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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
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:
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:
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:
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).
| Параметр | Типичные значения / Описание | Стандарт/Метод измерения |
|---|---|---|
| Номинальное напряжение | 300 В (для слаботочных цепей) | МЭК 61156, ГОСТ 22498 |
| Электрическое сопротивление жилы при +20°C | Ом/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 сопротивление | 100 Ом, 120 Ом, 150 Ом (для цифровых интерфейсов) | МЭК 61156 |
| Затухание сигнала | Зависит от частоты и сечения (дБ/100м). Указывается в datasheet. | МЭК 61156 |
| Скорость распространения | 0.6 — 0.7c (где c – скорость света) | — |
| Полоса пропускания | До нескольких МГц для аналоговых сигналов; определяется протоколом для цифровых. | — |
| Рабочий температурный диапазон | От -60°C до +70°C (зависит от материалов изоляции и оболочки) | — |
| Минимальный радиус изгиба | 7.5 — 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.
Правила монтажа и заземления экрана
Эффективность экранирования на 50% определяется правильностью монтажа. Нарушения ведут к появлению «антенн», излучающих или принимающих помехи.
Сравнение с неэкранированными и многопарными кабелями
| Критерий | Экранированная 1 пара (F/UTP, SF/UTP) | Неэкранированная витая пара (UTP) | Многопарный экранированный кабель |
|---|---|---|---|
| Устойчивость к ЭМП | Высокая. Для сред с выраженными помехами. | Низкая. Только для офисных/бытовых условий. | Высокая. Общий и/или индивидуальные экраны. |
| Гибкость применения | Высокая для одиночных линий. | Высокая в «чистой» среде. | Низкая. Для прокладки магистралей, групповых линий. |
| Стоимость | Средняя (дороже UTP за счет экрана). | Низкая. | Высокая на единицу длины, но может быть экономичнее при большом количестве пар. |
| Сложность монтажа | Высокая (требует правильного заземления экрана). | Низкая. | Очень высокая (разделка, заземление многих экранов). |
| Типичное применение | Промышленные 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.
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: