EMC versus kabely

Přestane-li v průmyslovém prostředí řádně fungovat elektrické zařízení nebo systém, nemusí jít vždy pouze o čistě technickou závadu. Příčinou může být rovněž elektromagnetická kompatibilita.

Podle definice uvedené v [2] je elektromagnetická kompatibilita (EMC – Electro Magnetic Compatibility) schopnost zařízení nebo systému fungovat vyhovujícím způsobem ve svém elektromagnetickém prostředí bez vytváření nepřípustného elektromagnetického rušení pro cokoliv v tomto prostředí. Systém je tedy elektromagneticky kompatibilní, není-li jeho fungování rušeno elektromagnetickými poli jiných systémů a není-li takovýto systém sám zdrojem rušení pro okolní systémy. Zmíněná definice ovšem popisuje ideální stav. V praxi existuje mnoho „bran“, kterými se může dostávat rušivé elektromagnetické vyzařování do systému a z něho ven. Častou příčinou bývá nedostatečně odstíněné propojení, obzvláště v kabelových šroubeních nebo konektorech, ale také použití nevhodných komponent či neodborná montáž.

Obr. 1. Konektor s velkou kovovou plochou a průchozími elektrickými spoji poskytuje dobré stínění

Stínění je důležité

U kabelů je první a nejdůležitější bariérou proti elektromagnetickým polím stínění – pletivo z dobře vodivých drátků, které jsou uvnitř kabelu opleteny okolo žil a působí jako Faradayova klec. Bohužel se od tohoto stínění tu a tam upouští, aby se „ušetřilo“. To se však může vymstít zvláště tehdy, jsou-li energetická vedení, kterými protékají větší proudy, uložena v těsné blízkosti datových vedení.

Není však stínění jako stínění. Teprve asi od 80% pokrytí je pletivo dostatečně husté na to, aby vytvořilo účinnou bariéru pro elektromagnetická pole. Pohyblivá vedení ve vlečných (energetických) řetězech s cykly se střídavým ohybem nebo v robotice, kde jsou kabely vystavovány kromě namáhání v ohybu ještě také torzním silám (krutu), musí být stínění dimenzováno tak, aby byla jeho hustota zaručena i v ohnutém stavu. Toto lze řešit optimálním nastavením úhlu splétání. Pro pohyblivé aplikace je drát oplétán okolo žil v tupém úhlu, čímž se vytvoří okolo žíly na kratší dráze úplný závit (360°). Hustota pokrytí je pak větší a elasticita lepší. Vzroste ale spotřeba mědi, což znamená zvýšení nákladů.

Pozornost je třeba věnovat také uspořádání žil uvnitř kabelu, neboť toto rovněž ovlivňuje chování kabelu vzhledem k EMC. Jednotlivé žíly se dají doplňkově odstínit hliníkovou fólií uloženou okolo izolace. Dobrým řešením je, když se ochranný vodič rozdělí na tři paralelní vodiče, které se pak symetricky vůči zemi rozloží okolo svazku žil.

Obr. 2. Běžně je upevnění stínění řešeno pružinou

EMC chyby v praxi

V praxi se vyskytují stále stejné problémy s EMC. Toto mnohdy začíná již u rozváděče, kde např. chybějí zemnicí pásky u dveří nebo nejsou dodrženy doporučené (minimální) poloměry ohybu kabelů. Takovéto kabely jsou pak za kabelovým vývodem přiskřípnuté a stínicí pletivo není rozloženo plošně nebo se trhá. Nacházejí-li se hned vedle těchto kabelů napájecí vedení protékaná velkými proudy, mohou se vytvářet silné elektromagnetické impulzy, a způsobovat tak rušení v celé elektrické instalaci.

Problémy s EMC nejsou tedy vždy zapříčiněny čistě technickými závadami. Někdy udělá elektromontér chybu z nedbalosti, když např. při odizolování kabelu zajede příliš hluboko a poškodí stínění (takto poškozené místo lze opravit vodivým samolepicím stínicím páskem).

Kabely a konektory

EMC chování se nevztahuje pouze na samotný kabel. Často se zapomíná na konektory a kabelová šroubení, i když zde hrají velmi důležitou roli. Tyto komponenty se tak stávají slabým článkem ochrany před EMC rušením. Ideální spojení kabelu, kabelového šroubení a konektoru z hlediska EMC má hodnotu elektrického odporu mezi stíněním kabelu a potenciálem země blížící se nule.

Aby bylo možné takovéto malé hodnoty odporu dosáhnout, je třeba vytvářet co největší kontaktní plochy. Toho však nelze docílit stočením stínicího pletiva do „copánku“, který se pak připájí ke kontaktu konektoru. Stínění kabelu by mělo být naopak na přechodu od kabelového šroubení ke konektoru uloženo plošně kolem dokola a bez mezer. Pouze tak lze vytvořit Faradayovu klec mezi kabelem a konektorem, která účinně odstíní rušivé impulzy. Někdy se přitom zapomíná také na to, že kontaktní spoj stínění se nachází na obou koncích kabelu a že musí být spojen s potenciálem země.

Pro stínění jsou výhodné velké kovové plochy a průchozí elektrická spojení s dobrou vodivostí. Tyto předpoklady splňuje např. hranatý konektor Epic Ultra od firmy Lapp (obr. 1). Má poniklovaný kovový kryt, těsnění je uvnitř, takže se oba kovové díly krytu dotýkají velkou plochou.

Obr. 3. Tisíce kruhově uspořádaných kartáčových vlásků upevňují stínění
a starají se o dobré EMC vlastnosti

K tomu je uzpůsobeno kabelové šroubení Skintop MS-M Brush, neboť pro dobře odstíněný celkový systém musí mít také přechod od konektoru ke kabelu dobré EMC vlastnosti. Obvykle je stínění fixováno pomocí pružiny (obr. 2), což zde přebírají tisíce prstencově uspořádaných kartáčových štětin (obr. 3). Velká variabilní svěrací oblast ulehčuje montáž, demontáž i instalaci. Kabel je v jednom jediném pracovním kroku vycentrován, upevněn, odlehčen proti tahu a utěsněn. Proudy, které jsou indukovány rušivými impulzy zvenčí, tečou přes velmi vodivé a kruhově uspořádané (360°) kartáčové stínění, což je zvlášť důležité především pro přenos citlivých signálů (obr. 4). Toto uspořádání je významné také v případě, že jsou konektory a kabely otáčeny a ohýbány, neboť kontaktní plochy mezi stínicím pletivem vedení a kartáčovou vložkou kabelového šroubení zůstávají beze změny. Takovéto řešení je tedy v praxi zvláště užitečné u aplikací s pohybem a krutem.

Obr. 4. Kabelové šroubení v řezu

Závěr

Problematika elektromagnetické kompatibility v průmyslu nabývá stále více na významu. Důvodem je zvyšující se riziko rušení elektromagnetickými poli jako zákonitý důsledek rostoucí digitalizace, která se s Průmyslem 4.0 přesouvá do továren. Jednou z citlivých oblastí z hlediska elektromagnetické kompatibility je kabeláž. Dobré EMC vlastnosti kabeláže však nezávisejí pouze na samotném kabelu, ale také na propojovací technice, tedy především na konektorech a kabelovém šroubení. Aby např. stínicí pletivo kabelu mohlo vytvořit účinnou bariéru proti působení elektromagnetických polí, musí mít dostatečnou hustotu pokrytí (minimálně 80 %). Jsou-li použity kvalitní komponenty spojovací techniky a je-li jejich instalace provedena pečlivě a odborně, lze z tohoto hlediska preventivně zabránit mnohým výpadkům.

Norma související s tématem článku – ČSN EN 61000-1-2
ČSN EN 61000-1-2:2017 Elektromagnetická kompatibilita (EMC) – Část 1-2: Obecně – Metodika pro dosažení funkční bezpečnosti elektrických a elektronických systémů s ohledem na elektromagnetické jevy. Tato norma je českou verzí evropské normy EN 61000-1-2:2016. Překlad byl zajištěn Úřadem pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. Má stejný status jako oficiální verze. Tato část souboru norem stanoví metodiku pro dosažení funkční bezpečnosti pouze s ohledem na elektromagnetický jev. Tato metodika zahrnuje důsledek, který má elektromagnetický jev na zařízení použitá v takových systémech a instalacích. Norma se použije na systémy a instalace souvisící s bezpečností, které zahrnují elektrické/elektronické/programovatelné zařízení instalované a používané v souladu s provozními podmínkami. V normě je dále zvažován vliv elektromagnetického prostředí na systémy se vztahem k bezpečnosti, ale neřeší se zde přímé nebezpečí elektromagnetických polí na živé tvory.

Literatura:
[1] Německý odborný časopis pro elektrotechniku de, č. 5/2019, vydavatelství Hüthig & Pflaum Verlag GmbH München (www.elektro.net/heftarchiv).
[2] ČSN EN 61000-1-2:2017 Elektromagnetická kompatibilita (EMC) – Část 1-2: Obecně – Metodika pro dosažení funkční bezpečnosti elektrických a elektronických systémů s ohledem na elektromagnetické jevy.

---

Vyšlo v časopise Elektro č. 2/2020 na straně 15.
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.