Aktuální vydání

celé číslo

06

2022

Vodohospodářství, energetika a využití obnovitelných zdrojů energie

IIoT, vestavné a průmyslové počítače a edge computing

celé číslo

EMC v technické praxi V: Zemnění a kabeláž pevných instalací

číslo 10/2006

EMC v technické praxi V: Zemnění a kabeláž pevných instalací

Pátá část seriálu bezprostředně navazuje na otázky spojené s problematikou rušení probíranou v předchozích dvou pokračováních ([5], [6]). Zaměřuje se na propojování jednotlivých zařízení, rušení vznikající v propojovacích vodičích (kabeláži) způsobené galvanickými vazbami i napětím indukovaným do kabelů z rušivých elektromagnetických polí, na problematiku uzemňování a stínění kabelů a jejich vhodné vedení a umístění v prostoru.

1. Úvod

Výběrem přístrojů, které splňují všechny požadavky na odolnost proti elektromagnetickému rušení i na omezení emisí takového rušení, není problematika elektromagnetické kompatibility (Electromagnetic Compatibility – EMC) pevných instalací zdaleka úspěšně vyřešena. Každý přístroj, který je součástí pevné instalace, je propojen s ostatními přístroji, s napájecím systémem a řídicími prvky. Připojováním příslušných vodičů se zároveň přístroj připojuje ke zdrojům nebo příjemcům rušivých signálů a je vybavován jistě nežádoucími anténami schopnými přijímat a vysílat elektromagnetické rušivé pole. Předkládaný článek se tedy soustřeďuje na to, jak uvedené nežádoucí vlivy potlačit nebo jak se jim úspěšně vyhnout.

2. Zemnění pevné instalace a jeho provedení

2.1 Požadavky na zemnicí systém
Zemnění a ochranné pospojování se na první pohled týkají pouze bezpečnosti osob vyskytujících se v blízkosti pevné instalace při atmosférických výbojích a souvisejících přepěťových jevech anebo při poruchách výkonových částí pevných instalací. Pro takový případ se navrhuje a zkouší provedení ochran z hlediska odporu, který uzemňovací soustava klade poruchovým proudům, a to zejména v kmitočtovém rozsahu napájecího napětí. Přitom nikde nesmí vznikat úbytek napětí překračující bezpečné dotykové napětí.

Uvedená soustava však rovněž může fungovat jako společná „referenční“ zem, která je schopna chránit také citlivé elektronické přístroje tím, že odvádí rušivé proudy mimo jejich vstupy. Tento nový pohled se ovšem týká podstatně odlišných napěťových, proudových i kmitočtových parametrů jevů, které je třeba zemnicí soustavou potlačit. Především úroveň rušivých signálů je o několik řádů nižší než proudy a napětí vznikající při havarijních stavech, natož při úderu blesku do soustavy nebo do její blízkosti. Stejně důležité je kmitočtové spektrum rušivých signálů, které v tomto případě o několik řádů přesahuje obor kmitočtů spojených s napájecí soustavou a v současné době zasahuje až do oblasti gigahertzů. Tím vznikají požadavky nejen na malý činný odpor zemnicí soustavy, ale zvláště na jeho malou reaktanci – i několikacentimetrový propojovací vodič má při vysokých kmitočtech pro rušivý signál takovou reaktanci, která může uzemňovací funkci vodiče významně znehodnotit.

Návrh zemnicího systému respektující uvedená hlediska EMC není a ani nesmí být v rozporu s požadavky platnými z hlediska bezpečnosti. Proto jsou již nyní nové instalace zemních systémů navrhovány tak, aby splňovaly obě hlediska.

2.2 Provedení zemnicích systémů
Starší zemnicí systémy byly řešeny jako několik samostatně zemněných nezávislých soustav. Oddělena tak byla hromosvodná zem, „čistá zem„ pro měřicí, výpočetní a řídicí systémy, ochranné uzemnění apod. Velké úbytky napětí při velkých svodových proudech mohou způsobit mezi jednotlivými systémy nebezpečně velké rozdíly potenciálů, a proto je takové řešení nyní považováno za nevhodné. Další řešení, používající jediný společný zemnicí bod, bylo při pečlivém provedení použitelné pro nízké kmitočty, pro současné širokospektrální rušení v oblasti EMC již rovněž nevyhovuje.

Obr. 1.

Obr. 1. Příklad doporučeného řešení jednoho podlaží zemnicího systému budovy

Pro nové konstrukce budov je z již zmíněných důvodů doporučováno řešení podle obr. 1. Zemnicí soustava je zde tvořena vzájemně propojenými zemnicími sítěmi rozloženými v jednotlivých podlažích budovy a je na mnoha místech uzemněna. Zemnicí síť zahrnuje nejen konstrukční části budovy včetně armatur železobetonových konstrukcí, kovových nosníků a rámů, dále vodivé potrubní systémy, okapové žlaby a svody, pomocné konstrukce a podlahové plechy, ale také kabelové lávky, rámy strojů apod. K soustavě musí být možné snadno a spolehlivě připojit instalovaná zařízení co nejkratšími propojovacími vodiči.

Zemnicí sítě jsou tak husté, jak to vyžaduje instalované zařízení. Výkonové instalace mohou způsobovat velké zemnicí proudy (včetně havarijních stavů), proto je třeba v těchto prostorech síť zhustit vodiči dostatečného průřezu. V místech počítačových, řídicích a měřicích zařízení je nutné síť zhustit z důvodu výskytu vysokofrekvenčních rušivých signálů. Přitom je vhodné přístroje soustředit do různých prostorů tak, aby přístroje citlivé z hlediska EMC byly dostatečně vzdáleny od intenzivních zdrojů rušení. Uvádí se rozdělení do vhodných zón s obdobnými emisními vlastnostmi a odolností proti EMC (zóna měničů, zóna strojů, zóna počítačů atd.).

Na obr. 1 je dále naznačeno propojení se systémem hromosvodů (modře), které by měly být alespoň v jednom podlaží spojeny s popsanou zemnicí soustavou budovy. Přitom se předpokládá, že při úderu blesku převážná část sváděných proudů díky jejich malé impedanci teče svodiči vně budovy. Uvedeným mnohočetným propojením se zlepšují vlastnosti zemnicí soustavy v budově z hlediska dosažení pokud možno shodného potenciálu ve všech jejích částech. Soustava je uzemněna četnými zemnicími tyčemi (pásky, deskami) vnořenými do terénu pod budovou či v její bezprostřední blízkosti (na obr. 1 znázorněno tečkovaně).

Popsaná moderní uzemňovací soustava se obtížně realizuje v již stojících budovách starší konstrukce. I v těchto případech ale lze situaci zlepšit použitím dílčích opatření, např. uzemňovací sítě pod zvýšenou podlahou místností s citlivou technikou, dostatečně dimenzovaným propojením všech skříní použitých přístrojů apod.

3. Propojovací kabely a jejich trasy

3.1 Typy kabelů
Kabely zajišťují elektrické propojení pro přenos dat nebo elektrické energie mezi přístroji v rámci pevné instalace nebo jejího propojení s okolím. Vyskytují se v široké škále konstrukčních provedení s různým uspořádáním vodičů, jejich izolace, tvaru a ochrany před vnějším prostředím. Z hlediska tématu tohoto článku je při výběru kabelů třeba vzít v úvahu kromě jejich zamýšlené hlavní funkce i jejich nežádoucí funkce, tj. příjem, přenos a vyzařování rušivých elektromagnetických signálů. Tyto skutečnosti ovlivňují volbu vlastního kabelu a jeho konstrukce, volbu kabelového příslušenství, tj. kabelových koncovek, konektorů a průchodek, a dále konstrukci, provedení a situování kabelových tras atd. Pro potřeby návrhu pevné instalace je proto vhodné kabely roztřídit do několika skupin podle přenášených signálů a v dalším toto zatřídění plně respektovat. Možné rozdělení lze nalézt např. v [1] nebo [2]. Osvědčené třídění je např. toto:

  • kabely pro velmi citlivé signály přenášejí analogové signály nízkých úrovní (např. výstupy některých snímačů, přijímacích antén apod.) nebo vysokorychlostní digitální komunikační signály,

  • kabely pro citlivé signály přenášejí běžné analogové signály (např. proudová smyčka, výstupy snímačů a převodníků s rozsahem do ±10 V apod.), nízkorychlostní digitální komunikační signály (RS-422, RS-485) a logické signály,

  • kabely přenášející méně rušivé signály, představované kabely síťového nebo stejnosměrného napájení, které nejsou připojeny k silně rušícím zařízením bez odrušovacích prostředků,

  • kabely přenášející rušivé signály, jako jsou napájení a výstupy měničů frekvence, motorových spouštěčů, svařovacích zařízení, spínaných zdrojů a dalších průmyslových, vědeckých a lékařských zařízení využívajících ve své činnosti vysokofrekvenční signály,

  • kabely přenášející silně rušivé signály, zejména kabely vn a vvn, kabely v rozvodnách i některé případy z předchozí skupiny se zvláště výraznými rušivými vlivy.

Omezení přenosu rušení z kabelu nebo do něj se dosahuje jednak vhodným provedením (konstrukcí) kabelu, jednak jeho vedením (polohou).

3.2 Provedení kabelů
Provedení kabelů vhodných pro jednotlivé skupiny kabelů uvedené v předchozí kapitole se výrazně liší. Kabely přenášející nejcitlivější signály jsou provedeny tak, aby byly co nejméně citlivé na okolní rušení, a naopak např. kabely mezi měniči a motory se někdy stíní s cílem potlačit vyzařované rušení. Mezi konstrukční prostředky k předcházení vlivu rušení patří následující řešení.

Je důležité, aby signál byl veden dvojicí vodičů tak, že vodiče jsou důsledně vedeny po téže trase a co nejblíže u sebe, aby nevznikaly smyčky, do kterých se indukuje rušivé napětí. Obdobně u mnohožilových kabelů se jednotlivé signály vedou samostatnými dvojicemi vodičů. Není vhodné použít jeden společný např. „zpětný„ vodič. Dvojice vodičů bývají často provedeny jako „zkroucené“, čímž se dále zmenšuje plocha smyčky přijímající rušení, resp. smyčka se rozdělí na malé plochy mezi jednotlivými závity. Tyto plochy jsou z hlediska indukování rušivých signálů opačně orientované, takže vliv rušivého pole na kabel jako celek se navíc téměř eliminuje.

Dalším možným opatřením je použití stíněného kabelu (někdy v kombinaci se zkroucením dvojic vodičů). Pro provedení a kvalitu stínění platí úvahy z předchozího dílu seriálu [6]. Zde je situace složitá z hlediska realizace těchto požadavků v provedení kabelu. Důležité je např., aby stínění, ke kterému se v praxi využívá opletení z tenkých drátků nebo z pásků, jako celek vykazovalo obdobné vlastnosti, jako by bylo realizováno vodivou trubkou. Opletení musí být proto ve dvou nebo více protisměrných vrstvách hustě pletených a vzájemně dobře vodivě propojených. Spirálovité obtočení chráněných vodičů vzájemně nepropojenými závity je zcela neúčinné. Stínění může sloužit také pro zpětné vedení signálů, zejména v koaxiálních kabelech.

Obr. 2.

Obr. 2. Průchod stíněného kabelu stěnou skříně

V současnosti je preferováno připojení stínění na obou koncích stíněného vodiče k uzemněné skříni přístrojů. Pokud přitom hrozí průchod významných rušivých proudů takovým stíněním, zřizují se další paralelní zemní vodiče o dostatečně velkém průřezu, které díky své menší impedanci omezí proudy ve stínění. Takové paralelní zemní vodiče mohou být tvořeny skutečně paralelně vedeným vodičem dostatečného průřezu, ale i kovovým žlabem, dobře vodivou kabelovou lávkou (po celé trase) nebo, jako nejúčinnější, kovovou trubkou, ve které je kabel uložen. Nesmí se také opomenout kvalitní vodivé spojení stínění se skříní přístroje zásadně provedené po celém obvodu vodiče. Pro tento účel jsou vyráběny kovové kabelové průchodky vybavené kovovými pružinami, lamelami, vodivou pryží nebo obdobnými prvky, které stínění vodivě připojují. Oddělení stínění od vodiče, jeho relativně dlouhé vedení a vzdálené samostatné uzemnění (ke skříni nebo k zemnicí přípojnici), slangově nazývané pigtail („prasečí ocásek„), patří již mezi tradiční montážní chyby vytvářející další problémové místo z hlediska EMC. I takový vodič svou relativně malou indukčností představuje pro vysokofrekvenční signál významnou vazbu společnou impedancí mezi obvody nesymetrického a symetrického rušení, viz část II seriálu [4]. Pokud není délka takového zemnicího spoje zcela zanedbatelná k vlnové délce rušivých signálů, představuje vzniklá smyčka navíc přijímací nebo vysílací anténu. V nevyhnutelném případě je akceptovatelná délka připojení z těchto důvodů pouze několik málo centimetrů. Schematicky jsou vhodný a nevhodný průchod stíněného kabelu stěnou skříně přístroje znázorněny na obr. 2, kde:

  • varianta a) představuje nejhorší řešení, kdy stínění vůbec není spojeno s uzemněnou skříní přístroje a rušivé signály mohou být přenášeny do stíněného prostoru (nebo naopak),

  • varianty b) a c) představují již zmíněný pigtail a rovněž nejsou vhodné,

  • optimální je řešení d), schematicky znázorňující propojovací lamely speciální průchodky pro podporu EMC, která zajišťuje vodivé propojení stínění s kostrou přístroje po celém obvodu (360°).

Doporučené řešení (obr. 2d) musí být kvalitní také z hlediska stárnutí kontaktů a možných korozních vlivů (obrázek neukazuje nutné utěsnění průchodu proti vlivům okolí ani způsob mechanického upevnění kabelu).

3.3 Vedení kabelů
Kabely většinou nejsou vedeny jednotlivě, ale seskupují se do svazků vedených stanovenými trasami. Kabelové trasy mají často podobu kabelových žlabů, lávek nebo roštů nebo jsou pro ně použity prvky stavební konstrukce. Ve většině případů jsou takové trasy nebo jejich části vytvořeny z kovových, a tedy vodivých materiálů, takže po vhodném propojení mohou zajistit funkci paralelního zemního vodiče, významného prvku zlepšujícího vlastnosti instalace z hlediska EMC. Vodivé propojení dílčích částí kabelových tras musí mít malou impedanci pro rušivé signály v širokém pásmu kmitočtů. Proto je vhodnější místo dlouhého tenkého propojujícího vodiče volit širší pásky délky ne větší než pětinásobek šířky, nebo ještě lépe vodivé propojení překrývající celý spoj, např. podle obr. 3.

Obr. 3.

Obr. 3. Galvanické propojování kabelových žlabů

Kabely různých skupin (podle přenášených signálů, viz odst. 3.1) by neměly být vedeny ve stejném svazku, aby se zamezil přenos rušení mezi blízkými vodiči vzájemnou vazbou. Přitom je vhodné chránit jednotlivé svazky samostatným paralelním zemním vodičem a dále polohou k ostatním svazkům. Čím kvalitnější provedení paralelního zemního vodiče (žlabu, lávky, konstrukce apod.), tím může být vzdálenost mezi svazky menší. Naopak jestliže zemní vodič není použit vůbec, doporučuje se dodržet vzdálenost mezi svazky větší než desetinásobek průměru nejtlustšího kabelu ve svazku. Jednotlivé kabely mají být vedeny co nejtěsněji přimknuté k vodivé konstrukci, takže výhodnější je vedení v rohu a nejméně výhodné je vedení na okraji konstrukce. Svazky lze sice vést v jednom kabelovém žlabu, a to při dostatečné vzdálenosti mezi nimi nebo lépe při jejich oddělení stínicí přepážkou. Mnohem účelnější ale je vést je v samostatných žlabech. Žlaby s kabely pro velmi citlivé signály se doporučuje provést jako zcela uzavřené.

3.4 Vedení kabelů pro minimalizaci společné impedance
Při návrhu propojení jednotlivých přístrojů pevné instalace je nutné brát v úvahu také další zásady respektující potlačení přenosu rušivých signálů vzájemnou impedancí zejména zemního, napájecího nebo společného signálového vodiče, jak bylo uvedeno ve druhé části seriálu [4]. Mezi takové zásady patří:

  • nepoužívat zřetězené propojení zemnicích svorek jednotlivých přístrojů s uzemněním v jednom místě, ale raději připojit každý přístroj zvlášť k zemnicí síti co nejkratším vodičem,

  • v případě několika přístrojů pro ně nepoužívat společný „zpětný„ signálový vodič, ale raději vést signálové vedení od každého přístroje důsledně dvouvodičové až ke zdroji s případnou možností propojení vodičů na stejném potenciálu v jednom bodě,

  • vést přímé a zpětné napájecí nebo datové vodiče vždy společně co nejblíže u sebe bez vytváření prostorových smyček,

  • nepoužívat zřetězené propojení napájecích svorek jednotlivých přístrojů se společným přívodem od napájecího zdroje, ale k napájení přístrojů použít samostatné přívody od napájecího zdroje,

  • zvážit napájení jednotlivých přístrojů ze samostatných galvanicky oddělených napájecích zdrojů,

  • zvážit galvanické oddělení signálových a výkonových obvodů např. optickou vazbou v obvodu pro přenos dat.

4. Závěr

Problematika kabeláže pevné instalace rozhodně není jednoduchá. V mnoha případech je třeba respektovat jak požadavky na klasické silnoproudé rozvody, včetně prioritních otázek elektrické bezpečnosti, tak problematiku rušení, zahrnující dnes i velmi vysoké kmitočty. Doporučené postupy sice vycházejí z teoretických analýz, ty však neposkytují dostupné řešení pro instalaci představující z hlediska EMC komplikovaný a těžko popsatelný systém. Úplné analytické řešení je proto v praxi nedostupné a nezbývá než vycházet z mnoha dílčích doporučení a pravidel, mnohdy empirického charakteru.

Překvapivě dobrým vodítkem při návrhu zemnění a kabeláže pevné instalace z hlediska EMC může být publikace [2], která je sice vydána v systému norem IEC, nicméně představuje technickou zprávu shrnující rady, návody a získané zkušenosti v oblasti kabeláže, zemnění a zajištění EMC elektrických instalací v průmyslových, komerčních a obytných objektech. Zaměřuje se především na nové instalace, ale je možné ji použít také při rekonstrukcích a úpravě starších instalací. Lze jen litovat, že tato „norma„ určená širokému spektru projektantů a realizátorů pevných instalací není dostupná v českém jazyce a ani se o jejím překladu neuvažuje.

Literatura:
[1] WILLIAMS, T. – ARMSTRONG, K.: EMC for Systems and Installations. Newnes, 2000, ISBN 0 7506 4167 3.
[2] IEC 61000-5-2:1997 Electromagnetic compatibility – Installation and mitigation guidelines – Earthing and cabling.
[3] ŽÁČEK, J. – KÜNZEL, K.: EMC v technické praxi I: Legislativní požadavky. Automa, 2006, roč. 12, č. 2, s. 59–62.
[4] ŽÁČEK, J. – KÜNZEL, K.: EMC v technické praxi II: Rušivé signály, jejich zdroje a šíření. Automa, 2006, roč. 12, č. 3, s. 102–105.
[5] ŽÁČEK, J. – KÜNZEL, K.: EMC v technické praxi III: Omezování rušení v oblasti nízkých kmitočtů. Automa, 2006, roč. 12, č. 6, s. 55–58.
[6] ŽÁČEK, J. – KÜNZEL, K.: EMC v technické praxi IV: Omezování rušení v oblasti vysokých kmitočtů. Automa, 2006, roč. 12, č. 7, s. 64–67.
[7] SVAČINA, J.: Základy elektromagnetické kompatibility 1–6. Elektrorevue, 2000–2001, ISSN 1213-1539. Dostupné na http://www.elektrorevue.cz nebo též na http://www.urel.feec.vutbr.cz/EncyklopedieEMC/index.php
[8] ARMSTRONG, K.: EMC for Systems and Installations 0-7. Dostupné na http://www.compliance-club.com/keith_armstrong.asp

doc. Ing. Jaroslav Žáček, CSc.
(zacek@fel.cvut.cz),
Ing. Karel Künzel, CSc.
(kuenzel@fel.cvut.cz),
katedra elektrotechnologie,
Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze