Stromkabel

Ein Stromkabel ist ein elektrisches Kabel, das speziell zur Übertragung elektrischer Energie verwendet wird . Es besteht aus einem oder mehreren elektrischen Leitern , die üblicherweise in einem Bündel mit einer Isolierhülle zusammengefasst sind . Manche Stromkabel werden jedoch auch einfach als freiliegende, stromführende Drähte verlegt . Stromkabel können abnehmbare , tragbare Kabel (typischerweise mit Adaptern ) oder fest installierte Leitungen in Gebäuden und Bauwerken sein , die im Erdreich , unter Wasser oder oberirdisch verlegt werden . Stromkabel, die in thermoplastischen Ummantelungen gebündelt sind und für die Verlegung innerhalb eines Gebäudes vorgesehen sind, werden als NM-B- Kabel (nichtmetallisch ummantelte Gebäudekabel) bezeichnet.

Dünne, flexible Stromkabel werden für elektrische Geräte wie Computer und Peripheriegeräte , Mobilgeräte , Haushaltsgeräte , Leuchten , Elektrowerkzeuge und Maschinen sowie für Haushaltsbeleuchtung , Heizung , Klimaanlage , Photovoltaikanlagen auf Dächern und Heimspeichersysteme verwendet. Dickere Stromkabel dienen der Übertragung von Netzstrom zur Versorgung von Industrie , Gewerbe und Haushalten sowie eines Großteils des öffentlichen Nah- und Güterverkehrs (insbesondere des Schienenverkehrs ).

Das erste Stromverteilungssystem, das Thomas Edison 1882 in New York City entwickelte, nutzte Kupferstäbe , die mit Jute umwickelt und in starre, mit Bitumen gefüllte Rohre gelegt wurden . ^{[ 1 ]} Obwohl vulkanisierter Gummi bereits 1844 von Charles Goodyear patentiert worden war , wurde er erst in den 1880er Jahren für Kabelisolierungen verwendet, zunächst für Beleuchtungskreise. ^{[ 2 ]} 1897 wurden gummiisolierte Kabel für 11.000-Volt-Stromkreise eingesetzt, die für das Niagara-Falls-Kraftwerksprojekt installiert wurden .

Mittelspannungskabel mit massenimprägnierter Papierisolierung waren ab 1895 kommerziell praktikabel. Während des Zweiten Weltkriegs wurden verschiedene Arten von synthetischem Kautschuk und Polyethylenisolierung für Kabel verwendet. ^{[ 3 ]}

Der typische Wohnungs- und Bürobau in Nordamerika hat im Laufe der Zeit verschiedene Technologien durchlaufen:

• Frühe blanke und stoffummantelte Drähte wurden mit Klammern befestigt ^{[ 4 ].}
• Knopf- und Röhrenverdrahtung , 1880er–1930er Jahre, mit asphaltgetränktem Stoff oder später Gummiisolierung ^{[ 5 ]}
• Armiertes Kabel, bekannt unter dem Gattungsnamen „BX“ – flexibler Stahlmantel mit zwei stoffummantelten, gummiisolierten Leitern ^{[ 6 ]} – wurde 1906 eingeführt, war aber teurer als offene Einzelleiter.
• Gummiisolierte Drähte mit Ummantelung aus gewebtem Baumwollstoff (meist mit Teer imprägniert ), Füllmaterial aus Wachspapier – eingeführt 1922
• Moderne zwei- oder dreiadrige, PVC-isolierte Kabel mit Erdung (z. B. NM-B), hergestellt von Marken wie Romex
• Aluminiumdraht wurde in den 1960er und 1970er Jahren als billiger Ersatz für Kupfer verwendet und wird auch heute noch eingesetzt, gilt aber aufgrund von Korrosion , Weichheit und Kriechströmen bei Verbindungen ohne fachgerechte Installation als unsicher. ^{[ 7 ]}
• Asbest wurde von den 1920er bis zu den 1970er Jahren als elektrischer Isolator in einigen Textilleitungen verwendet, die Verwendung wurde jedoch aufgrund des damit verbundenen Gesundheitsrisikos eingestellt. ^{[ 8 ] [ 9 ]}
• Teck-Kabel , ein PVC -ummanteltes, armiertes Kabel

Moderne Stromkabel gibt es in verschiedenen Größen, Materialien und Ausführungen, die jeweils speziell für ihren Anwendungsbereich angepasst sind. ^{[ 10 ]} In der Industrie werden auch große, einlagige isolierte Leiter manchmal als Stromkabel bezeichnet. ^{[ 11 ]}

Kabel bestehen aus drei Hauptkomponenten: Leitern , Isolierung und einem Schutzmantel. Der Aufbau einzelner Kabel variiert je nach Anwendungsbereich. Konstruktion und Material werden durch drei Hauptfaktoren bestimmt:

• Betriebsspannung, Bestimmung der Isolationsdicke;
• Strombelastbarkeit, Bestimmung der Querschnittsgröße des/der Leiter(s);
• Umweltbedingungen wie Temperatur, Wasser, chemische Einwirkung, Sonneneinstrahlung und mechanische Einwirkung bestimmen die Form und Zusammensetzung des äußeren Kabelmantels.

Kabel für die direkte Erdverlegung oder für Freilegungen können eine Metallarmierung in Form von spiralförmig um das Kabel gewickelten Drähten oder eines Wellbandes aufweisen. Die Armierung kann aus Stahl oder Aluminium bestehen und ist, obwohl sie mit der Erde verbunden ist, im Normalbetrieb nicht für die Stromführung vorgesehen. Elektrische Energiekabel werden mitunter in Kabelkanälen, einschließlich Elektroinstallationsrohren und Kabelrinnen, verlegt, die einen oder mehrere Leiter enthalten können. Für die Verwendung in Gebäuden besteht ein nichtmetallisch ummanteltes Gebäudekabel (NM-B) aus zwei oder mehr Leitern (plus einem Erdungsleiter), die von einem hitzebeständigen thermoplastischen Isoliermantel umschlossen sind. Es bietet Vorteile gegenüber armierten Gebäudekabeln, da es leichter und einfacher zu handhaben ist und der Mantel leichter zu verarbeiten ist. ^{[ 12 ]}

Stromkabel verwenden Litzen aus Kupfer oder Aluminium , wobei kleinere Stromkabel bis zu einem Querschnitt von 1/0 auch massive Leiter aufweisen können. ( Eine detaillierte Beschreibung von Kupferkabeln finden Sie unter: Kupferdraht und -kabel . ) Das Kabel kann unisolierte Leiter für den Neutralleiter oder die Erdung enthalten. Der Erdungsleiter verbindet das Gehäuse des Geräts mit der Erde und schützt so vor Stromschlägen. Diese unisolierten Leiter werden als blanke oder verzinnte blanke Leiter bezeichnet. Die gesamte Kabelkonstruktion kann rund oder flach sein. Nichtleitende Fülllitzen können hinzugefügt werden, um die Form zu stabilisieren. Bei Bedarf können die Füllmaterialien auch in nicht hygroskopischer Ausführung erhältlich sein.

Spezielle Freileitungskabel werden häufig mit einem hochfesten Träger aus Aluminiumlegierung ( ACSR ) oder Aluminiumstahl ummantelt. Diese Kabel werden als Freileitungskabel oder vormontierte Freileitungskabel (PAC) bezeichnet. PAC können ohne Ummantelung bestellt werden, dies ist jedoch in den letzten Jahren aufgrund der geringen Mehrkosten für eine Polymerummantelung seltener geworden . Für vertikale Anwendungen können die Kabel zusätzlich zur Ummantelung mit Stahl- oder Kevlar- Armierungsdrähten versehen sein . Die Armierungsdrähte sind in regelmäßigen Abständen an Tragplatten befestigt, um das Gewicht des Kabels zu tragen. Auf jeder Etage des Gebäudes, Turms oder der Konstruktion kann eine Tragplatte angebracht sein. Dieses Kabel wird als armiertes Steigleitungskabel bezeichnet. Für kürzere vertikale Übergänge (etwa 9–45 Meter) kann ein unbewehrtes Kabel in Verbindung mit Kabelschuhen (Kellum-Klemmen) oder speziell entwickelten Kabelkanalstopfen verwendet werden .

Die Materialspezifikation für den Kabelmantel berücksichtigt häufig die Beständigkeit gegen Wasser, Öl, Sonnenlicht, Erdbedingungen, chemische Dämpfe, Stöße, Feuer und hohe Temperaturen. In der Nuklearindustrie gelten unter Umständen besondere Anforderungen an die Beständigkeit gegen ionisierende Strahlung . Kabelmaterialien für den öffentlichen Nahverkehr müssen im Brandfall möglichst wenig Rauch entwickeln (raucharm, halogenfrei). Bei Kabeln für die direkte Erdverlegung muss auf Beschädigungen durch Verfüllmaterial oder Aushub geachtet werden. HDPE- oder Polypropylenmäntel sind hierfür gängig. Kabel für U-Bahnen (unterirdische Schächte) erfordern oft Öl-, Feuer- oder geringe Rauchentwicklung. Nur noch wenige Kabel verwenden heutzutage einen durchgehenden Bleimantel . Einige Energieversorger installieren jedoch weiterhin papierisolierte, bleiummantelte Kabel in Verteilungsnetzen. Übertragungs- oder Seekabel verwenden häufiger Bleimäntel. Blei ist jedoch rückläufig, und es gibt nur noch wenige Hersteller, die solche Produkte anbieten. Wenn Kabel mechanischen Beschädigungen ausgesetzt sind (z. B. in Industrieanlagen), können sie mit flexiblem Stahlband oder Drahtarmierung geschützt werden, die zusätzlich mit einem wasserfesten Mantel versehen sein kann.

Ein Hybridkabel kann Leiter für Steuersignale oder auch optische Fasern für Daten enthalten.

Für Schaltungen, die mit einer oder mehr Volt betrieben werden.Bei einer Spannung von 2000 Volt zwischen den Leitern muss die Leiterisolierung von einer leitfähigen Abschirmung umgeben sein. Dadurch wird die elektrische Belastung der Kabelisolierung ausgeglichen. Dieses Verfahren wurde 1916 von Martin Hochstadter patentiert; ^{[ 2 ]} die Abschirmung wird daher auch als Hochstadter-Abschirmung bezeichnet. Neben der halbleitenden („Halbleiter-“) Isolationsabschirmung gibt es auch eine Leiterabschirmung. Diese kann halbleitend (üblicherweise) oder nichtleitend sein. Die Funktion der Leiterabschirmung ist ähnlich der Isolationsabschirmung: Sie dient als Hohlraumfüller und Spannungsausgleich.

Um Streuspannungen abzuleiten, wird eine metallische Abschirmung über dem Halbleiter angebracht. Diese Abschirmung soll das Kabel schützen, indem sie die Spannung außerhalb der Isolierung auf null (oder zumindest unter den OSHA- Grenzwert) reduziert.50 Volt ). Diese metallische Abschirmung kann aus einem dünnen Kupferband, konzentrischen Erdungsdrähten, Flachbändern, einem Bleimantel oder anderen Konstruktionen bestehen. Die metallischen Abschirmungen eines Kabels sind an den Kabelenden und gegebenenfalls an weiteren Stellen entlang der Kabellänge geerdet, falls Spannungsspitzen bei Fehlern gefährlich wären. Die Mehrpunkt-Erdung ist die gebräuchlichste Methode zur Erdung der Kabelabschirmung. In manchen speziellen Anwendungen sind Schirmungsunterbrechungen erforderlich, um Ausgleichsströme im Normalbetrieb zu begrenzen. Stromkreise mit Schirmungsunterbrechungen können ein- oder mehrpunktgeerdet sein. In besonderen technischen Situationen kann eine Querverbindung erforderlich sein.

Flüssigkeits- oder gasgefüllte Kabel werden auch heute noch in Verteilungs- und Übertragungssystemen eingesetzt.Kabel mit 10 kV oder höher können mit Öl und Papier isoliert sein und werden in einem starren Stahlrohr, einem halbstarren Aluminium- oder Bleimantel verlegt. Bei höheren Spannungen kann das Öl unter Druck gehalten werden, um die Bildung von Hohlräumen zu verhindern, die Teilentladungen in der Kabelisolierung verursachen könnten.

Flüssigkeitsgefüllte Kabel zeichnen sich durch extrem lange Lebensdauern mit minimalen bis gar keinen Ausfällen aus. Öllecks in Böden und Gewässer stellen jedoch ein ernstes Problem dar, und der Betrieb der benötigten Pumpstationen belastet das Betriebs- und Instandhaltungsbudget der meisten Energieversorgungsunternehmen erheblich. Rohrkabel werden daher trotz ihrer kürzeren Lebenserwartung am Ende ihrer Nutzungsdauer häufig auf starre Isolierung umgestellt.

Moderne Hochspannungskabel verwenden Polyethylen oder andere Polymere , einschließlich XLPE , zur Isolierung und erfordern spezielle Verbindungs- und Anschlusstechniken.

Die meisten elektrischen Kabel sind bis zu einem gewissen Grad flexibel ^{[ 13 ]} , sodass sie auf Spulen, Trommeln oder Handspulen aufgewickelt zum Installationsort transportiert werden können. Die Flexibilität ist ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der geeigneten Litzenklasse des Kabels, da sie den minimalen Biegeradius direkt beeinflusst. Stromkabel werden im Allgemeinen gemäß IEC 60228 in die Litzenklassen 1, 2, 5 oder 6 eingeteilt .

Klasse 1 (Massivleiter)

Diese Leiter bestehen aus einem einzelnen runden Draht, entweder blank oder metallummantelt, üblicherweise mit einem Querschnitt zwischen 0,5 mm² ^und 16 mm² ^. Sie werden hauptsächlich in festen Installationen eingesetzt, bei denen keine Flexibilität erforderlich ist. ^{[ 14 ]}

Klasse 2 (mehrsträngige Leiter)

Die aus mehreren miteinander verdrillten Drähten (blank oder beschichtet) bestehenden Leiter der Klasse 2 bieten eine mittlere Flexibilität und sind in runder, kompakter runder oder sektorförmiger Ausführung erhältlich. ^{[ 14 ]}

Klasse 5 (flexibel)

Einsatzgebiete sind Installationen mit geringen Biegeradien oder mäßigen Bewegungen. Beispiele: H05V-K, H07V-K, H05Z1-K, H07Z1-K, H03VV-F, H05VV-F, H05VV5-F, H05VVC4V5-K, H05VVH6-F, H05RR-F, H07RN-F, 052XZI-F ^{[ 14 ]}

Klasse 6 (besonders flexibel)

Für dynamische Anwendungen oder Anwendungen mit hoher Bewegungsintensität (z. B. Schweißen, Robotik). Beispiele: H01N2-D, H01N2-E ^{[ 14 ]}

Flexible Leitungen bestehen aus feindrähtigen Leitern, die entweder seilartig oder gebündelt verseilt sind. Sie verfügen über einen Mantel mit einer geeigneten Menge an Füllmaterialien, um ihre Flexibilität, Verlegebarkeit und Haltbarkeit zu verbessern. Hochleistungsfähige flexible Stromkabel, wie sie beispielsweise in Minen-Abbaumaschinen eingesetzt werden , sind sorgfältig konstruiert – ihre Lebensdauer wird in Wochen gemessen. Sehr flexible Stromkabel werden in automatisierten Maschinen, Robotern und Werkzeugmaschinen verwendet. Weitere Informationen zu flexiblen Stromkabeln finden Sie unter Stromkabel und Verlängerungskabel . Zu den weiteren Arten flexibler Kabel gehören verdrillte Adernpaare , dehnbare Kabel, Koaxialkabel , geschirmte Kabel und Kommunikationskabel.

Ein Röntgenkabel ist eine spezielle Art von flexiblem Hochspannungskabel .