Экран кабеля

Экран кабеля — это специальный защитный слой в конструкции кабеля, предназначенный для защиты передаваемого сигнала от внешних электромагнитных помех (ЭМП) и предотвращения излучения помех от самого кабеля. Это критически важный элемент для обеспечения целостности сигнала в системах связи, автоматизации и силовых сетях.

1. Назначение и принцип действия экрана

1.1. Основные функции экрана

• Защита от внешних помех: Предотвращает наводки от внешних источников ЭМП (силовые кабели, двигатели, радиопередатчики, молнии).
• Снижение излучаемых помех: Ограничивает электромагнитное излучение от самого кабеля, которое может мешать работе другого оборудования.
• Симметрирование поля: В силовых кабелях высокого напряжения экран выравнивает электрическое поле вокруг жилы, предотвращая локальные перенапряжения и пробой изоляции.
• Защита от электростатических разрядов.
• Обеспечение безопасности: В некоторых случаях служит элементом заземления.

1.2. Физический принцип работы

Экран работает по принципу клетки Фарадея. Он состоит из проводящего материала, который создает барьер для электромагнитных полей. Переменное электромагнитное поле наводит на экране вихревые токи (токи Фуко), которые создают встречное поле, компенсирующее внешнее воздействие. Эффективность экранирования зависит от:

• Материала (его проводимости и магнитной проницаемости).
• Толщины и сплошности покрытия.
• Частоты мешающего сигнала.

2. Конструкция и виды экранов

Экраны различаются по материалу, конструкции и эффективности. Выбор типа экрана зависит от уровня помех, гибкости кабеля и стоимости.

2.1. Фольгированный экран (Foil Shield)

• Конструкция: Тонкая алюминиевая или медная фольга (толщиной 40-100 мкм), ламинированная с одной или двух сторон полимерной пленкой (например, лавсаном) для механической прочности. Часто сопровождается дренажным проводником (луженая медная проволока), который обеспечивает электрический контакт по всей длине и служит для заземления.
• Преимущества:
  • Полное покрытие (100%): Обеспечивает защиту по всей поверхности.
  • Гибкость: Подходит для тонких и гибких кабелей.
  • Низкая стоимость.
• Недостатки:
  • Низкая механическая прочность: Легко повреждается при частых изгибах.
  • Высокочастотное сопротивление: Эффективность падает на очень высоких частотах из-за скин-эффекта.
• Обозначение: <F> или A (Aluminium), например, FTP (Foiled Twisted Pair).
• Применение: Витая пара категорий 5e/6, контрольные кабели (КВВГэ), слаботочные системы.

2.2. Оплеточный экран (Braided Shield)

• Конструкция: Плетеная сетка из тонких луженых медных, оловянных или серебряных проволок. Основной параметр — плотность (коэффициент) оплетки — процент покрытия поверхности (обычно 65%-95%).
• Преимущества:
  • Высокая механическая прочность: Устойчив к вибрациям и многократным изгибам.
  • Низкое сопротивление: Обеспечивает хороший путь для токов помех.
  • Легкость заземления: Оплетка сама по себе является хорошим проводником.
• Недостатки:
  • Неполное покрытие: На высоких частотах помехи могут проникать через зазоры в оплетке.
  • Большой вес и жесткость: Увеличивает диаметр и снижает гибкость кабеля.
  • Высокая стоимость.
• Обозначение: <S>, например, STP (Shielded Twisted Pair).
• Применение: Высокочастотные кабели (RF), коаксиальные кабели (РК), промышленные сети (Profibus), аудиокабели, силовые кабели с экраном.

2.3. Комбинированные экраны (Combination Shields)

Используются для достижения максимальной эффективности в широком частотном диапазоне.

• Фольга + Оплетка (SF, S/F):
  • Конструкция: Внутренний слой фольги (для 100% покрытия на высоких частотах) + внешняя оплетка (для механической защиты и низкоомного соединения).
  • Преимущества: Универсальность, высокая эффективность.
  • Применение: Критически важные приложения, промышленные сети (PROFIBUS, EtherCAT), кабели категорий 7/7A/8 (S/FTP).
• Многослойные экраны: Например, «двойная оплетка» или «фольга/оплетка/фольга» для экстремально высоких требований к помехозащищенности.

2.4. Другие виды экранов

• Экран из проводящего полимера: Наносится в виде сплошного слоя, альтернатива фольге.
• Спиральный экран: Навивка проволоки по спирали. Очень гибкий, но эффективен только против низкочастотных магнитных полей.

3. Эффективность экранирования и ключевые параметры

Эффективность экранирования (Shielding Effectiveness, SE) измеряется в децибелах (дБ) и показывает, во сколько раз экран ослабляет помеху.

• > 65 дБ: Очень хорошая защита (оплетка высокой плотности).
• 40-60 дБ: Хорошая защита (стандартная оплетка или комбинированный экран).
• 30-40 дБ: Удовлетворительная защита (фольга с дренажным проводом).
• < 30 дБ: Низкая эффективность.

На эффективность влияют:

1. Частота: Фольга лучше на высоких частотах, оплетка — на низких и средних.
2. Целостность экрана: Любой разрыв (например, при неправильном монтаже) резко снижает эффективность.
3. Качество заземления.

4. Правила монтажа и заземления экрана

Неправильный монтаж сводит на нет всю пользу от экрана.

1. Заземление: Экран должен быть надежно заземлен. Идеальный вариант — заземление в одной точке (чаще на стороне источника или приемника сигнала), чтобы избежать образования контура заземления, по которому будут циркулировать паразитные токи.
2. Сохранение целостности: Экран не должен иметь разрывов по всей длине линии.
3. Использование экранированных соединителей: Вилки, розетки и муфты также должны иметь экран, который электрически соединяется с экраном кабеля по всей окружности (360°).
4. Аккуратная заделка: При разделке кабеля нельзя повреждать экран. Дренажный проводник должен быть припаян или обжат к экрану и клемме заземления.

5. Области применения экранированных кабелей

• Промышленная автоматизация (АСУ ТП): Датчики, ПЛК, приводы в цехах с мощным оборудованием.
• Структурированные кабельные системы (СКС): Для помещений с высоким уровнем ЭМП.
• Аудио- и видеоаппаратура: Для передачи сигналов без наводок и фона.
• Измерительные системы: Высокоточные датчики, лабораторное оборудование.
• Силовые кабели среднего и высокого напряжения (6 кВ и выше): Для выравнивания электрического поля.
• Судовая и авиационная техника: В условиях высокой плотности электрооборудования.

6. Маркировка экранированных кабелей

Маркировка указывает на наличие и тип экрана:

• «э» (КВВГэ) — общий экран из фольги или оплетки.
• «з» — экран из медных проволок (иногда).
• «E» — наличие экрана в международной маркировке.

Для витой пары:

• U/UTP — неэкранированный.
• F/UTP — общий экран из фольги.
• U/FTP — экран из фольги вокруг каждой пары.
• S/FTP — экран из оплетки общий + фольга вокруг каждой пары (максимальная защита).

Заключение

Экран кабеля — это не опция, а необходимость в условиях современной насыщенной электромагнитной среды. Правильный выбор типа экрана (фольга для высокочастотных статических помех, оплетка для прочности и низкочастотных полей, комбинация для максимальной защиты) и его грамотный монтаж с надежным заземлением являются залогом безотказной работы любой чувствительной электронной аппаратуры и систем связи. Экономия на экранировании часто оборачивается часами поиска неисправностей и потерей данных.