Cisco MGX 8850 (PXM1E/PXM45)/Cisco MGX 8950/Cisco MGX 8830/Cisco MGX 8880 ハードウェア インストレーション ガイド
接地とボンディングの手法
接地とボンディングの手法
発行日;2012/02/04 | ドキュメントご利用ガイド | ダウンロード ; この章pdf | フィードバック

目次

接地とボンディングの手法

範囲

IEC 50[3] の用語解説

K.27 の用語解説

ボンディング網

デジタル システムの接地

Cisco MGX 製品のボンディングと接地

冗長電源での混合アース システムの配線

電流による電圧降下を低く抑える導体の特性

接地とボンディングの手法


この付録は、このマニュアルで説明する Cisco MGX スイッチ(MGX 8850(PXM45)、MGX 8850(PXM1E)、MGX 8950、および MGX 8830 マルチサービス スイッチ)およびゲートウェイ(MGX 8880 メディア ゲートウェイ)に適用されます。


この付録では、シスコ製機器の DC 電源、接地、および、ボンディングに関する手法と指針を紹介し、これらの手法の推奨理由を説明します。具体的には、Cisco MGX スイッチの DC 電源と接地ボンディングの手法を説明します。

また、この付録では、メッシュ ボンディングの原理と Cisco MGX スイッチで使用する接地帰路システムについても説明し、接地点の識別、接地方法、および機器への DC 電源の接続方法を示します。

この付録に記載している接地技術と電源技術の説明は、弊社の社内ドキュメントと技術資料、および次の標準文書から抜粋されたものです。

ITU-T 勧告 K.27(Bonding configurations and earthing inside a telecommunications building)

GR-1089-CORE(Electromagnetic compatibility and electrical safety―generic criteria for network telecommunications equipment)

範囲

ボンディングと接地に関するシスコの基本指針は次のとおりです。

安全性の確保と火災の回避

接地帰路を持つ信号通信系の実装

機器の障害とサービス中断の最小化

放射性および伝導性ノイズ生成の最小化と耐性の強化

静電気放電と雷による干渉に対する耐性の強化

この付録は上記の指針に基づき、関連する安全規格に準拠して、次の情報を提供します。

電気通信施設における Cisco WAN 機器のボンディングおよび接地

キャビネット、ケーブル トレイ、およびケーブル シールドによるシールド効果

ボンディングおよび接地網の確認および保守手法

さまざまな CBN ボンディング ポイント間に必要となる電圧値と抵抗値

IEC 50[3] の用語解説

IEC 50[3] で使用されている用語について解説します。

大地(アース)

電導体としての地球。大地のあらゆる地点における電位はゼロと見なされます。「グラウンド」と呼ばれることもあります。

接地電極

大地に直接埋め込み、電気的に大地に接続する 1 つの導電部品または導電部品のグループ

接地網

接地系の中で、接地電極とその相互接続から構成される部分

メイン接地端子

保護導体の接続に使用される端子。保護導体には、等位ボンディング導体や接地線が含まれます。

接地線

接地端子を接地電極に接続する保護導体

等電位ボンディング

各種の露出導電部材と外部導電部材を等電位にするための接続技術

等電位ボンディング導体

等電位ボンディングを実装する保護導体

中性線(N)

システムの中立点に接続され、電気エネルギーを伝送する導体

保護導体(PE)

次の部材を電気的に接続し、衝撃電流から保護するために必要な導体

露出導電部材

外部導電部材

メイン接地端子

接地電極

電源または人為的な中立点の接地ポイント

K.27 の用語解説

K.27 で使用されている用語について解説します。

 

ボンディング網(BN)

相互接続された一連の導電構造であり、DC~低 RF の周波数帯の電磁波から電子装置や人体を保護する電磁シールドを提供します。「電磁シールド」とは、電磁エネルギーを迂回、遮蔽、または抑止する構造一般を意味します。BN は通常、接地する必要はありません(この付録で紹介する実装方法では、すべての BN を接地します)。

共通ボンディング網(CBN)

電気通信施設内で効果的なボンディング/接地を実現するための主要手段。具体的には、計画的に(あるいは意図せずに)相互接続され、建物内の基盤 BN を形成する金属部材群のことです。CBN は次のような金属部材から構成されます。

構造スチールまたは補強ロッド

金属製の配管設備

AC 電源コンジット

PE 導体

ケーブル ラック

ボンディング導体

CBN は常にメッシュ型トポロジで形成され、接地網に接続されます。

メッシュ型 BN(MBN)

機器のフレームやラック、キャビネットなど、関連するすべての金属部材が CBN の複数のポイントに接続され、その総体が形成するボンディング網。DC 電源の帰路も接続されます。したがって、メッシュ型 BN は CBN を拡大したものと言えます。

分離ボンディング網(IBN)

共通ボンディング網や他の分離ボンディング網に単一接続点(SPC)で接続されるボンディング網。このマニュアルで紹介する IBN は、すべて SPC 経由で接地されます。

単一接続点(SPC)

IBN 内で CBN に接続される唯一のポイント。ポイントといっても単なる点ではなく、実際にはある程度の大きさがあり、複数の導体を接続できます。SPC は通常、銅製のバスバーとして実装されます。ケーブル シールドや同軸ケーブルの外部導体を SPC に接続する場合には、グリッド付きまたは薄板構造のフレームを使用します。

メッシュ型 IBN

IBN の一種。IBN の構成要素(機器フレーム)をメッシュ状に相互接続したボンディング網です。たとえば、キャビネットの並びに複数の相互接続を設けたり、機器の各フレームを機器の下に敷設した金属製グリッド(ボンディング マット)に接続してボンディングすれば IBN を形成できます。この場合、ボンディング マットは隣接する CBN から絶縁します。必要に応じてボンディング マットを垂直方向に拡張し、ファラデー ケージに近い効果を得ることも可能です。メッシュの目の大きさは、生成される電磁波の周波数帯によって異なります。

スター型 IBN

IBN の一種。クラスタ化された(またはネスト状に階層化された)複数の IBN が、1 つの共通 SPC に接続されたボンディング網です。

システム ブロック

フレームと導電部材が同じ BN を構成する機器のグループ

分離 DC 帰路(DC-I)

帰路が単一接続点で BN に接続される DC 電源システム。さらに複雑な構成も可能です(「ボンディング網」を参照)。

共通 DC 帰路(DC-C)

帰路がいくつものポイントで周囲の BN に接続される DC 電源システム。この場合の BN は、メッシュ型 BN または IBN です。前者は DC-C-MBN システム、後者は DC-C-IBN システムを形成します。さらに複雑な構成も可能です(「ボンディング網」を参照)。

図 C-1 は、ボンディング網のスター型トポロジとメッシュ型トポロジの概念図を示しています。

図 C-1 スター型トポロジとメッシュ型トポロジの概念図

 

ボンディング

この付録では、「ボンディングと接地」という表現を、大地に接続および接地される Bonding Network(BN;ボンディング網)の構築と保守の意味で使用しています。ここに出てくる BN は、Common Bonding Network(CBN;共通ボンディング網)、Mesh-BN(MBN;メッシュ型 BN)および Isolated Bonding Network(IBN;分離ボンディング網)全体を意味します。BN の頭文字は、接地接続があることを示しています。

BN の主な目的は、DC~ 低 RF 周波数帯の電磁波による悪影響から人体や機器を保護することです。そのような電磁波のエネルギーの発生源としては、雷、AC 電源障害、および DC 電源障害が挙げられます。デジタル機器からのクロック信号など、AC 電源高調波や機能発信源といったある程度の定常状態のソースが問題になる可能性は高くありません。

懸念の対象になる発信源をエミッタと呼びます。エミッタのエネルギーの悪影響を受ける人体や機器をサセプタと呼びます。

これらのエミッタとサセプタの関係は、伝達関数によって表されます 。BN は、この伝達関数で表される悪影響の大きさを許容レベル以下に抑制することを目的としており、伝達関数を小さくするには、BN の設計、具体的には MBN および IBN を適切に CBN に接続することによって実現できます。具体的な方法については後述します。

BN は、また、信号通信における帰路や接地帰路信号の接地、電源障害電流の経路としても機能します。大電流を流せる BN は、障害が発生した電源回路から速やかに電気を取り除くことができます。

デジタル システムの接地

Cisco MGX スイッチでは、48 VDC 帰路は原則的に、バックプレーンのフレームに直接接地します。この原則は、雷サージや電源サージによる過渡電流がバックプレーン経由で入ってくるのを抑制し、システムの動作異常やコンポーネントの破損を引き起こす可能性を抑制します。

このようにアナログ網の条件に基づいて接地を分離しても、現在の高速デジタル システムで発生する問題には対処できません。デジタル網では、通信速度の向上とシステム帯域幅の拡大によって問題になりうる周波数帯が広がった結果、マルチポイント接地で対処する必要があります。

分離は、電源側でなくインターフェイスの物理レベルで提供されています。

バス電流と、代表的にはシステムの 48 VDC 側との分離による寄生容量は、通信バスが分散して組み込まれているシステムのバックプレーンにとっては、大きな脅威になります。これらの影響を緩和するにはボンディングを行い、バックプレーン接地インピーダンスを可能な限り小さくする必要があります。DC 共通パスの分離に使用しているコンデンサは、バックプレーン構造の外側で RF 周波数帯に使用するのは適していません。したがって、分離は 48VDC のシャーシへの帰路となるマルチポイント接地と、Cisco 機器のバックプレーン レベルでの論理接地で実装すべきです。

これらの新しい試みについては、Bellcore GR-1089 の 1997 版、第 9 章に記載されています。この新しい考え方は、1991 年に発表された ITU-T K.27 勧告を発展させたものです。このメッシュ型 ボンディング網の新しい考え方は、デジタル回路の高速化につれて、世界中で受け入れられつつあります。過渡電流と雷サージによる誘導に対する CE マークの認定条件は、高インピーダンス(150 MΩ 以上)の接地線では満たせません。これらの標準接地線は、周波数 10 MHz 超で非常に高いインピーダンスを示します。

フレームの接地とメッシュ ボンディング網は、Bellcore 要件によると 60~100 GHz の周波数範囲で効果がなければなりません。30 Cm のワイヤのインダクタンスは 30nH です。リアクタンスは、周波数 30MHz では 2Ω になります。機器のアース電位は、アース点が機器の設置場所よりも数階下にある場合、この高インピーダンスによりアースの基準電圧から大きくずれることになります。この例で 4 階建ての場合、30 MHz の周波数妨害に対して、地表から機器までのインピーダンスは 1000Ω に達します。このため、マルチポイントのメッシュ ボンディング網を使用して、これらの励起電流を制御する必要があります。

機器バックプレーンの速度は、800 MHz 以上のカテゴリになります。最悪の場合を考慮して設計する必要があるため、高周波障害はさらに大きいものと考えられます。800 MHz では、わずか 25.4 Cm(10 インチ)のワイヤでもリアクタンスは 500Ω になります。平均的な同軸ケーブル のシールド完全性を維持するため、シールドの終端はグラウンド基準まで 50Ω 以下にする必要があります。この関係で重要なことは、800 MHz は E1/T1 のデータ速度ではありませんが、800 MHz での動作を危うくするような周波数妨害に対して、耐性の問題を少なくしておく必要があるということです。したがって、K.27 勧告でサポートされているマルチポイントの接地技術を用いる必要があります。K.27 は雷サージと過渡電流という狭い範囲について扱っていますが、同じ理論をさらに高い周波数の問題にも適用できます。周波数が高くなるほど波長は短くなり、ワイヤのリアクタンスは増加します。

必要なことは、バックプレーンにマルチポイント接地を行い、波長の 1/20 以内の間隔で 48 VDC の帰路をフレームへ直接戻すことです。フレームは順に分離メッシュ ボンディング マットに接続します。800 MHz では波長の 1/20 は 18.8 Mm となります。したがって、バックプレーンとキャビネット間で完全なマルチポイント接地を行うには、接地とボンディングをこの間隔で行う必要があります。従来の考え方に固執して、コンデンサを使って必要なボンディングを行うことは、この周波数帯では極めて難しく、さらに 2.1 KV の絶縁破壊電圧が必要なため、コスト高にもなります。

実験により理論を立証し、次の一般原則を導き出しました。これらの原則を適用した結論としては、CBN の導体数と相互接続数を増加させれば、適切なシールディングが得られるということです。感電という重要な問題については、次の実装原則を適用すれば、感電と機器障害を軽減することができます。

1. CBN のすべての要素を相互接続します。複数の相互接続による 3 次元的なメッシュ接続は特に効果的です。CBN の導体数と相互接続数を増加させてシールディング能力を強化し、シールディングの周波数上限を引き上げることができます。

2. 建物から外へ出る導線(接地線も含む)の出口ポイントは互いに接近させます。特に AC 電源の入り口と電気通信ケーブルの入り口、および接地線の入り口は互いに接近させてください。

3. 施設には、AC 電源と電気通信ケーブルの入り口にできるだけ近い場所にメイン接地端子を設けてください。メイン接地端子は次のものに接続します。

接地電極(最短距離で接続)

1 つ以上の接地電極

AC 電源供給の中性線(TN システムの場合)

直接またはアレスタ経由、または腐食を考慮した場合はコンデンサ経由による(ケーブルの入り口での)ケーブル シールド

4. CBN はメイン接地端子に接続してください。CBN とメイン接地端子間は複数の導体で接続することを推奨します。

5. CBN のシールディング機能を強化するため、CBN の以下の部分を相互接続することが重要です。

建物の金属構造部材。これには I 型梁やコンクリート補強材も含まれます。

ケーブル サポート、トレイ、ラック、配線管、および AC 電源コンジット

6. CBN 要素に近接させてケーブルを配線することにより、一般に、内部信号や電源ケーブルへの電力サージの結合が抑制されます。ただし、外部サージ ソースの場合、CBN の電流は周辺の CBN 導体で増大します。これは、避雷針の導体に当てはまります。このため、建物周辺にケーブルを配線しないようにしてください。回避できない場合、ケーブルを完全に覆う金属ダクトが必要になることがあります。通常、ケーブル トレイのシールディング効果が非常に有用です。ケーブルを完全に覆う金属ダクトまたはコンジットにより、ほぼ完璧なシールディングが得られます。

7. 鉄筋の高層ビルの場合、落雷に対する鉄筋のシールディング効果が役立ちます。フロア間でケーブルを延長する場合は、ビル中央付近にケーブルを配置することでシールディング効果を最大にすることができます。ただし、上記で述べたように、金属ダクトで覆ったケーブルはどの場所にも配置することができます。

8. 建物内の電気通信ワイヤに過電圧保護がある場合、ケーブル シールドと周囲の CBN に対して低インピーダンスで接続する必要があります。

9. 外部に電線があり落雷の危険性がある通信施設では、AC 電源の入り口に過電圧プロテクタを設置してください。これらのプロテクタは、低インピーダンスで CBN に接続する必要があります。

10. CBN の保護パスにある機械的接続が電気的には十分でない場合、外から見えるジャンパでバイパスしてください。これらのジャンパは、IEC の安全要件に準拠している必要があります。ただし、EMC 関連の用途では、低インピーダンスのジャンパにする必要があります。

11. 低インピーダンス パスをケーブル シールドと外部導体に並列に近接させて設置することにより、CBN を使ったケーブル シールドまたは同軸ケーブル両端の外部導体のボンディングが容易になります。つまり、電位差があれば電流の大部分は CBN の最も導電性のよい部分を流れます。検査のためにケーブル シールドをはずしたとしても、CBN 内の電流分布に対する影響は最小限になります。

メッシュ型 BN の主な機能は、CBN と複数の相互接続を行うのはもちろん、電気通信機器やその他の電気機器のキャビネットやラックを、多数のポイントで相互接続することにあります。

通信技術ではシグナリングの回路にアース帰路を使用する場合があります。たとえば、接地開始と 3 本のワイヤを中継接続する回線などです。これらの回路で相互接続された機器には機能用の接地が必要です。シグナリング範囲は通常、電流パスの抵抗によって決まります。この抵抗は大部分が接地電極によるものです。メイン接地端子経由の接地網の性能は、通常このシグナリングに対して十分にあります。

Cisco MGX 製品のボンディングと接地

装置は、EMI および EMC 規制との完全な適合性を維持するためにも、 集積グラウンド プレーン または 非分離グラウンド プレーン ネットワークにボンディングする必要があります。これは、機器に損傷を与えるような静電放電または雷の影響を軽減することが目的です。最新の ITU-T 勧告 K.27 または Bellcore GR-1089-CORE を参照して、正しいボンディングと接地の手順を実行してください。ここで推奨されているフレーム ボンディング用の接続部が、ラック マウント システム用のシスコ製キャビネットに装備されています。接続方法については、「シスコ製ラックのフレーム ボンディング接地接続」を参照してください。

AC 電源装置を除き、ラックマウント システムのモジュールはすべてラックで接地します。したがって、ラックは保護接地に接続する必要があり、ボンディングを保証するためにも機器はしっかりとラックに設置する必要があります。

DC 電源ノードでは、2 つの異なる場所で接続する接地線が必要です。

電源に付属している接地線を、電源入力モジュール(PEM)の適切な端子に接続します。

接地線は、ノードのラックまたはシャーシ上の該当する端子に接続します。

Cisco MGX 8950 ノードなどの WAN スイッチの DC 電源システムは、「非分離」接地系に接続するように設計されています。一方、ルーターなどの LAN 機器では、通常、「分離」接地方式を採用しています。ITU-T 勧告 K.27 で定義されている「等化接続」のとおりに正しく配線すると、分離接地系および非分離接地系を混合した接地系を構成できます。接地システムが混合系かどうかにはかかわらず、その接地系のどの 2 点間においても、電位差が基準電圧の 2 % を超えてはいけません(48 V の 2 % は 960 mV)。

冗長電源での混合アース システムの配線

図 C-2に、混合アース システムを示します。この図は、保安接地とアース接地およびバッテリ A(主 DC 電源)とバッテリ B(冗長 DC 電源)を示します。各接地線は、それぞれ Z1、Z2、Z3、Z4、Z5 で示されています。Z はシャーシやラックと、建物の接地系への接続との間の接地線のインピーダンスを表します。1~4 の番号は、建物の接地ポイントを表し、建物の接地系の異なるポイント間にインピーダンスがあることを表しています。これらの各記号は、電圧降下の可能性を示しています(ただし、基準電圧の 2 % を超えてはいけません)。Z1~Z5 の定義については、 表C-1 を参照してください。

図 C-2 混合アース システム

 

 

表C-1 混合接地のための接地ポイントの説明

接続
内容

Z1

-48 VDC 帰路

Z2

保護接地または保安接地(緑色/黄色)

Z3

非分離機器のための機器接地

Z4

分離機器のための機器接地

Z5

等化フレーム接地。この接地により、フレーム間の低インピーダンス等化が行われます。

B

バッテリ接地

1、2、3、4

建物の接地系への接続ポイント。接地系内の接続ポイント間には電位差が存在することがあります。

T

コモンモード EMI フィルタ

図 C-2 に示すように、非分離系では 48 VDC 帰路は内部で接続されます。この設計ではハードワイヤを使用するので、 オプション や代わりの接地接続を使用することはできません。内部接続により、48 VDC 帰路とフレーム接地間が低インピーダンスで接続されます。この接地構成によって、雷や静電放電で発生する過渡電流から、バックプレーン上の信号を守ることができます。

過渡電流に対する保護を強化するために、-48 VDC とその帰路、および保護接地導体を可能な限り近くに配置して、ループ面積(その結果としてのループ インピーダンス)をなるべく小さくしてください。

ITU-T K.27 で推奨されているように、メッシュ ボンディング ネットワークのマルチポイント接地は、接地システムを低インピーダンスとするので、機器の保護には最適です。詳しい情報は、ITU-T 勧告を参照してください。

電流による電圧降下を低く抑える導体の特性

信号劣化を防ぐには導体を十分に太くして、そのインピーダンスによる電圧降下を基準電圧の 2 % 未満にする必要があります。また保護接地線も、48 VDC 帰路が損傷した場合に全電流を流せるだけの太さが必要です。後者の要件は、安全のためです。スイッチの保護アース接地と 48 VDC 帰路の導体を同じサイズとすることで、障害に対する冗長性を完全にすることができます。

電圧降下を許容値以下に抑えるためのワイヤの長さとワイヤ ゲージについては、 表C-2 を参照してください。 表C-3 は、各ワイヤ ゲージにおける 305 M(1000 フィート)銅線の抵抗を示しています。これらの情報は設計のためのものなので、現地の法律や規定などとは異なる場合があります。


表C-2 は参考として記載しており、実際には 50 A 以上を推奨します。表C-3 も参考用であり、6 ゲージ以上の使用を推奨します。


 

表C-2 銅線の長さと電流負荷に対応するワイヤ ゲージ

DC 電流
距離(フィート)
25 フィート
50 フィート
75 フィート
100
フィート
150
フィート
200
フィート
400
フィート

5 A

18 ゲージ

14 ゲージ

14 ゲージ

12 ゲージ

10 ゲージ

8 ゲージ

6 ゲージ

10 A

14 ゲージ

12 ゲージ

10 ゲージ

8 ゲージ

8 ゲージ

6 ゲージ

2 ゲージ

15 A

14 ゲージ

10 ゲージ

8 ゲージ

8 ゲージ

6 ゲージ

4 ゲージ

2 ゲージ

20 A

12 ゲージ

8 ゲージ

8 ゲージ

6 ゲージ

4 ゲージ

2 ゲージ

0 ゲージ

25 A

12 ゲージ

8 ゲージ

6 ゲージ

4 ゲージ

4 ゲージ

2 ゲージ

0 ゲージ

30 A

10 ゲージ

8 ゲージ

6 ゲージ

4 ゲージ

2 ゲージ

2 ゲージ

00 ゲージ

35 A

10 ゲージ

6 ゲージ

4 ゲージ

2 ゲージ

2 ゲージ

1 ゲージ

000 ゲージ

40 A

8 ゲージ

6 ゲージ

2 ゲージ

2 ゲージ

2 ゲージ

0 ゲージ

000 ゲージ

45 A

8 ゲージ

6 ゲージ

4 ゲージ

2 ゲージ

1 ゲージ

0 ゲージ

0000 ゲージ

50 A

8 ゲージ

4 ゲージ

4 ゲージ

2 ゲージ

1 ゲージ

00 ゲージ

55 A

8 ゲージ

4 ゲージ

2 ゲージ

2 ゲージ

0 ゲージ

00 ゲージ

60 A

8 ゲージ

4 ゲージ

2 ゲージ

2 ゲージ

0 ゲージ

00 ゲージ

65 A

6 ゲージ

4 ゲージ

2 ゲージ

1 ゲージ

0 ゲージ

000 ゲージ

70 A

6 ゲージ

4 ゲージ

2 ゲージ

1 ゲージ

00 ゲージ

000 ゲージ

75 A

6 ゲージ

4 ゲージ

2 ゲージ

1 ゲージ

00 ゲージ

000 ゲージ

100 A

4 ゲージ

2 ゲージ

1 ゲージ

00 ゲージ

000 ゲージ

 

表C-3 ワイヤ ゲージと銅線の抵抗値

ゲージ
Ω/1000 フィート
ゲージ
Ω/1000 フィート

0000

0.0489

10

0.9968

000

0.0617

11

1.257

00

0.0778

12

1.5849

0

0.098

13

1.9987

1

0.1237

14

2.5206

2

0.156

15

3.1778

3

0.1967

16

4.0075

4

0.248

17

5.0526

5

0.3128

18

6.3728

6

0.3944

19

8.0351

7

0.4971

20

10.1327

8

0.6268

21

12.7782

9

0.7908

22

16.1059