EMV und 10 Gigabit Ethernet nach IEEE 802.an

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1 EMV und 10 Gigabit Ethernet nach IEEE 802.an Technische Hintergründe, Fakten Wie technische Systeme zusammenwachsen müssen Autor: Thorsten Punke Dipl. Ing. Produkt Marketing EMEA A publication of Tyco Electronics

2 EMV und 10 Gigabit Ethernet Mit der Definition von 10 Gigabit Ethernet über Kupfer nach IEEE 802.3an ist ein großer Sprung nach vorne gelungen. Wie 1 Gigabit Ethernet vor 6 Jahren so stellt auch dieser Schritt gewisse Anforderungen an den physikalischen Layer, das Verkabelungssystem. Dabei zeigen sich jedoch gegenüber der Vergangenheit fundamentale Unterschiede die auch andere Disziplinen im Bereich der technischen Gebäudeausrüstung betreffen. Unterschiedliche technische Anlagen erfordern ein fächerübergreifendes Denken und Planen. Aus elektrischer Sicht ist das Stichwort EMV, welches mehr und mehr Beachtung findet und stärker als heute berücksichtigt werden muss. Die technische Wechselwirkung von technischen Systemen steht dabei im Vordergrund: Das betrifft besonders: Das Erdungs- und Potentialausgleichssystem Blitzschutzanlagen Alle metallene Teile die an den Potentialausgleich angeschlossen werden Die Stromversorgung Art der elektrischen Verbraucher IT System Mögliche elektrische Einstrahlungen bzw. Abstrahlungen Alle genannten Systeme stehen in einem Zusammenhang zueinander und dürfen nicht isoliert betrachtetet werden. Leider passiert das heute sehr häufig, da die Art von Ausschreibungen und wie Leistungen abgefragt werden dazu führt, dass einzelne Gewerke ausgeschrieben werden. Das kann dazu führen das erst viel später Inkompatibilitäten entdeckt werden. Das betrifft besonders Dinge wie z.b. Erdungssystem und speziell die Stromversorgung welche später nur aufwendig angepasst werden kann. Verschiedene Normen aus verschiedenen Bereichen geben dazu eine gute Hilfestellung sind aber zum Teil inkompatibel! Daher ist an manchen Stellen technisches Wissen und gesunder Menschenverstand notwendig. Ansonsten schafft man Anlagen und Systeme, die normgerecht nicht funktionieren oder erheblich Funktionsstörungen hervorrufen können. 2

3 Stromversorgung Die Grundlage für alle elektrischen Anlagen ist die Stromversorgung. Diese ist die Basis für eine Menge von Prozessen in Gebäuden, ob zuhause oder für geschäftlich genutzte Räume. Der Stromversorgung wird wenig Aufmerksamkeit geschenkt, was jedoch falsch ist! Die Stromversorgung verursacht weitaus mehr Probleme, als man vermutet und kann später nicht so einfach korrigiert werden. In vielen Ländern sind so genannte TN Systeme im Einsatz. Diese werden unterschieden in TN-C oder TN-C-S TN-S Des Weiteren gibt es noch TT und IT Systeme, die jedoch meistens in speziellen Bereichen eingesetzt werden. Dabei wurden bis vor wenigen Jahren TN-C und TN-C-S Anlagen verbaut. Bild 1: Netzform TN-C und TN-C-S Diese Anlagenform ist jedoch heute aus Sicht der EMV ungeeignet. Der Grund sind Ströme auf dem PE sowie allen Komponenten, die an den Potentialausgleich angeschlossen sind. Zusätzlich taucht noch ein weiteres, gewachsenes Problem auf, Oberwellen im Rückstrom. Das ist auf den großflächigen Einsatz an Schaltnetzteilen zurückzuführen. Diese sind nahezu überall zu finden. Computer Leuchtstofflampen mit EVG Antriebe von elektrischen Maschinen Oberwellen und Rückströme über den Schutzleiter führen zu einer Vielzahl von ungewollten Problemen Defekte Schaltnetzteile Korrosion an Rohrleitungen Unmotiviertes Verhalten von Alarmanlagen Kuriose Phänomene in der EDV 3

4 Der einzige Weg zu einer modernen und auch IT gerechten Stromversorgung ist eine TN-S Form. Dabei gibt es im gesamten Netz nur eine Verbindung zwischen PE und N. Diese sollte direkt nach der Einspeisung bzw. nach dem Transformator erfolgen. Danach gibt es nur noch 5 Leiter im Netz und keine weiteren Verbindungen zwischen PE und N mehr. Daher wird das Netz auch 5 Leiter Netz genannt. Eine Diskrepanz gibt es an dieser Stelle zwischen den Standards VDE 0100 sowie EN und EN VDE 0100 lässt beide Netzformen zu und gibt keine klare Empfehlung zu einer EMV gerechten Netzform. EN sowie EN Bild 2: TN-S Netzform kommen hingegen von der IT Seite und empfehlen klar und deutlich die TN-S Form. Doch auch hier fehlt leider die Muss Empfehlung. Speziell für Neubauten sollte aber an dieser Stelle nur noch die TN-S Form ausgeschrieben werden, da die Bedeutung der EMV noch zunehmen wird. Erdungssystem und Potentialausgleich Erdung und Potentialausgleich haben grundsätzlich eine wichtige Hauptaufgabe. Das Retten von Menschenleben im Falle eines Fehlers in einer elektrischen Anlage. Diese Hauptaufgabe ist in vielen kleinen Schritten um eine weitere Aufgabe gewachsen; eine hochwertige Basis für die EMV. Aufgrund der Vielzahl von elektrischen Systemen und Anlagen ist die EMV eine wichtige Disziplin geworden. Stand der Technik sind so genannte vermachte Systeme, was bedeutet dass das Erdungs- und Potentialausgleichssystem mehrfach verbunden ist und eine Art Käfig darstellt. Wichtig: Wir haben nur eine Erde. Alle Einrichtungen müssen das gleiche System benutzen. Eine Trennung ist nicht zulässig und führt zu unterschiedlichen Potentialen. Ein EMV gerechtes Erdungssystem sowie Potentialausgleichssystem ist unabhängig vom eingesetzten Medium der IT Verkabelung. Daher ist es egal, ob LWL, STP oder UTP eingesetzt wird. Mit 10 Gigabit Ethernet sind alle Kupfersysteme abhängig von einem funktionsgerechten System, auch UTP Systeme!!! (Seite8) 4

5 Alle leitenden Komponenten müssen in den Potentialausgleich eingebunden und ebenfalls mit dem Erdungssystem verbunden werden. Sämtliche Verbindungen müssen niederohmig Bild 3: Erdungssystem während der Bauphase (Obo Bettermann) sein und sollten eine möglichst geringe Eigeninduktivität haben. In der EN sind dazu einige grundsätzliche Hinweise gegeben. Dabei ist auch eine Mischung aus sternförmiger und vermachter Anbindung möglich. Das sollte in jedem Projekt je nach Begebenheit entschieden. Bild 4: EN

6 Dabei sollte auf jeder Etage oder bei Gebäuden mit einer großen Grundfläche auf eine entsprechende Anzahl von lokalen Anschlusspunkten für den Potentialsausgleich geachtet werden. Entsprechende Systeme sind von diversen Herstellern im Angebot. Bild 5: Anschlußpunkt lokaler Potentialausgleich (Obo Bettermann) Auch der Blitzschutz muss in den Potentialausgleich angeschlossen werden. Dabei ist jedoch der interne Blitzschutz erheblich wichtiger als der externe, da die meisten Schäden indirekt verursacht werden. Jeder Blitz verursacht eine elektromagnetische Welle. Diese Welle trifft das Gebäude, und wird in alles elektrische Leitende eingekoppelt. Das Schützen von elektrischen Anlagen mit Überspannungseinrichtungen ist grundsätzlich hilfreich, muss aber richtig vorgenommen werden. Häufig werde TK Leitungen vergessen, was sich nach einem Blitzeinschlag in defekten TK Leiterschleife Blitzstromableiter Parallel geführte Leitungen Ports äußert. Auch Switch Ports können dadurch betroffen sein. Dabei sollten die Ports geschützt werden, die die größte Bedeutung haben. Der größte Schwachpunkt aus Sicht einer elektrischen Leitung sind ungeschirmte Leitungen, da Bild 6: Elektromagnetischer Impuls (Obo Bettermann) sie keinen Schutz bilden. Das betrifft Energiekabel genauso wie UTP Systeme. Wie stark sich das auswirkt, ist in Tabelle 2 auf Seite 8 zu erkennen. Der Twist kann solche Energiemengen nicht kompensieren. Die elektrischen Daten eines Blitzes sind gewaltig. In einem Zeitraum von ca. 0,3 ms können Spitzenströme von bis 200 KA fließen. Die Spannung beträgt dabei bis zu 400 MV. 6

7 EMV und 10 Gigabit Ethernet Die elektromagnetische Welle ist grundsätzlich ein Thema mit zunehmender Bedeutung. Jeder stromdurchflossener Leiter erzeugt ein Feld, welches abgestrahlt und in ein anderes Gerät eingekoppelt werden kann. Das betrifft auch Wellen von Telefonen, Radio, TV, Radar Anlagen sowie Funktechniken im LAN (W-LAN, Bluetooth). EMV in Gebäuden bedeutet dass alle Systeme so funktionieren müssen, dass sie selber andere Geräte und Systeme nicht stören (Störaussendung) und in ihrer eigenen Funktionsfähigkeit nicht gestört werden können (Immunität). Mit 10 Gigabit Ethernet über Kupfer ist das Thema EMV wichtiger denn je und einige Dinge müssen dabei bedacht werden. Das betrifft vor allem die Benutzer von UTP Systemen. Switch NIC 2.5 Gbit/s 10 Gbit/s Digital Signal Processor (DSP) 2.5 Gbit/s 2.5 Gbit/s Digital Signal Processor (DSP) 10 Gbit/s 2.5 Gbit/s Bild 7: Technikmodell 10 Gigabit Das Technikmodell von 10 Gigabit Ethernet ist ähnlich dem von 1 Gigabit Ethernet. Auf 4 paaren werden jeweils vollduplex 2,5 Gigabit/s übertragen. Neue ist jedoch der erheblich erweiterte Frequenzbereich von 62 MHz auf ca. 500 MHz. Das führt grundsätzlich zu drei neuen Parametern: ANEXT Background Noise AEFEXT norm (Under development) Zusätzlich ist die Art der Installation einer strukturierten Verkabelung wichtiger als zuvor. Dabei zeigt sich jedoch ein eklatanter Unterschied zwischen geschirmten und ungeschirmten Systemen. ANEXT und Background Noise sind Probleme der EMV. Hier zeigt sich sehr eindrucksvoll die Wirkung einer Schirmung. 7

8 Bitrate Länge Medium ANEXT Reserve EMV Faktor Background Noise Reserve 10G 100m Kat 7 Geschirmt 25dB 80dB 10dB 10G 100m Kat 6 Geschirmt 15dB 60dB 0-5dB 10G 55 (33)m Kat 6 UTP Fehler 40dB Zusätzliche Maßnahmen notwendig! 10G 100m Kat 6 A UTP 0dB 40dB Zusätzliche Maßnahmen notwendig! Tabelle1: EMV Eigenschaften von Verkabelungssystem Während alle heutigen geschirmten Kategorie 6 und 7 Systeme die Anforderungen von IEEE an und ISO bis 100m erfüllen, sind UTP Systeme in der Lage ca. 33m zu garantieren. Danach ist eine Übertragung nicht mehr möglich. ANEXT ist ein übersprechen zwischen Kabeln und Komponenten. Das kann nur durch einen Schirm oder größeren Abständen gewährleistet werden. Geschirmte Systeme erfüllen die Grenzwerte mit ausrechender Marge, quasi ab Werk. Noch gravierender ist die EMV Performance bezüglich Background Noise. Dieser Parameter ist seitens IEEE an definiert. Der Errichter bzw. der Hersteller der Verkabelung muss sicherstellen dass ein Grenzwert von - Bild 8: ANEXT and background noise 150 dbm/hz nicht überschritten wird. Das ist nur mit einer Schirmung möglich! Entweder im Kabel oder extern z.b. mit einem Kabelkanal aus Metall. Entsprechende Hinweise werden sich auch in den zukünftigennormen wiederspiegeln. Warum ist Background Noise wichtig? Wie schon erwähnt wird für 10 Gigabit Ethernet ein Frequenzband bis 500 MHz benutzt. Damit ist grundsätzlich eine Überschneidung mit allen Systemen möglich, die im gleichen Band arbeiten: Radiostation Fernsehsender Telefonsysteme Störaussendungen anderer Quellen im Gebäude Bild 9: ANEXT Performance Kategorie 7 System Der Parameter der die Immunität eines Verkabelungssystems beschreibt ist Coupling Attenuation oder Störleistungsunterdrückung. Wie in Tabelle 1 zu sehen zeigt sich hier ebenfalls ein erheblicher Unterschied. Speziell Kategorie 7 Systeme erfüllen die notwendigen Vorgaben. Das hat in der Praxis eine wichtige Bedeutung. Die Installation kann 8

9 wie heute durchgeführt werden. Zusätzliche Maßnahmen sind nicht notwendig. Für UTP sind zusätzliche Schirmungsmaßnahmen notwendig. Zusätzlich müssen Abstände zu Energiekabeln sichergestellt werden. Die EN gibt dazu folgende Abstände an: Art der Installation Abstand ohne Trennsteg oder nichtmetallener Trennsteg Trennsteg aus Aluminium Trennsteg aus Stahl Ungeschirmte Stromversorgungsleitungen und ungeschirmte informationstechnische Kabel Ungeschirmte Stromversorgungsleitungen und geschirmte informationstechnische Kabel Geschirmte Stromversorgungsleitungen und ungeschirmte informationstechnische Kabel Geschirmte Stromversorgungsleitungen und geschirmte informationstechnische Kabel 200mm 100 mm 50 mm 50 mm 20 mm 5 mm 30 mm 10 mm 2 mm 0 mm 0 mm 0 mm Tabelle 2: Geforderte Abstände zwischen Energie und Datenkabeln EN Die EN wird zurzeit überarbeitet und neuere Erkenntnisse werden einfließen. Das betrifft vor allem UTP Systeme, da ein zusätzlicher Schutz notwendig ist. Nur durch diesen zusätzlichen Schutz sind die Vorgaben von IEEE an einzuhalten. ISO/IEC definiert im Gegenzug die Coupling attenuation, die die Fähigkeit beschreibt, Störleistungen zu unterdrücken. Das ist genau der Punkt, warum die Stromversorgung wie auch das Erdungssystem EMV gerecht sein müssen. Ströme auf dem PE würden beim UTP System über die Metallkanäle fliessen, beim STP System über den Schirm. Interessant ist an dieser Stelle, welchen Einfluss ein Schirm auf den Blitzschutz hat. Dazu ist in IEC /FDIS der Faktor P M definiert. P M ist ein Wahrscheinlichkeitsfaktor das eine Störung in der elektrischen Anlage auftritt, wenn ein Blitz in der Nähe des Gebäudes einschlägt. P M = Ks 1 +KS 2 +KS 3 KS 3 ist dabei der Einfluss der internen Verkabelung. Art der inneren Verkabelung Ungeschirmte Kabel Keine Vorkehrungen zur Vermeidung von Induktionsschleifen 1 Ungeschirmte Kabel Mit Vorkehrungen zur Vermeidung großer Induktionsschleifen 0,2 Ungeschirmte Kabel Mit Vorkehrungen zur Vermeidung von Induktionsschleifen 0,02 Geschirmte Kabel mit Schirmwiderstand R 5 Ώ /km 0,1 Geschirmte Kabel mit Schirmwiderstand 1<R 5 Ώ /km 0,02 Geschirmte Kabel mit Schirmwiderstand R 1 Ώ /km 0,01 Tabelle 3: Faktor KS 3 nach IEC Hier zeigt sich eine Differenz in der Größenordnung vom Faktor 1000! Der Grund ist der Schirm, der in der Lage ist, ein Teil der Energie gegen Erde abzuleiten. Der Twist bei UTP Kabel ist als Maßnahme zu schwach um wirkungsvoll Einfluss nehmen zu können. Viel schlimmer ist die Tatsache, dass ab einer gewissen induzierten Spannung, die Ports auf KS3 9

10 beiden Seiten zerstört werden können. Das zeigen auch diverse Testergebnisse in unabhängigen EMV Labors. Während alle geschirmten Kategorie 6 und 7 Systeme 10Gigabit ready sind, versuchen die meisten UTP Hersteller das ANEXT zu verbessern. Das geht jedoch wie schon beschrieben nur durch vergrößern. Das Ergebnis sind Kabel mit Durchmessern von bis zu 9mm! Das gleiche gilt auch für die Patchkabel, da sie Cat 5e UTP Cat 6 UTP Cat 6 FTP Cat 6A UTP Kabeldurchmesser diverser Bauarten den gleichen Kabeltyp besitzen und auch mit Drähten ausgestattet sind. Damit sind die UTP Kabel erstmalig dicker als geschirmte Kabel. Das hat zur Folge dass der Füllgrad im Kabelkanal mit neuen UTP Kabel erheblich ansteigt. Diese Maßnahmen führen jedoch gerade dazu, die ANEXT Kriterien mit einer schwarzen Null im Labor zu erreichen. Gegenüber dem letzten Draft von ISO/IEC wird eine Reserve von entweder 0 db garantiert, oder es werden erst gar keine Angaben gemacht. Medium Linklänge Bemerkung Kategorie 6 UTP 33m 55m wenn ANEXT Forderung erfüllt Kategorie 6 STP 100m Keine Einschränung Kategorie 7 STP 100m Keine Einschränkung Garantierte Linklängen nach IEEE 802.3an für bestehende Systeme Kategorie 6 STP Systeme haben eine Reserve von ca. 10 db und Kategorie 7 Systeme von 20 db und mehr. Das ist auch unabhängig nachgewiesen. So hat AMP Netconnect schon vor längerer Zeit, die geschirmten Systeme überprüfen lassen. Dabei ist auch das ANEXT im 6 around 1 Modus getestet worden. Das bedeutet, dass ein Kabel im schlimmsten Fall von 6 umliegenden gestört werden kann. Es zeigen sich Margen von 10 db bis 25 db. Wichtig ist jedoch, dass kein UTP System, in gewisen Unabhängiges Testzertifikat mit ANEXT Betriebszuständen, die Background Noise Anforderungen von IEEE an erfüllt. Es sind auf jeden Fall Zusatzmaßnahmen erforderlich! In der Praxis sind das geschlossene Metallkanäle. Auch die erwähnten Sicherheitsabstände zu Energiekabel sind zu beachten. Die Normierungsgremien erweitern zurzeit die Linkklassen E und F. Daher wird es einen Anhang mit den folgenden Definitionen geben: Linkklasse E A bis 500 MHz Linkklasse F A bis 1000 MHz. Eigentlich unnötig, da die Linkklasse F alle Anforderungen erfüllt. In den USA ist die Kategorie 7 jedoch nicht definiert, da diese nur geschirmt definiert ist. Um die neuen Anforderungen besser abgrenzen zu können, hat man sich auf den Anhang geeinigt. 10

11 Zusammenfassung EMV und 10 Gigabit Ethernet sind Themen die sich nicht mehr ohne weiteres trennen lassen. Dabei zeigt sich, dass UTP Systeme aufgrund des fehlenden Schirms, wichtige Anforderungen nicht erfüllen. Neben dem ANEXT betrifft das vor allem Umgebungsstörungen, welche einen erheblichen Einfluss haben. Nur durch zusätzliche Maßnahmen ist es überhaupt Bild 6: 42 V Automobilsteckverbinder möglich, UTP Systeme für 10 Gigabit betriebssicher zu machen. Gravierend ist die Tatsache, dass die europäische EMV Richtlinie nicht erfüllt wird.verlegung, Kabeldurchmesser sowie die eigentliche Installation zeigen mehr als deutlich die Vorteile eines geschirmten Systems. Weltweit ist selbst in den ungeschirmten Ländern ein Trend zu geschirmten Systemen festzustellen. Sogar im Mutterland, den USA ist eine rege Diskussion in Gange und offenbart den technischen Unterschied. Besitzer von geschirmten Klass E / Kategorie 6 und Klasse F/ Kategorie 7 Systemen können der Entwicklung gelassen entgegen sehen, da diese alle Anforderungen erfüllen. Das zeigt auch den erblich höheren Investitionsschutz solcher Systeme, besonders von offenen Systemen wie z.b. dem AM CO Plus System. Dieses System erfüllt neben der neuen Linkklasse E A auch die Linkklasse F A. Standards und technische Entwicklungen bleiben nicht stehen. Der immer höhere Grad der Komplexität an die EMV in Gebäuden erfordert geeignete Maßnahmen. Eine ähnliche Entwicklung war vor Jahren in der Automobilindustrie zu beobachten. Nach schlechten Erfahrungen ist man heute bei LWL und geschirmten Systemen angekommen. Eine wichtige Hauptaufgabe haben dabei das Erdungssystem sowie die Energieversorgung. Eventuelle Schwachpunkte wirken sich negativ auf eine Vielzahl von Systemen aus. Speziell bei neuen Gebäuden lassen sich mit sehr wenig Aufwand, viele Probleme vermeiden. Auch bestehende Gebäude lassen sich für ein paar tausend Euro umrüsten. Da meistens die Netzform der Energieversorgung das Problem darstellt, bieten diverse Unternehmen Power Audits an. Das ist die beste Lösung, da dann die Ursache und nicht die Wirkung bearbeitet wird. Für UTP Systeme ist 10 Gigabit Ethernet technologisch in der jetzigen Definition fast das Aus! Zu viele Schwachpunkte und das nicht Erfüllen der derzeitigen technischen Anforderungen zeigen auch in den traditionellen UTP Ländern ihre Wirkung. Geschirmte Systeme sind auf dem Vormarsch. Ein LWL ist sowieso die beste Option, wenn es um EMV 11

12 und Länge geht. Daher ist es auch die 1 Wahl bei Campus und Backbone Installationen. Aufgrund von Entwicklungen wie z.b. Power over Ethernet sowie die Preise der Switch Ports ist das Medium Kupfer weiterhin die erste Wahl bei der Horizontalverkabelung. Für weiterführende Informationen kontaktieren Sie bitte Ihr zuständiges AMP NETCONNECT Büro: Tyco Electronics AMP GmbH Tyco Electronics Österreich GmbH Tyco Electronics Logistics AG, Werk Steinach AMPérestraße 7-11 Pilzgasse 33 AMPérestraße 3 D Langen A-1210 Wien CH-9323 Steinach Tel : Tel: Tel: Fax: Fax: Fax: Support.de@ampnetconnect.com support.at@ampnetconnect.com support.ch@ampnetconnect.com PDF 11/ Tyco Electronics Alle Rechte vorbehalten AMP NETCONNECT, Tyco Electronics und das TE Symbol sind Warenzeichen. 12