Geschirmte Kabel, Leitungen und Verbindungssysteme mit EMV-Schutz in industriellen Anwendungen

Warum ist ein EMV-Schutz wichtig?

Heutzutage ist es schwierig, ein Produkt bzw. eine Industrieanlage ohne moderne Verkabelungstechnik zu finden oder zu realisieren. Überall spricht man von Industrie 4.0, Big-Data und vollautomatisierten Prozessen.

Teile dieser Prozesse werden dann von Frequenzumrichtern, Transformatoren, elektrischen Schaltern und Kommunikationsgeräten verwaltet oder gesteuert.

Solche Schaltvorgänge beinhalten allerdings immer das Risiko von Störungen. Es erfordert Präzision und die Auswahl der richtigen Komponenten, um die Maschine einwandfrei am Laufen zu halten.

Ziel ist es, dass alle Prozesse reibungslos und fehlerfrei funktionieren. Denn was als Interferenz im Radio allenfalls nur störend ist, kann im Kontext der Medizintechnik als Systemausfall unter Umständen weitaus dramatischere Folgen mit sich bringen.

Dies ist der Grund, warum in industriellen Umgebungen eine immer höhere Sicherheit gegen elektromagnetische Störungen gefordert wird. Die sogenannte Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).

 

Wie funktioniert EMV?

Eine elektromagnetische Störung geht immer von einer Störquelle aus. Hierbei kann es sich um ein Betriebsmittel handeln, das einen großen Strom führt, wie zum Beispiel ein frequenzgesteuerter Motor oder auch eine Leitung.

Der Störquelle steht ein gestörtes Betriebsmittel, die sogenannte Störsenke, gegenüber. Bei der Störsenke kann es sich zum Beispiel um einen Sensor oder eine Datenleitung handeln.

Der dazwischen befindliche Kopplungsmechanismus verursacht die Störungen. Dieser wird in vier verschiedenen Kopplungsarten unterschieden:

Grafik 1 EMV Stoerquelle Stoersenke DE DE
  • Galvanische Kopplung
    Störquelle und Störsenke sind, zum Beispiel durch einen gemeinsamen Erdungsleiter, miteinander verbunden. Ein Störstrom über den gemeinsamen Erdungsleiter verursacht elektromagnetische Störungen.
  • Kapazitive Kopplung
    Störquelle und Störsenke sind nah beieinander, allerdings nicht physisch miteinander verbunden. Bei der kapazitiven Kopplung entsteht die elektromagnetische Störung (EMS) durch das elektrische Feld.
  • Induktive Kopplung
    Auch bei der induktiven Kopplung befinden sich Störquelle und Störsenke nah beieinander, sind aber nicht miteinander verbunden. Die Störung entsteht hier jedoch durch das magnetische Feld.
  • Strahlungskopplung
    Die Strahlungskopplung entsteht in der Regel, wenn Störquelle und Störsenke weit voneinander entfernt sind und die Leiter letztendlich als Antennen fungieren und die Störung durch elektromagnetische Strahlung verursachen.

In der Praxis handelt es sich meist um eine Mischung aus diesen 4 Kopplungsmechanismen, die, zum Beispiel durch den Einsatz geschirmter Kabel, eliminiert werden müssen.

 

Was ist die EMV-Richtlinie?

In der EMV-Richtlinie 2014/30/EU, Artikel 3, ist die elektromagnetische Verträglichkeit definiert als:

„[…] die Fähigkeit eines Betriebsmittels, in seiner elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu arbeiten, ohne elektromagnetische Störungen (EMS) zu verursachen, die für andere in dieser Umgebung vorhandene Betriebsmittel unannehmbar wären.“

Dieser Definition zufolge hat EMV zwei wesentliche Aspekte:

  • Das Betriebsmittel soll keine elektromagnetischen Störungen verursachen.
  • Das Betriebsmittel soll durch seine Umgebung nicht elektromagnetisch gestört werden.

 

Wie wird der EMV-Schutz gemessen?

Der EMV-Schutz wird mit Hilfe des Kopplungswiderstandes [mΩ/m] und/oder der Schirmdämpfung [dB] gemessen und angegeben. Der Kopplungswiderstand von Kabeln und Leitungen wird üblicherweise bei einer definierten Frequenz von 30 MHz angegeben. Für hohe Frequenzen ab 50 MHz wird hingegen die Schirmdämpfung herangezogen.

Kopplungswiderstand und Schirmdämpfung können nicht berechnet werden. Das bedeutet, dass die Werte nur über Messungen zu ermitteln sind. Für die Ermittlung der Werte wird die in der Norm EN 50289-1-6 definierte Triaxial-Messrohr-Methode angewendet.

 

Was bedeutet das EMV-Gesetz für Kabel, Leitungen und Steckverbinder?

LAPP bietet Ihnen unter anderem Kabel, Leitungen und Steckverbinder an. Diese sind im Sinne des Gesetzes für elektromagnetische Verträglichkeit von Betriebsmitteln laut Definition „Bauteile ohne direkte Funktion“. Diese Bauteile fallen nicht unter die EMV-Richtlinie 2014/30/EU und erhalten deshalb keine CE-Kennzeichnung mit Bezug auf die EMV-Richtlinie.

Die CE-Markierungen, die Sie dennoch auf LAPP-Produkten wiederfinden, beziehen sich unter anderem auf den Nachweis der CE-Konformität nach Niederspannungsrichtlinie, RoHS und CPR CE.

 

Normative Anforderungen an den EMV-Schutz bei Kabeln, Leitungen und Steckern

Kabel, Leitungen und Steckverbinder finden also nur wenig Erwähnung in der EMV-Richtlinie. Für diese Bauteile gelten daher oftmals besondere, vor allem normative EMV-Anforderungen wie zum Beispiel die aus der Bauart-Norm DIN EN 50525-2-51:2012.

Diese Norm fordert den Nachweis für die Einhaltung einer Mindesteffizienz des Kupferabschirmgeflechts für die geschirmte Ausführung von Kabeln. Diese Effizienz wird über den oben genannten Kopplungswiderstand abgebildet.

Normativ werden die geschirmten Ausführungen mit der Kennung H05VVC4V5-K bezeichnet. Im Lapp Kabelsortiment finden Sie dazu die Kabel:

TIPP: In der Artikelsuche finden Sie im Übrigen alle geschirmten Kabelausführungen auch mit Hilfe der Normkennung „H05VVC4V5-K“.

 

Wann sollten geschirmte Kabel und Leitungen eingesetzt werden?

Überall dort wo elektrische Motoren, Schalter sowie Kabel und Leitungen zur Energieübertragung eingesetzt werden, verursachen diese elektromagnetische Störungen. EMS können einen negativen Einfluss auf Datenkabel, Sensoren und ähnliche Betriebsmittel ausüben.

Das heißt im Umkehrschluss, dass Sie in all diesen störanfälligen Bereichen auf Anschluss- und Steuerleitungen oder auch auf Datenleitungen mit einem elektromagnetischen Schutz durch Schirmung setzen sollten.

 

Wie sind geschirmte Anschluss- und Steuerleitungen aufgebaut?

Prinzipiell gibt es bei Anschluss- und Steuerleitungen vier verschiedene Schirmungsarten. Drei dieser Schirmarten eignen sich besonders für den Einsatz mit EMV-Schutz:

  • Verzinntes Kupfergeflecht
    Eine gängige Methode, Leitungen abzuschirmen, sind Kupfergeflechte zwischen Adern und Manteln. Mit einem Bedeckungsgrad von rund 80 Prozent bildet das Kupfergeflecht eine effektive Barriere gegen elektromagnetische Felder. Erkennbar sind solche Kabel und Leitungen an der Abkürzung „C“ in der LAPP-Produktbezeichnung, z.B. ÖLFLEX® Classic 110 CY oder ÖLFLEX® Servo 719 CY. Kupfergeflechte können unterschiedlich geflochten sein, einer der entscheidenden Parameter ist dabei der Flechtwinkel. Bei hochdynamischen Anwendungen, beispielsweise der Verlegung der Leitung in einer Schleppkette, ist der Kupferdraht in einem steileren Winkel um die Adern gelegt, sodass er auf einer kürzeren Strecke eine volle 360-Grad-Windung um die Adern macht. Bei Roboterleitungen, die millionenfache Torsion aushalten müssen, sind Geflechte nicht ideal, weil darin mit der Zeit Lücken entstehen.
  • Umlegung mit Kupferdrähten
    Für bewegte Leitungen in der Robotik, bei der die Schirmung Torsion aushalten muss, wird oft eine Umlegung mit Kupferdrähten genutzt. Da die Kupferdrähte einer Umlegung alle parallel angeordnet sind, ergeben sich keine Probleme bei der Torsion der Leitung. Dafür ist der Schutz vor elektromagnetischen Störungen von umlegten Leitungen oft schlechter, da die Schirmdrähte sich nicht überschneiden. Erkennbar sind solche Kabel und Leitungen an der Abkürzung „D“ in der LAPP-Produktbezeichnung, z.B. ÖLFLEX® Robot 900 DP.
  • Aluminiumkaschierte Kunststoff-Folie
    Einzelne Adern oder alle Adern in der Leitung lassen sich mit alukaschierter Kunststofffolie umwickeln. Die Schirmung mit Kunststofffolie schützt Ihre Kabel und Leitungen vor allem bei höheren Frequenzen. Oft haben Leitungen auch mehrere Schirmungsarten, bspw. die ÖLFLEX® SERVO 2XSLCH-J mit aluminiumkaschierter Kunststoff-Folie und verzinntem Kupfergeflecht.

 

Wie sind geschirmte Datenleitungen aufgebaut?

Abbildung 5 Beispiel eines Netzwerkkabels mit EMV-Schirmung.

Abbildung 5 Beispiel eines Netzwerkkabels mit EMV-Schirmung.

Bei Datenleitungen gibt es prinzipiell dieselben Schirmarten wie bei Anschluss- und Steuerleitungen, allerdings sind bei Datenleitungen mit EMV-Schutz andere Abkürzungen in den Produktbezeichnungen üblich:

Verzinntes Kupfergeflecht                                                  „S“ (Screened)
Aluminiumkaschierte Kunststofffolie                               „F“ (Foiled)

 

 

 

Zusätzlich gibt es bei Datenleitungen zwei Besonderheiten in Bezug auf ihre Schirmart zum EMV-Schutz:

 

  • Ungeschirmt
    Datenübertragungen sind besonders störanfällig, weshalb Datenleitungen in der Regel immer geschirmt werden. Für bestimmte Anwendungsbereiche zur Signalübertragung gibt es mit der Abkürzung „U“ (Unscreened) besonders gekennzeichnete, nicht geschirmte Datenleitungen wie zum Beispiel das Cat.6-Netzwerkkabel ETHERLINE® LAN Cat.6 U/UTP 4x2xAWG24 LSZH, das Cat.5e Ethernetkabel ETHERLINE LAN Cat.5e SF/UTP 4x2xAWG24 oder unsere UNITRONIC® BUS ASI Leitungen für Vernetzungssysteme im Feldbereich.
  • Twisted Pair

    Eine weitere Bauart bei Datenleitungen sind die sogenannten Twisted Pair Leitungen. Hierbei werden einzelnen Datenpaare verdrillt. Die Verdrillung gewährleistet, dass sich Feldeffekte gegenseitig aufheben. Erkennbar sind diese Kabel an der Abkürzung „TP“ (Twisted Pair).

    Das Kabel ETHERLINE Cat 6a H 4x2xAWG22/1 SF/UTP wird zum Beispiel wie folgt aufgeschlüsselt: ScreenedFoiled/UnscreenedTwistedPair. Dieses Netzwerk-Kabel ist mit einem Drahtgeflecht und einer darunterliegenden aluminiumkaschierten Kunststoff-Folie um alle Adern geschirmt (Screened/Foiled). Die Aderpaare sind paarweise verdrillt und nicht mit einer zusätzliche Aderpaarschirmung ausgestattet (UnscreenedTwistedPair).

 

Wie können Kabel und Leitungen EMV-gerecht angeschlossen werden?

Wussten Sie, dass eine Schirmung keinen Effekt hat, wenn diese nicht geerdet ist? Der elektrische Widerstand zwischen Schirm und Erdpotential muss so gering wie möglich sein. Dafür ist eine möglichst große Kontaktfläche nötig. Ein Schirmgeflecht, das zu einem „Schweineschwänzchen (pigtail)“ verdrillt und nur über wenige feine Drähtchen an einem Punkt im Steckergehäuse fixiert ist, erzeugt im ungünstigsten Fall bereits auf kurzer Strecke eine hohe Impedanz. Daher ist diese Art der Erdung weniger geeignet.

Vielmehr sollte am Übergang von der Kabelverschraubung zum Stecker der Schirm rundum und ohne Lücken anliegen. Nur dann kann das Steckergehäuse als Faraday’scher Käfig wirken und Störsignale von außen sicher fernhalten. Außerdem ist es wichtig, dass diese optimale Schirmkontaktierung an beiden Enden der Leitung stattfindet und mit dem Erdpotential verbunden ist.

Unsere LAPP Kabelverschraubungen, wie z.B. der SKINDICHT® SHVE-M ermöglichen Ihnen einen niederohmigen 360-Grad-Schirmkontakt inkl. Zugentlastung und dadurch eine hohe Schutzart als Erdungs-Kabelverschraubung. Mit ihren Eigenschaften eignen sich die SKINDICHT® Kabelverschraubungen besonders gut in Umgebungen mit starken Vibrationen.

Für flexible Kabeldurchmesser sind Kabelverschraubungen der SKINTOP®-Serie besser geeignet. Diese zeichnen sich durch eine schnelle und einfache Montage sowie einen großen Klemmbereich aus. Die flexible EMV-Kontaktfeder stellt beim SKINTOP® MS-SC-M einen hochleitfähigen, niederohmigen Kontakt zu ihrem Kabelschirm her.

Für eine maximale Montagefreiheit eignet sich die SKINTOP® BRUSH Kabelverschraubung mit Tausenden von ringförmig angeordneten Bürstenhärchen. Der große, variable Klemmbereich macht die Montage, Demontage und Zuordnung einfacher und schneller. In einem einzigen Arbeitsgang wird die Leitung zentriert, fixiert, zugentlastet und hermetisch abgedichtet. Ströme, die durch Störsignale von außen induziert werden, fließen über die hoch leitfähige und 360 Grad umlaufende Bürstenschirmung effizient ab. Das ist besonders für die Übertragung empfindlicher Signale wichtig. Und egal, wie man Stecker und Leitung dreht und biegt, die Kontaktfläche zwischen Abschirmgeflecht der Leitung und Bürsteneinsatz der Kabelverschraubung bleibt unverändert gut.

Führen Sie Ihr Kabel oder Ihre Leitung durch lackierte oder pulverbeschichtete Gehäuse, bietet Ihnen die SKINDICHT® SM-PE-M mit Ihren Schneidkanten den optimalen Erdkontakt, indem sie sich beim Verschrauben durch die Isolierschicht des Gehäuses schneidet.

Warum sind Steckverbinder für den EMV-Schutz wichtig?

Jedes System ist nur so gut, wie sein schwächster Punkt. LAPP Steckverbinder-Systeme haben den Vorteil, dass alle Arten der oben genannten Schirmanschlusskonzepte genutzt werden. Sehr oft sind EMV-Kabelverschraubungen bereits im Steckverbinder integriert, bieten die Möglichkeit zur Anbindung eines Schutzschlauches und ermöglichen die Kontaktierung des Kabelschirms mit dem Arbeits- oder PE-Kontakt des Steckverbinder-Systems.

Das Standardgehäuse ist pulverbeschichtet mit einer nicht leitenden Dichtung zwischen den Gehäuseteilen, wodurch diese gegeneinander isoliert sind. EPIC® EMV-Steckverbinder bieten Ihnen eine 360-Grad-Abschirmung und eine vibrationssichere Schirmanbindung. Erkennbar sind die EMV-Steckverbinder an der metallisch leitenden, meist vernickelten Oberfläche. Die Dichtungen sind konstruktiv so gelegt, dass die beiden aufeinandergepressten oder verschraubten Gehäuseteile niederohmig mit Metall auf Metall kontaktieren. Das gleiche Prinzip gilt auch zur Kabelverschraubung sowie zur Montagewand hin.

Rechtecksteckverbinder besitzen eine integrierte BRUSH-Verschraubung. Der EPIC® ULTRA H-A3 und der EPIC® Ultra H-B6-24 sind deshalb einfach zu konfektionieren und für einen großen Kabelklemmbereich bei geschirmten Leitungen konzipiert.

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Abbildung 7 EPIC® ULTRA Steckverbinder

 

Benötigen Sie hingegen eine platzsparende Bauweise, zum Beispiel für den Einsatz in Servoantrieben, Aktoren und Sensoren, empfehlen wir Ihnen die POWER und SIGNAL Rundsteckverbinder von LAPP. Diese sind mit einer speziell abgestimmten EMV-Kabelverschraubung für Servo- und Datenleitungen ausgestattet.

Abbildung 8 EPIC(R) POWER LS1 SPEEDFLEX Rundsteckverbinder

Abbildung 8 EPIC(R) POWER LS1 SPEEDFLEX Rundsteckverbinder

 

 

Für vibrationssichere Verbindungen zur Stromversorgung eignen sich besonders die Rundsteckverbinder EPIC® POWER M17, EPIC® POWER LS1, EPIC® POWER LS1.5 oder EPIC® POWER LS3 mit integrierter EMV-Kabelverschraubung.

 

Für Sensor-, Feldbus-, Resolver- und Encoder-Leitungen bietet LAPP Ihnen zum Beispiel die EPIC® SIGNAL M17 oder EPIC® SIGNAL M23 Steckverbinder an.

 

Wie können ungeschirmte Leitungen und Kabel nachträglich EMV geschirmt werden?

Ist der Austausch einer ungeschirmten Leitung im System aus diversen Gründen nicht möglich oder müssen Leitungen bzw. Kabel nur in Teilabschnitten des Systems elektromagnetisch verträglich geschirmt werden, bietet sich neben den LAPP Schutzschläuchen auch die Ausstattung der Leitungen mit separat erhältlichen Kupfergeflechten (copper braids) oder eine Umwicklung mit dem 3M Scotch 1183 Abschirmband an. Für diese Systeme bietet Ihnen LAPP mit der SHIELD-KON® einen zweiteiligen Schirmanschluss für die Verbindung des Kupfergeflechtes an eine Gehäusewand oder einen Anschlusskontakt zum Durchschleifen des Kabelschirms.

 

Wie kann ein EMV-Schutz zusätzlich verbessert werden?

Für eine optimale Abschirmwirkung können Leitungen mit einem doppelten Schirm versehen oder aber in einem Kupfer- oder Stahlrohr verlegt werden. Unter EMV-Gesichtspunkten sind diese Schirmungen völlig dicht. Hierfür bietet Ihnen LAPP SILVYN® den optimalen EMV-Schutz. Der EMC AS-CU Schutzschlauch aus der SILVYN® Produktmarke ist ein Metallschutzschlauch mit Kupfergeflecht und daher für besonders raue Umgebungen mit hohen elektromagnetischen Anforderungen geeignet. Mit der SILVYN® MSK-M BRUSH Schlauchverschraubung mit EMV-Schutz und integrierter Zugentlastung vervollständigen Sie Ihr EMV- geschirmtes System.

 

Gibt es vorkonfektionierte Anschluss-, Steuer-, und Datenleitungen mit EMV-Schirmung?

Schlechte EMV ist häufig die Ursache von Montagefehlern. In der Industrie war es lange üblich, Leitungen und Stecker getrennt einzukaufen und erst beim Einbau in die Maschine oder Produktionsanlage zu verbinden – der Fachmann spricht von Konfektionieren.

Einer größeren Flexibilität stehen einige Nachteile gegenüber: Die Verarbeitungsqualität lässt oft zu wünschen übrig. Etwa, weil der Monteur beim Abisolieren zu tief schneidet und die Aderisolation verletzt oder die Schirmung nur punktuell mit dem Gehäuse des Steckers verbindet und so EMV-Probleme provoziert.

Deshalb geht der Trend zu fertig konfektionierten Leitungen, die wir bei LAPP unter dem Namen ÖLFLEX® CONNECT vertreiben. Leitung und Stecker sind bereits ab Werk verbunden, Kunden erhalten sogar komplett mit Leitungen und Schläuchen bestückte Schleppketten, auch das Engineering übernimmt LAPP. Der Kunde hat so die Gewähr, aus einer Hand stets die optimale Qualität zu bekommen, und er kann sich zudem auf seine eigentliche Arbeit konzentrieren, nämlich den Bau der Maschine.