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Als Kabel wird in der Elektro- und Informationstechnik ein mit Isolierstoffen ummantelter ein- oder mehradriger Verbund von Einzelleitungen bezeichnet, welcher der Übertragung von Energie oder Information dient. Als Isolierstoffe kommen üblicherweise unterschiedliche Kunststoffe zur Anwendung, welche die als Leiter genutzten Adern umgeben und gegeneinander isolieren. Elektrische Leiter bestehen meist aus Kupfer, seltener auch aus Aluminium oder geeigneten Metalllegierungen. Lichtwellenleiter bestehen aus Kunststoff- oder Quarzglasfasern, weshalb in diesem Zusammenhang auch von Glasfaserkabeln gesprochen wird. Dreidimensional betrachtet folgt das Kabel einer meist zylindrischen oder ähnlichen Geometrie und kann im Gesamtaufbau noch weitere Mantellagen aus isolierendem Material oder metallische Folien bzw. Geflechte zum Zweck der elektromagnetischen Abschirmung oder als mechanischen Schutz enthalten.
Für den Begriff Kabel gibt es je nach Anwendungsfeld unterschiedliche Definitionen.
Der Kabelaufbau muss mehreren Erfordernissen entsprechen:
Die Zahl der Strom führenden bzw. optischen Leiter (auch Adern genannt) im Kabel ist die Leiteranzahl oder Aderzahl. Bei mehradrigen Kabeln ist immer jede einzelne Ader von einem eigenen Isolator, der Aderisolierung, umhüllt, während eine äußere Umhüllung, der Kabelmantel, alle Adern umgibt.
Am häufigsten wird Kupfer wegen seiner sehr guten elektrischen Leitfähigkeit verwendet, gefolgt von Aluminium.
Aluminium weist zwar nur rund 2/3 der elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer auf, allerdings beträgt das spezifische Gewicht von Aluminium nur rund 1/3 von Kupfer und es ist billiger. In Anwendungen, in denen der Platzbedarf für die (bei gleicher Stromtragfähigkeit um den Faktor 1,5) dickeren Aluminiumleiter keine, aber das Gewicht und die Kosten eine wesentliche Rolle spielen, wird oft Aluminium statt Kupfer genommen. Bei Freileitungen bestehen die Leiterseile aus Aluminium. Leiterseile und auch Feldkabel für Feldtelefone haben zur Verbesserung der Zugfestigkeit einen Stahlanteil. Aluminiumleiter werden auch in Elektro-Kfz eingesetzt, um Masse einzusparen.[4]
Nachteilig bei Aluminium sind die Kontaktkorrosion, spontane Oxidschichten und damit steigende Übergangswiderstände an Klemmstellen, die schlechte Lötbarkeit sowie die geringere Wechselbiegefestigkeit. Peugeot-Fahrräder um 1970 waren mit Litzen aus Alu gefertigt, die an den Übergängen zu den geklemmten Bronze-Kontakten bei Nässe stark korrodierten. In der DDR waren trotz dieser Probleme Aluminiumkabel für die Hausinstallation üblich; man versuchte, durch sogenanntes Alcu (kupferplattierte Aluminiumleiter) eine Verbesserung zu erreichen. Heute sind Aluminiumkabel in der Hausinstallation nicht mehr gebräuchlich, wohl aber als Erdkabel mit größeren Querschnitten im Nieder- und Mittelspannungsbereich. Aluminium bildet an Luft eine durch Hitze geförderte Oxidschicht aus und ist daher nur mit speziellen Flussmitteln und Loten lötbar. Das zuverlässigste Anschlussverfahren ist Pressen und großflächiges Verschrauben nach Bürsten und Fetten.
Silber ist noch etwas leitfähiger als Kupfer und damit von den Metallen am leitfähigsten. Es wird allerdings aus Kostengründen nur in Sonderfällen verwendet, z. B. für Hochfrequenz (Skineffekt) oder bei thermischer Belastung, meist nur als Beschichtung.
In Sonderfällen verwendet man Supraleiter, die unter ihre Sprungtemperatur abgekühlt werden müssen, indem Kühlmittel durch separate Kanäle im Kabel gepumpt wird. Solche Kabelverbindungen sind jedoch selten.[5] Die ständige Kühlung ist sicherheitsrelevant, da das Kabel bei Zusammenbrechen der Supraleitung sofort durch Stromwärme zerstört würde.
In Kommunikationsnetzen kommen neben Kupferadern auch optische Leiter (Glasfaserkabel, Lichtleitkabel) zum Einsatz.
Bei Kopfhörerkabeln und anderen hochbeanspruchten Signalkabeln werden feindrähtige Kupferlitzen mit Kunstfasern von hoher Zugfestigkeit (z. B. Aramiden) gemischt, um die Reißfestigkeit des Kabels zu erhöhen. Seit etwa den 1930er Jahren gibt es Kabel für Telefone, die durch Umwickeln von Textilfasern mit Kupferband hergestellt werden. Sie sind für hohe Biegewechselbeanspruchung, Zugfestigkeit, jedoch geringe Ströme geeignet. Für ähnliche Zwecke ist auch ein Kabelaufbau mit Kupferlackdrähten üblich. Kupferlackdraht kann lötbar sein, indem sich der Lack bei Löttemperatur zersetzt.
Für Hochfrequenz wird Hochfrequenzlitze verwendet, deren einzelne Litzendrähte mit Lack isoliert sind. Für Kabel wird sie eher nicht verwendet.
Kupferleiter (insbesondere Litzen) können zum Korrosionsschutz verzinnt sein.
Die Adern von Kabeln bestehen bei flexiblen Anwendungen und im Kfz- und Anlagenbau aus Litzenleitungen. Bei besonders hoher mechanischer Beanspruchung auf wiederholtes Biegen (Handgeräte, Energieführungsketten, Veranstaltungs- und Bühnentechnik) werden sogenannte feinstdrähtige Litzen und eine geflochtene Verseilung verwendet.[6]
Metall | Relative Leitfähigkeit (Kupfer = 100) |
Elektrischer Widerstand bei 20 °C (in Ω 10−8) |
Widerstands- Temperaturkoeffizient (in α 10−1) |
---|---|---|---|
Silber | 106 | 1,626 | 0,0041 |
Kupfer HC (geglüht) | 100 | 1,724 | 0,0039 |
Kupfer HC (hartgezogen) | 97 | 1,777 | 0,0039 |
verzinntes Kupfer | 95-99 | 1,741–1,814 | 0,0039 |
Aluminium EC (weich) | 61 | 2,803 | 0,0040 |
Aluminium EC (½H–H) | 61 | 2,826 | 0,0040 |
Natrium | 35 | 4,926 | 0,0054 |
Baustahl (englisch mild steel) | 12 | 13,8 | 0,0045 |
Blei | 8 | 21,4 | 0,0040 |
Es gibt mehrere Arten, die Adern zu kennzeichnen. Flexible Steuerleitungen mit Querschnitten ab 0,75 mm2 tragen oft Nummern. Dünnere Steuerleitungen und Fernmeldekabel sind durch Farben gekennzeichnet. Bei vieladrigen Kabeln besteht die Möglichkeit, eine mehrfarbige Codierung längs- oder quergestreift auf der jeweiligen Ader aufzubringen, wobei eine quergestreifte Codierung auch im Abstand variieren kann, um unterschiedliche Adern zu bezeichnen.
Die Aderkennzeichnung für Fernmeldekabel ist in der DIN 47100 zu finden.
Für Kabel verwendbare Isolierstoffe müssen in der Regel plastisch oder elastisch sein. Ausnahmen sind das Tränköl für Ölkabel und altertümliche, mit Porzellanperlen isolierte Koaxialkabel. Die Isolierstoffe müssen einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand und eine hohe Durchschlagsfestigkeit haben. Weitere Parameter für Signalkabel sind ein möglichst geringer Verlustfaktor und eine geringe Dispersion.
Früher verwendete man zur Adernisolation oft Papier. Um die Feuchteempfindlichkeit zu verringern und die Durchschlagsfestigkeit zu erhöhen, tränkte man das Papier mit Öl oder Wachs. Öl-Papierkabel (auch Massekabel genannt) sind noch heute im Einsatz und im Hoch- und Mittelspannungsbereich den mit PVC isolierten Kabeln im Hinblick auf ihre Lebensdauer und Durchschlagsfestigkeit überlegen. Allerdings sind die Montagekosten enorm hoch, daher werden sie durch Kunststoffkabel mit einer Isolation aus vernetztem Polyethylen (VPE) ersetzt.
Gebräuchlichster Isolierwerkstoff heutiger Energie- und Signalkabel ist Polyvinylchlorid (PVC), gefolgt von Polyethylen (PE), Gummi und Polyurethan (PUR).
Eine Möglichkeit, die Einsatztemperatur PVC-isolierter Kabel zu erhöhen, ist die Elektronenstrahl-Vernetzung. PVC hat jedoch einen hohen dielektrischen Verlustfaktor, weshalb es als Isolation für Signalkabel insbesondere bei hoher Frequenz oder großer Länge oft ungeeignet ist. Breitband-Signalkabel, Hochfrequenzkabel und auch Telefonleitungen sind daher oft mit PE isoliert.
Für flexible, thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Kabel wird Gummi als Isolation verwendet, trittfest auf Baustellen und im Garten.
Bei hohen, aber auch besonders niedrigen Temperaturen und hohen Spannungen werden Silikonleitungen eingesetzt. Da diese wenig schnitt- und druckfest sind, wird Silikon mitunter mit einer Glasfaserumspinnung verbunden, etwa bei den Zuleitungen für Küchenherdplatten.
Polytetrafluorethylen (PTFE) widersteht von den Kunststoffen den höchsten und auch tiefsten Temperaturen, widersteht auch fast allen chemischen Angriffen, doch ist mechanisch eher verletzlich. (Z. B. im Triebwerksbereich von Flugzeugen).
Leitungen in Elektro-Wärmegeräten werden heute nur mehr selten mit aufgefädelten Keramikperlen (Zylinder mit axialer Bohrung und kugelkalottenförmigen Deckflächen, eine konkav, eine konvex oder Keramikröhrchen) umhüllt.
Längenelastische Spiralkabel für Telefonhörer, Mikrofone, E-Gitarren etc. werden auf Maß mit geraden Endabschnitten gefertigt.
Der Kabelmantel schützt das Kabel vor äußeren Einflüssen und enthält gegebenenfalls eine Abschirmung. Blei war lange Zeit ein häufig verwendeter Werkstoff für die Ummantelung papierisolierter Kabel. Es findet heute noch Verwendung in bleigemantelten Kabeln (z. B. NYKY-J für Niederspannung oder N2XS(F)K2Y in der Mittelspannung) in Raffinerien, um die Kabel vor Beschädigungen durch Aromaten und Kohlenwasserstoffe zu schützen. Zum Teil verwendet man mittlerweile Kabel mit einem Zwischenmantel aus Polyamid bzw. Nylon. Meistens sind diese Kabel noch einmal mit dem schwerentflammbaren PVC ummantelt, um eine flammhemmende Wirkung zu erhalten. (Typen z. B. 2XS(L)2Y4YY für Mittelspannung bzw. 2X(L)2Y4YY für Niederspannung).
Heute kommen neben PVC auch Kunststoffe wie Polyurethan oder Polyethylen zum Einsatz. Polyethylen ist sehr kostengünstig, aber brennbar. PVC erzeugt bei Brandeinwirkung giftige Gase, wie Chlorwasserstoff und Dioxine. Deshalb kommen in modernen Gebäuden mit großen Personenansammlungen, wie zum Beispiel in Bahnhöfen, Flughäfen, Museen, Kongreßhallen und Kaufhäusern, halogenfreie, flammwidrige Kabel und Leitungen zum Einsatz. Für flexible, hoch beanspruchte Kabel wird Gummi als Mantel verwendet. Zur Signalübertragung (Netzwerkkabel für die EDV, Steuerungs- und Audiokabel) werden die Kabelmäntel vielfach mit einer Schirmung aus Metallfolie oder Kupferdrahtgeflecht versehen, um die elektromagnetische Verträglichkeit des Kabels zu verbessern.
Auch die von Frequenzumrichtern zu den Motoren führenden Energieleitungen müssen oft abgeschirmt werden, um Störabstrahlungen zu vermeiden (siehe Elektromagnetische Verträglichkeit).
Erd- und Seekabel sowie Freileitungen sind mit Armierungen (Stahldrahtgeflecht, Stahlblech) als Schutz und zur Erhöhung ihrer mechanischen Stabilität versehen.
Um Beschädigungen des Mantels frühzeitig zu erkennen, werden in der Nachrichtentechnik vieladrige Kabel mit Druckluft gefüllt und der Kabelinnendruck überwacht. Bei Energiekabeln wird hier stattdessen ein isolierendes Schutzgas (z. B. Schwefelhexafluorid) verwendet.
Lichtleitkabel für Hochleistungslaser sind mit einer Faserbruchüberwachung versehen, welche die Leitfähigkeit eines mitgeführten Drahtes oder einer Metallbeschichtung der Faser überwacht.
Für die meisten Einsatzzwecke werden Kabel nach internationalen Normen hergestellt, die vielfach auch Kürzel für bestimmte Kabelklassen definieren. Siehe dazu Harmonisierte Typenkurzzeichen von Leitungen.
Es gibt fest verlegte Kabel in Kabelgräben, im Putz, in Kanälen, auf Kabelpritschen und flexible Kabel für bewegliche Geräte oder Anlagen. Weitere Beanspruchungsbedingungen eines Kabels bestimmen wesentlich seine Konstruktion:
Die Temperaturbeständigkeit von Kabeln wird in Wärmeklassen (nach IEC 60085) angegeben:
Wärme- klasse |
Grenz- temperatur in °C |
Isolierstoffe | Anwendungsbeispiele |
---|---|---|---|
Y | 90 | PVC; PET; Naturgummi; Baumwolle; Papierprodukte; Kunstseide | Leitungen und Abdeckungen |
A | 105 | Synthetischer Kautschuk; Isolieröle; | Leitungen, Wicklungen, Isolierschlauch |
E | 120 | Mit Kunstharzlacken getränkte Papierschichtstoffe | Wicklungen |
B | 130 | Ungetränkte und getränkte Glasfaserprodukte; Pressteile mit mineralischen Füllstoffen | Wicklungen und Pressteile |
F | 155 | Mit geeigneten Harzen (z. B. Epoxidharz) getränkte Glasfaserprodukte; Polyester-Lacke | Wicklungen |
H | 180 | Mit Silikonharzen getränkte Glasfaser- und Glimmerprodukte; synthetischer Kautschuk | hitzefeste Leitungen und Wicklungen, Abdeckungen, Isolierschläuche |
C | > 180 | Glimmer; Glas, Porzellan und andere keramische Werkstoffe; mit Silikonharzen getränkte Glasfaser- und Glimmerprodukte; | Hitzefeste Wicklungen |
Ein Kabelbaum ist eine geräte-, erzeugnis- oder anlagenspezifische Zusammenfassung von einzelnen Leitungen und Kabeln zu einem vorgefertigten Verbund, der oft bereits mit Steckverbindern versehen ist. In Automobilen befinden sich Kabelbäume mit etwa 50 kg Masse. Kabelbäume übertragen sowohl elektrische Leistung als auch Signale.
Die für ein Kabel zulässige Stromstärke hängt von folgenden Kriterien ab:
Entsprechende Angaben findet man zum Beispiel in EN 60204-1:2007-06 „Elektrische Ausrüstung von Maschinen – Allgemeine Anforderungen“.
Bei HF- und Signalkabeln spielt auch die Impedanz bzw. die Wellenimpedanz sowie die dielektrische Güte bzw. der dielektrische Verlustfaktor des Isolationswerkstoffes eine Rolle.
Bei NF-Kabeln ist neben dem Wirkwiderstand R' (Ohm/km) auch die Kapazität C' (µF/km) von wesentlicher Bedeutung. Die Kabelkapazität von Steuerkabeln hat einen Wert von ca. 0,3 µF/km.
Für Hochfrequenz und Breitband-Signalübertragung werden (auch für hohe Übertragungsleistungen) meistens Koaxialkabel verwendet. Diese haben prinzipiell kein nach außen dringendes elektrisches und magnetisches Feld, wenn der Mantelleiter geschlossen ist und die Seele in der Mitte ist. Koaxialkabel für Hochfrequenzanwendung haben daher ein Dielektrikum, das bei möglichst geringer Dichte den Innenleiter optimal stützt. Die zur Verlustarmut erforderliche geringe Dichte wird oft durch Luftanteile oder Schaumstoff erreicht. Außen ist oft eine doppelte Schirmung, bestehend aus Geflecht und Metallfolie, aufgebracht. Solche Koaxialkabel sind sehr störsicher. Sie haben meistens eine Wellenimpedanz von Z = 50 … 75 Ohm.
Früher verwendete man für Antennenleitungen auch sog. Bandleitungen (Z = 240 Ohm). Sie bestehen aus zwei symmetrisch angeordneten, mit einem Isolierstoffsteg verbundenen Adern. Diese Kabel sind aufgrund der nach außen dringenden Felder störempfindlicher, weisen jedoch eine geringere Dämpfung als Koaxialkabel auf, wenn sie auf Abstand zu Gebäudeteilen verlegt werden.
Als Signalleitungen oder Steuerleitungen werden oft mehradrige, geschirmte oder ungeschirmte Kabel mit Querschnitten von 0,14 bis 0,5 mm² verwendet, die, wenn die Länge des Kabels (z. B. bei Telefonhörern, Tastaturen, Kopfhörern u. dgl.) variabel sein soll, auch als sogen. „Spiralkabel“ ausgeführt sein können.
Zur Übertragung hoher Datenraten, z. B. bei USB-Kabeln, werden sog. Twisted-Pair-Kabel verwendet: Ein oder mehrere Adernpaare sind dabei jeweils miteinander verdrillt und ggf. außerdem in separaten Abschirmungen geführt.
Flachbandkabel („Hosenträgerkabel“) bestehen aus einer Vielzahl parallel nebeneinander liegender Adern und werden besonders innerhalb von Computern und elektronischen Geräten als Signalleitungen verwendet. Sie können kostengünstig und zuverlässig mit der Schneidklemmtechnik angeschlossen werden.
Es gibt auch gefaltet in runden Abschirmmänteln geführte Bandkabel, um gleichfalls die Schneidklemmtechnik nutzen zu können.
Bei sicherheitsrelevanten Systemen, wie Sicherheitsbeleuchtungsanlagen, Brandmeldeanlagen oder Alarmierungsanlagen fordern einschlägige Vorgaben für den Brandfall in bestimmten Bereichen bei Kabeln und Leitungen einen integrierten Funktionserhalt für eine festgelegte Zeitspanne. Unter Alarmierungsanlagen sind hier keine Alarmanlagen im Sinne von Einbruchmeldetechnik gemeint, für solche Systeme ist in der Regel kein Funktionserhalt notwendig. Vielmehr handelt es sich um Anlagen gem. DIN VDE 0828 oder DIN VDE 0833-4, die durch akustische Signalisierung anwesende Personen bei Gefahren warnen und zur Gebäuderäumung veranlassen.
In Deutschland ist dieser Sachverhalt in der DIN 4102 Teil 12 und der bundeslandspezifischen Umsetzung der „Muster-Leitungsanlagen-Richtlinie“ MLAR geregelt. Das bedeutet, dass die Verkabelung (Befestigungsmaterial und Kabel) bei Brandeinwirkung für eine festgelegte Zeit funktionsfähig bleiben muss. In dieser Zeit darf weder der Isolationswiderstand so klein werden, dass es zu einem Stromfluss zwischen den Leitern kommt, noch darf der Widerstand des Leiters so ansteigen, dass der Stromfluss behindert würde. Mit anderen Worten dürfen weder Kurzschluss noch Unterbrechung auftreten. Diese Eigenschaften werden durch einen speziellen Aufbau der Leitung sowie besondere Materialien für die Isolierung erreicht. Die Leitungen sind von außen durch ihren orangefarbenen Mantel (roter Mantel bei Brandmeldekabeln) sowie durch einen kennzeichnenden wiederholten Aufdruck zu erkennen. Gebräuchliche Zeiten für den erforderlichen Funktionserhalt sind 30 Minuten, 60 Minuten oder 90 Minuten (E30, E60, E90). Geraten diese Leitungen nach Ablauf des Zeitraumes in Brand, weisen sie überdies eine höhere Brandlast als normale Leitungen, wie NYM oder J-Y(St)Y auf.
Um einen wirksamen Funktionserhalt zu erzielen, ist neben der Leitung auch das Leitungsführungssystem und die Umgebung zu betrachten. Die verschiedenen Formen der Leitungsführungssysteme (Kabelrinne, Stahlpanzerrohr, Einzelbefestigung) haben gemein, dass sie ebenfalls für die entsprechende Dauer einem Feuer standhalten müssen.
Gemeinsam mit der Leitung ergeben sie eine sogenannte „geprüfte Leitungsanlage“. Entsprechend geprüfte Kombinationen werden durch die Hersteller in Prüfzertifikaten benannt. Die Installationsumgebung ist so zu gestalten, dass die Kabel und Leitungen während der Brandeinwirkung nicht durch berstende oder herabfallende Teile beeinträchtigt oder zerstört werden.
Früher wurden Kabel häufig mit Blei ummantelt. Bei Erdkabeln wurde der Bleimantel zusätzlich mit geteerter Jute und teilweise auch einer Stahlspirale geschützt. Als Isolationsmaterial um die Leiter kam ebenfalls Jute oder auch Papier zum Einsatz, welche zumeist durch Wachs imprägniert wurden. Zur Bearbeitung solcher Adern musste diese Isolierung erst geschmeidig gemacht werden, was durch ein Bad in einer Wanne aus flüssigem Wachs erfolgte und viel Erfahrung erforderte.
Optische Leiter: