Schirmung 2012 - Luxus oder kluge Praxis
Gut beschirmt
Die strukturierte Verkabelung im LAN feierte im abgelaufenen Jahr ihren 18. Geburtstag - als Stichdatum soll das Erscheinen des ersten DIS 11801 von 1993 gelten. Zu den Benimmregeln der jungen Jahre zählte neben sich regelmäßig verschärfenden übertragungstechnischen Anforderungen immer wieder auch die Schirmung. Wie bei einer natürlichen Person stellt sich der Volljährigen nun die Frage, ob diese Regeln der Kindheit weiter Beachtung verdienen oder aber dank der erlangten Reife nun etwas toleranter ausgelegt werden können.Abgesehen von der weltweiten Präferenz für ungeschirmte UTP-Datenkabel, die offenbar ganz ohne Schirm auskommen, fragt sich die junge Erwachsene vielleicht, warum das Netzwerk überhaupt Schirmung benötigt, wenn man dies in der Praxis kaum merkt. Viele Anwender können von Problemen mit gestorbenen Festplatten berichten, kaum einer jedoch von EMV-bedingten IT-Systemausfällen. Der Grund liegt in der statistischen Natur von EMV-Störungen einerseits und dem fehlertoleranten Ethernet-Protokoll andererseits. Untersuchungen an Störszenarien haben bereits Ende der 90er offenbart, dass ein Nutzer die durchaus alltäglich auftretenden EMV-Störungen wie eine hohe Netzlast wahrnimmt. Durch EMV zerstörte Oktets interpretiert Ethernet als Kollision, nicht unterscheidbar von einem intensiven Netzzugriff mit anschließender Kollisionsbehandlung. Dies kann tatsächlich zu einem totalen Netzausfall führen, passiert aber zu selten, als dass der Nutzer ein Problem "fühlt".
Die beschriebenen Erfahrungen haben Anwender mit Applikationen wie 100Base-TX oder 1GBase-T gesammelt, deren spektrale Empfindlichkeit gegenüber EMV-Störungen vergleichsweise anspruchslos ist gemessen an der Verletzlichkeit von 10GBase-T, das durch Kunstgriffe in der Signalverarbeitung hochbandbreiteneffizient gemacht wurde, allerdings um den Preis minimaler Signalpegel, die umso leichter durch Interferenzen aller Art vollständig überlagert werden können. Folgerung: Es ist nicht die Zeit, in Sachen Schirmung Kompromisse zu machen.
Bei der Planung einer neuen passiven Datennetzinfrastruktur spielen der Investitionsschutz und in diesem Zusammenhang auch die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eine wesentliche Rolle. Idealerweise erstellt ein herstellerunabhängiger Fachplaner ein wirtschaftlich sinnvolles Konzept und eine daraus resultierenden Planung mit Mengengerüstermittlung sowie ein Leistungsverzeichnis. Einen maximalen Investitionsschutz bieten auf dem Markt verfügbaren Produkte mit bestmöglicher Leistung. Dennoch findet man auf dem Markt zunehmend Projekte, bei denen abweichend vom Leistungsverzeichnis minderwertige Produkte aus Kostengründen verarbeitet oder die einzubringenden Datennetzsysteme nicht fachgerecht installiert werden.
Schirmung: die Basics
EMV-Störungen sind zum größten Teil elektrisch unsymmetrisch. Dies bedeutet: Eine Störquelle erzeugt eine Interferenz mit Bezug zur Erde als Gegenpol. Unabhängig von der Störursache kann eine symmetrische Verkabelung die Störung minimieren, wenn die beiden Leiter des symmetrischen Übertragungskanals gleich stark beeinflusst sind. Dies entspräche einer perfekten Symmetrie und würde bedeuten, dass die Störanteile sich gegenseitig aufheben. Bekanntlich gibt es aber nichts Vollkommenes, folglich erfasst der Kabelparameter TCL (Transvers Conversion Loss, Unsymmetriedämpfung) die Abweichung von der perfekten Symmetrie. Die führt zu einer Störunterdrückung von etwa 40dB, was oft nicht genug ist, um Betriebsstörungen zu vermeiden. Abhilfe schafft hier ein zusätzlicher Leiter, der idealerweise die Übertragungsleitungen vollständig (wie ein Rohr) umschließt. Die praktische Annäherung des Rohrs ist ein Geflecht, das einen entsprechenden Leiterquerschnitt schafft, ohne die Biegbarkeit des Kabels nennenswert zu verschlechtern. Das Bild links oben zeigt den Wirkungsmechanismus: Die elektrostatische Beeinflussung ist vollständig unterbunden (Faradayscher Käfig), magnetische Felder sind durch Gegeninduktion stark dezimiert, und hochfrequente Strahlungsfelder mit ihrer geringer Eindringtiefe erreichen gar nicht erst das Innere des abgeschirmtes Leiterkreises.
Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist für elektrische Einrichtungen schon seit Jahren ein Muss. Problematisch sind vor allem Störungen, die von außen auf das eigene System einwirken und damit zum Beispiel einen Systemausfall verursachen. In der Netzwerkumgebung befinden sich verschiedene hochfrequente potenzielle Störquellen im Frequenzbereich von 80,0 MHz bis 2,0 GHz, wie etwa Mobilfunk, stationäre Funk- oder Fernseh/Rundfunksender, Handsprechfunkgeräte und industrielle HF-Quellen. Eine Beeinträchtigung des IT-System erfolgt, sobald eines dieser Geräte einen Störimpuls erzeugt, der über die Schutzgrenze oder Immunität der Störsenke hinausgeht. Weitere typische externe Störquellen sind Elektrokabel sowie der Einschaltvorgang von Leuchtstofflampen.
Schirmungsklassen in der Kupferverkabelung
Um die Wirkung von Schirmung und Nicht-Schirmung beurteilen zu können, braucht es also Messgrößen, die einen Vergleich zulassen. Der so genannte Kopplungswiderstand - die klassischen Kabelkenngröße in Sachen Schirmung - hilft an dieser Stelle leider nicht, denn er ist für UTP-Kabel nicht definiert. Sein Vorzug besteht darin, dass er ausschließlich von den Konstruktionselementen des Kabels abhängt und sich unabhängig von Betriebs- oder Umgebungsaspekten angeben lässt. Je kleiner sein frequenzabhängiger Wert, desto geringer die Störspannung aufgrund eines auf dem Schirm fließenden Störstroms. IEC61156-5 unterscheidet ihn in Grade 1 (Kabel mit Geflecht) und Grade 2 (Kabel mit Folienschirm). Viele Anwender empfinden die Definition allerdings als zu abstrakt.
Speziell für die Belange der strukturierten Verkabelung ist daher in der Norm IEC62153-4-5 die Kenngröße Kopplungsdämpfung definiert, die eine Kombination aus der Wirkung des Schirms (sofern vorhanden) und der elektrischen Symmetrie der Leitungskreise definiert. Damit lässt sich die Kopplungsdämpfung als anwendungsnahe Simulation des Netzbetriebs ansehen, und jetzt trennt sich Spreu von Weizen: Tabelle 1 zeigt im Vergleich die Anforderungen an Kabel für strukturierte Verkabelungen, wobei die Zuordnung der Kabelbauformen zu den Leistungsklassen den typischen Messresultaten entspricht. Daraus wird deutlich, dass ein UTP-Kabel zwar Störspannungen um den Faktor 100 (= 40 dB) unterdrückt, ein S/FTP Kabel es aber auf den Faktor 30.000 (= 85 dB) bringt.
Relevanz der Trennklassen
Der vielbeachtete Installationsstandard EN 50174-2 liefert neben den allgemeinen Installationshinweisen bei der gemeinsamen Verlegung der Kabel für die Stromversorgung und die Informationstechnik Kriterien hinsichtlich der erforderlichen Abstände und zur Verwendung von Trennstegen bei Kabeltrassen. Die Trennung zwischen Daten- und Energiekabel ist in der letzten Fassung der EN 50174-2:2009 detailliert beschrieben, außerdem gib es dort die Anforderungen und Empfehlungen an ungeschirmte und geschirmte Kabel.
Die Anforderungen an den Trennabstand hängen ab von:
der Kopplungsdämpfung (Schirmqualität) der informationstechnischen Kabel,
dem Aufbau und der Anzahl der Stromkreise in Stromversorgungskabeln und
vom Vorhandensein von Trenneinrichtungen im Kabelführungssystem.
Die Mindesttrennanforderung A berechnet sich nach: A = S × P mit S = Mindesttrennabstand und P = Faktor für die Stromversorgungsverkabelung.
Ein Beispiel: Die Verkabelung und Anwendungen entsprechen EN 50173, das Kabel Kategorie 7, die Trennklasse "d", bei Kabelführung ohne Trennung ist S = 10 mm. 80 Prozent der eingesetzten Brüstungskanäle im Markt sind aus PVC, die Anzahl der Stromkreise im Kabelführungssystem ist 10, dies bedeutet P = 0,8 und damit A = S × P = 10 mm × 0,8 = 8 mm.
Bei der Erst- und Erweiterungsinstallationen sind folgende Fehlerquellen zu beachten, etwa nicht normkonforme Verkabelungen, wie sie das Bild unten zeigt, wo Daten- und Energiekabel zusammen gelegt sind. Nicht auszuschließen ist ein direkter Kontakt zwischen Daten und Energiekabel. Dieser entsteht bei Verwendung von Brüstungskanälen ohne Trennstege. Der Kontakt hängt von der Geräteentfernung im Brüstungskanal und der Kabelanzahl ab. Das Gewicht der oberen Kabelgruppe bewirkt einen Biegung nach unten und erzeugt den direkten Kontakt mit der unteren Kabelgruppe.
Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen
Es ist sinnvoll, einige beispielhafte Installationsszenarien in der Horizontalverkabelung zu betrachten, um sowohl die Eignung als auch die Kosten verschiedener Installationsvarianten zu beleuchten. Als Netzszenarien sollen drei nach Größe und Homogenität unterscheidbare Fälle dienen:
? Eine kleine, gemischte Installation, was allgemein bedeuten kann, dass die Verlegung in industrienahen Anwendungen mit teils hohe EMV-Belastung erfolgt. Das Verhältnis von Energiekabeln (Referenztyp 3 × 1,5 qmm) zu Datenkabeln ist 1:1.
? Eine mittlere Büroumgebung, heterogenes Standardnetz sowohl in der Niederspannungsverteilung als auch im LAN; das Verhältnis von Energiekabeln zu Datenkabeln ist 1:3.
? Ein Großraumbüro, hohe Verkabelungsdichte, Datenkabel dominieren die Infrastruktur und sind gegebenenfalls in separaten Strukturen verteilt; das Verhältnis von Energiekabeln zu Datenkabeln ist 1:5.
Die Verkabelungsklasse spielt bei dieser Betrachtung eine sekundäre Rolle. Das Beispiel geht jedoch von einer Klasse EA aus. Nach der künftigen EN50288-10-1 sind dafür Kabel zulässig, die entweder die Trennklasse c oder d erreichen. Davon hängt ab, wie die Kabelkanäle im Sinne der EN50174-2 auszustatten sind. Diese gilt es nun, in drei Varianten zu unter-scheiden:
ein klassischer einteiliger Kunststoffkanal, der sich mit Trennelementen teilen lässt,
ein Netzwerkkanal aus Kunststoff in Drei-Kammer-Technik und
ein metallischer Kabelkanal mit ebenfalls metallischem Trennsteg.
Beim kleinen und auch beim mittleren Büronetz tritt eine vergleichsweise hohe Verkabelungsdichte in der Niederspannungsverteilung auf. Der Einsatz kostengünstiger Datenkabel nach Trennklasse c erfordert dort entweder hinreichend großen Trennabständen oder die Verwendung metallischer Trennstege. Kostengünstige Kunststofftrennstege separieren zwar die Leistungsbündel, bewirken aber nicht die nach EN50174-2 zu fordernden Trennabstände. Metallische Trennstege in Kunststoffkanälen (Variante 1) schaffen die notwendigen Voraussetzungen, kosten aber mehr im Material und insbesondere in der Verarbeitung, da die Trennelemente in die Schutzerdung einzubeziehen sind. Deswegen ist diese Kanalform bestenfalls mit Kabeln der Trennklasse d geeignet.
Drei-Kammer-Netzwerkkanäle (Variante 2) schaffen mit großem Trennabstand zwischen den beiden Kabelbündeln die Voraussetzung zum Einsatz von Kabeln sowohl der Trennklasse c oder d und sind in beiden Fällen die kostengünstigste Lösung. Dabei ist allerdings anzumerken, dass die Trennung in drei Kammern bei verschiedenen Fabrikaten durch punktuell wirkende Kunststoffstege erfolgt. Sollten diese in zu großem Abstand eingebaut sein, ist eine Unterschreitung der Trennabstände von mehr als 50 mm nicht auszuschließen, weshalb auch an dieser Stelle eine Trennklasse d beim Kabel zu empfehlen ist.
Die Königsklasse bilden metallische Kanäle, die dann auch konsequenterweise mit metallischen Trennstegen ausgestattet sind. Damit vereinfacht sich die Erdungsaufgabe, da der gesamte Kanal geerdet ist. Elektromagnetische Trennung ist dadurch zu einem Höchstmaß verwirklicht und würde den Einsatz von Datenkabeln nach Trennklasse c erlauben. Es erscheint jedoch fragwürdig, im Kabelkanal ein hochwertiges Schirmungskonzept zu verfolgen und beim Kabel Kompromisse zu machen, denn spätestens an der Zuführung zum Etagenverteiler hat man es wieder mit Trennungsnotwendigkeiten zu tun, die dann wieder Kabel nach Trennklasse d erfordern.
Eine Sonderrolle nimmt die Verkabelung in großen Büroumgebungen ein. Unterstellt, dass die Niederspannungsverteilung in separaten Leitungswegen verteilt ist, kann man in diesem Fall mit dem klassischen Kunststoffkanal (Variante1) arbeiten, dennoch ist auch hier der Drei-Kammer-Kanal überlegen. Bei gleichen Verteilwegen für Daten und Niederspannung gilt die Bewertung wie für mittlere Büroumgebungen. Der metallische Kanal kann in dieser Umgebung, die durch vergleichsweise geringe Energiekabeldichte gekennzeichnet ist, seine Vorteile zur Trennung der Kreise nicht ausspielen und bewirkt auf das Datennetz bezogen höhere Kosten. In Tabelle 3 sind diese qualitativen Überlegungen zusammengefasst. Eine Vergleichsrechnung für mittlere Büroumgebungen mit 15 Datenleitungen zu marktüblichen Preisen für Kabel und Kanäle bestätigt, dass der Einsatz von Kabeln nach Trennklasse d in allen drei Kanalvarianten die niedrigsten Gesamtkosten bewirkt.
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