Energieversorgung über die Datenverkabelung ist längst ein Thema, das auch abseits der Gebäudesteuerung an Bedeutung gewinnt. Access Points, Kameras, Sensoren und anderes Equipment lassen sich heute bequem über die aktuellen Varianten von PoE ansteuern. Mit 100 Watt am Verbraucher erscheinen plötzlich ganz neue Anwendungsszenarien realistisch. Die Verkabelung wird damit allerdings zur kritischen Komponente.

Power over Ethernet (PoE) ist das gängigste System der Fernspeisung (geläufiger: Remote Powering) in modernen Netzwerken. Dazu dienen Datenkabel, die spezielle Anforderungen erfüllen müssen. Mithilfe dieses Verfahrens lassen sich Stromversorgungskabel einsparen und Ethernet-angebundene Geräte auch an schwer zugänglichen Stellen installieren. Die Stromversorgung erfolgt hierbei nicht durch zusätzliche Stecker oder externe Stromquellen, sondern durch das Datennetz.

Bild 1. Zwar nicht so, aber Power over Ethernet kann mittlerweile bemerkenswerte Leistungen übertragen.

Da neben den Datensignalen auch der zusätzliche Strom durch die Datenleitung fließt, ergibt sich meist eine höhere Ausfallsicherheit der Geräte. Das Datenkabel selbst steht jedoch wegen der erhöhten Stromstärke unter höheren Belastungen, denn mehr Strom bedeutet auch mehr Wärme durch den Widerstand. Erwärmt sich das Datenkabel, leidet jedoch die Datenübertragung. Dies kann sogar so weit gehen, dass die Datenübertragung ganz abbricht. Daher müssen die verwendeten Datenkabel für die Fernspeisung geeignet sein, damit PoE-Systeme zuverlässig und sicher funktionieren. Für die Bewertung und Zertifizierung lässt sich die Normensituation mit den dazugehörigen Produktanforderungen und Zertifizierungsmöglichkeiten heranziehen.

Generell unterscheiden die Experten zwischen System-, Struktur-, Produkt-, Material- und Prüfnorm. Die Tabelle auf Seite 24 stellt die Unterschiede am Beispiel der Datenkabel dar. Systemnormen definieren Anwendungen, während Strukturnormen die dafür erforderlichen Hard- oder auch Softwarestrukturen betrachten. Die jeweilige Produktnorm spezifiziert die Eigenschaften einzelner Komponenten, aus denen die Strukturen aufgebaut sind, und verweist dazu auf Materialnormen für einzelne Werkstoffe oder Prüfnormen, in denen die Prüfverfahren, aber nicht die Anforderungen festgelegt sind.

Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) hat für PoE verschiedene Varianten definiert. Die Anforderungen betreffen dabei nicht die Fernspeisung allgemein, sondern systemspezifisch PoE. Der Standard IEEE 802.3at für Power over Ethernet Plus (PoE+) wurde 2009 verabschiedet und definiert eine maximale Leistungsabgabe von 25,5 W. Bei der neueren Variante „4-Pair Power over Ethernet“ (4PPoE) nach IEEE 802.3bt sind dies 55 W über zwei Paare (Level 3) oder sogar 90 bis 100 W über vier Paare (Level 4).

Dies entspricht bis zu 1.000 mA pro Paar, die als Gleichstrom zusätzlich zu den Hochfrequenzsignalen über die Datenkabel fließen.

Tabelle 1. Normenstruktur bei Datenkabeln für die strukturierte Verkabelung.

Allgemeine Strukturnormen für Fernspeisung gibt es bei IEC und Cenelec noch als sogenannte „Technische Berichte“. In den kommen Jahren sollen diese jedoch auch als Normen publiziert werden. Sie basieren auf existierenden Verkabelungsstrukturen und referenzieren dementsprechend die vorhandenen Produktnormen für Kabel und Steckverbinder.

Die DIN EN 50174-2 Beiblatt 1 (Deutsche Fassung Cenelec TR 50174-99-1) „Installationsplanung und Installationspraktiken in Gebäuden – Fernspeisung“ ist eine Richtlinie für Anwendung und Betrieb der strukturierten Gebäudeverkabelung mit Fernspeisung. Das Dokument umfasst Konzepte der Stromversorgung, ein Prüfprotokoll zur Ermittlung der Parameter für die Modellrechnung und Formeln zur Modellierung des Temperaturanstiegs. Das Dokument ISO/IEC TR 29125 „Telecommunications Cabling Requirements for Remote Powering of Terminal Equipment“ gibt die Temperaturerhöhung für Kategorie-5-Kabel bis 360 mA pro Leiter an. Dabei ist zu beachten, das für die Erwärmung nicht die Kabelkategorie, sondern der Leiterdurchmesser entscheidend ist.

Produktanforderungen bei Fernspeisung

Im Committee Draft zu IEC 61156-1-4 „Assessment of the Conductor Heating in Bundled Cables Due to the Deployment of Remote Powering“ gibt es eine Richtlinie zur Einschätzung des Temperaturverhaltens von LAN-Kabeln unter verschiedenen Installationsbedingungen und Hinweise zu Betriebstemperaturen bei verschiedenen Speiseströmen. Produktspezifikationen für Fernspeisung gibt es jedoch noch nicht. Die Betrachtung technisch sinnvoller Produktanforderungen leitet sich daher aus den System- und Strukturnormen her.

Das zentrale Kriterium bei Nutzung der Fernspeisung ist die Kabelerwärmung, besonders bei einer dichten Bündelung von Kabeln im Steig- und Horizontalbereich. Die dafür relevanten Kabelparameter sind einerseits der Leiterquerschnitt und andererseits die Temperaturbeständigkeit der verwendeten Materialien. Die Temperaturerhöhung ist durch den Leiterquerschnitt bestimmt. Der spezifizierte Leiterquerschnitt muss bei Fernspeisung unbedingt eingehalten sein. Der Nachweis geschieht durch die Prüfung des Schleifenwiderstands nach DIN EN 50289-1-2. Materialien dürfen bei der erwarteten Temperatur nicht vorzeitig altern oder anderweitig beschädigt werden. Deshalb ist die Lebensdauer aller Materialien bei höchster Betriebstemperatur mit der Prüfung der thermischen Alterung von Isolier- und Mantelmaterialien nach DIN EN 60811-1-2 nachzuweisen.

Die Hochfrequenz-Übertragungseigenschaften (HF) – speziell die Dämpfung – dürfen bei erhöhten Temperaturen nicht stärker beeinträchtigt sein als spezifiziert. Die Temperaturwechselprüfung nach EN 50289-4-6 untersucht daher die HF-Parameter bei der niedrigsten und höchsten spezifizierten Temperatur. Die Grafik aus Cenelec-TR 50174-99-1 (Bild 2) berücksichtigt die Parameter Kabelaufbau nach EN 50288, Leiterwiderstand und Installationsumgebung.

Bild 2. Temperaturerhöhung von Kabelbündeln bei Fernspeisung nach DIN EN 50174-2 Beiblatt 1.

Relevante Steckverbinderparameter bei Fernspeisung sind vor allem das Stecken und Ziehen unter Last. In der Dauerprüfung nach DIN EN 60512-9-3 erfolgt eine Lastabtrennung von 600 mA je Leiter. Dies entspricht einem Betriebsstrom von 300 mA. Der Prüfplan nach DIN EN 60512-99-001 definiert Leistungsanforderungen nach 100 Steckzyklen. Der Übergangswiderstand ist weniger wichtig, da die Erwärmung bei Steckverbindern weniger kritisch ist. Zum einen gibt es bei Steckverbindern keine Bündelung, zum anderen gibt es in der Regel eine ausreichende Luftzirkulation.

Zertifizierung von Datenkabeln im VDE-Institut

Das VDE Prüf- und Zertifizierungsinstitut verfügt über große Erfahrung in der Prüfung und Zertifizierung von Kabeln und Komponenten. Zusammen mit der engen Einbindung in den Normungsprozess sowie den modernen Prüfanlagen für die vielfältigen Prüfverfahren kann das VDE-Institut aussagekräftige Prüfergebnisse liefern. Die Größen, die die Techniker an Datenkabeln ermitteln und bewerten, beschränken sich nicht nur auf die HF-Übertragungseigenschaften und EMV-Parameter, sondern umfassen auch die Materialeigenschaften, das mechanische Verhalten und die Beständigkeit gegen vielfältige Umgebungseinflüsse wie Temperatur, Chemikalien etc.

Ferner zählen dazu auch Lebensdauerprüfungen und nicht zuletzt die Bewertung des Brandverhaltens. Das „VDE Testlab Brandverhalten“ ist notifizierte Stelle für die Prüfung und Zertifizierung von Kabeln nach der europäischen Bauproduktenverordnung (BauPVO). Bild 3 gibt einen Überblick über die Möglichkeiten zur Prüfung und Zertifizierung von Datenkabeln im VDE-Institut. Wichtig ist die generelle Unterscheidung zwischen Prüfumfang (x-Achse) und Überwachung (y-Achse).

Bild 3. VDE-Zertifikate nach Prüfumfang und Überwachungsintensität.

Eine VDE-Zeichengenehmigung bescheinigt die vollständige Übereinstimmung des Produkts mit der Norm. Dazu prüfen die Techniker die gesamte Spezifikation, und es erfolgt eine regelmäßige Werks- und Produktkontrolle. Voraussetzung für ein VDE-Gutachten mit Fertigungsüberwachung ist die Einhaltung anwendbarer Abschnitte von VDE-Normen, falls eine voll anwendbare VDE-Norm für das Produkt nicht existiert. Ebenfalls gilt dies für Produkte, die von speziellen Bestimmungen abweichen, sich jedoch in Anlehnung an bestehende Normen prüfen lassen. In diese Gruppen fallen zum Beispiel Sonderkonstruktionen sowie alle Ausführungen nicht genormter Kabel.

Fazit

Die technischen Spezifikationen zur Fernspeisung wie ISO/IEC TR 29125, Cenelec TR 50174-99-1 oder auch der Entwurf zu IEC 61156-1-4 sind technische Berichte zu Strukturnormen. Es existieren keine speziellen Produkt- oder Prüfnormen. Das entscheidende Kriterium ist die Kabelerwärmung. Diese bestimmen der Leiterwiderstand oder -querschnitt und die Installationsbedingungen. Der Temperaturbereich der Materialien beeinflusst maßgeblich die Lebensdauer. Daher ist das thermische Verhalten zu prüfen. Eine spezielle Produktzertifizierung für Anwendungen mit Fernspeisung ist zwar ohne entsprechende Produktspezifikation nicht möglich, aber bei einer VDE-Zeichengenehmigung und einem VDE-Gutachten mit Fertigungsüberwachung schließt der Prüfumfang alle für Fernspeisung relevanten Parameter ein.

Dipl.-Ing. Jörg Bör ist beim VDE-Prüf- und -Zertifizierungsinstitut tätig ().