применений (кабельные цепи, роторы) выбирают гибкие кабели с сечением от 0.5 мм².

    Почему экран должен быть заземлен только с одной стороны, и когда это правило нарушается?

    Заземление с одной стороны исключает протекание тока по экрану, вызванного разностью потенциалов земель в разных точках системы (контур заземления). Этот ток наводит помехи на сигнальные жилы. Однако на высоких частотах (>1 МГц) длинный незаземленный с одного конца экран становится неэффективным. Поэтому в высокочастотных цифровых системах (Ethernet, высокоскоростной PROFIBUS) применяют заземление с двух сторон, но обязательно обеспечивают гальваническую развязку в оборудовании и/или низкоомное соединение между точками заземления.

    Что означает маркировка «PUR» на оболочке и где такой кабель применяется?

    PUR – это полиуретан. Кабели в оболочке из PUR обладают исключительной стойкостью к абразивному износу, многократным изгибам, воздействию масел (включая минеральные), смазок, топлива и гидравлических жидкостей. Они применяются в тяжелых условиях: на подвижных механизмах станков, роботах, в автомобильной промышленности, лесозаготовительной технике. Такая оболочка обычно более гибкая и эластичная, чем ПВХ, но может быть чувствительна к длительному воздействию влаги и УФ-излучения.

    Как проверить целостность и качество экранирования после монтажа?

    Рекомендуется проводить следующие измерения:

    • Сопротивление изоляции между каждой жилой и экраном (должно быть > 5 МОм, а лучше > 20 МОм).
    • Сопротивление экрана (постоянному току) от конца до конца линии. Оно должно быть мало (единицы Ом), что свидетельствует о хорошем соединении сегментов экрана.
    • Непрерывность жил и отсутствие перекреста.
    • Для высокочастотных линий – измерение волнового сопротивления рефлектометром (TDR) для выявления повреждений, плохих соединений или несоответствия кабеля.

Войти

Зарегистрироваться

Сбросить пароль

Пожалуйста, введите ваше имя пользователя или эл. адрес, вы получите письмо со ссылкой для сброса пароля.