Kabel

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Dieser Artikel befasst sich mit dem Kabel als Leiter. Für weitere Bedeutungen, siehe Kabel (Begriffsklärung).

Ein Kabel ist ein Verbund mehrerer Litzenleitungen, isolierter Drähte, Adern oder Fasern. Dieser Verbund ist durch den Kabelmantel zusammengehalten, der eine zusätzliche Isolation, eine Abschirmung, mechanische Bewehrung oder einen Knickschutz beinhalten kann.

Zweck eines Kabels ist die möglichst verlustarme, geschützte Durchleitung elektrischer Ströme für die Energie- oder Datenübertragung.

Glasfaserkabel übertragen Licht oder Laserstrahlung zur Nachrichtenübertragung oder zur Materialbearbeitung.

abisolierte Aderenden, aus denen ein Kabel zusammengesetzt ist

Kabel als elektrotechnischer Begriff ist nicht einheitlich definiert, er bezeichnet jedoch meist ummantelte elektrische Leitungen (mit mehreren Adern). Teilweise werden auch nur elektrische Leitungen, die für die Verlegung im Erdreich konzipiert sind, als Kabel bezeichnet, das kann jedoch nicht verallgemeinert werden.

[Bearbeiten] Primäre Unterscheidungsmerkmale

Teilnehmeranschlussleitung (Erdkabel)

[Bearbeiten] Die Leiteranzahl

Die Anzahl der Strom führenden Drähte oder Litzenleitungen (auch Adern genannt) im Kabel ist die Adernanzahl. Bei mehradrigen Kabeln ist immer jede einzelne Ader von einem eigenen Isolator, der Adernisolierung, umhüllt, während eine äußere Umhüllung, der Kabelmantel, alle Adern umgibt:

Bei zweiadrigen Kabeln für Gleichstrom sind die Farben der Adernisolation oft rot für Plus (+) und schwarz für Minus (−), bei Netzspannung Wechselstrom meistens braun und blau, auch dann, wenn bei steckbaren Netzanschlussleitungen blau nicht immer der Neutralleiter ist.

Bei Netzkabeln ist bei Schutzklasse I ein grün-gelber Schutzleiter mitgeführt. Dieser führt Erdpotential und dient dazu, im Fehlerfall gefährliche Berührungsspannungen an leitfähigen Gehäuse- oder Bedienteilen zu verhindern, indem diese gegen Erde abgeleitet werden. Hinzu kommt ein schwarzer oder brauner Außenleiter und ein blauer Neutralleiter. Bei Geräteanschlußleitungen sind die Farben braun und schwarz ebenfalls gebräuchlich, obwohl die Zuordnung zu Neutral- und Außenleiter nicht gegeben ist.

Bei Drehstrom werden nach alter Norm zwei schwarze und ein brauner, nach neuer Norm ein brauner, ein schwarzer und ein grauer Außenleiter verwendet. Der Neutralleiter kann bei symmetrischer Last oder bei Verwendeung eines PEN-Leiters gegebenenfalls entfallen. In diesem Fall ist einer der Außenleiter häufig blau, sofern die Anlage vor 2004 errichtet wurde.

In Altbauten findet man gelegentlich noch die nicht mehr zulässigen Kabelfarben Schwarz für den Außenleiter, Rot für geschaltete Außenleiter und den Schutzleiter sowie Grau für den Neutralleiter. Aufgrund der Verwechslungsgefahr dürfen in Installationen und Industrieanlagen mit Netzspannung die Adernfarben rot, gelb und grün nicht mehr verwendet werden, die Farbe gelb/grün ist dem Schutzleiter vorbehalten.

Kabel für Hochspannung sind oft einadrig. Es gibt jedoch auch zweipolige Hochspannungskabel für Gleichstrom und dreiadrige Hochspannungskabel für Drehstrom. Mitunter werden auch zweipolige Kabel einpolig betrieben, in dem sie an ihren Enden parallelgeschaltet werden.

Kabel für EDV, Signalübertragung und Nachrichtentechnik haben je nach Einsatzzweck zwei bis mehrere tausend Adern. Außerdem wird nach der Art der Adernverseilung unterschieden (zum Beispiel lagenverseilt, paarverseilt, Sternvierer). Signalkabel-Adern sind oft paarweise oder insgesamt von einem Schirm umgeben.

Kabel für nieder- und hochfrequente Signale sind oft Koaxialkabel.

Lichtleitkabel bestehen aus einer Glas- oder Kunststofffaser sowie einem relativ dicken Mantel, der mechanischen Schutz und (besonders bei Leistungsanwendungen der Laser-Materialbearbeitung) eine Begrenzung des Biegeradius bewirkt.

[Bearbeiten] Das Material der Adern

In fast allen elektrischen Kabeln kommen reine Metalle mit möglichst niedrigem spezifischen Widerstand zum Einsatz. Die Ausnahme sind Heizleitungen und Ausgleichsleitungen von Thermoelementen.

Am häufigsten wird Kupfer, für Hochspannung auch Aluminium, als Adermaterial verwendet. In Sonderfällen werden Supraleiter verwendet, welche unter ihre Sprungtemperatur abgekühlt werden müssen, indem Kühlmittel durch separate Kanäle im Kabel gepumpt wird.

In professionellen Kommunikationsnetzen kommen neben Kupferadern auch optische Leiter (Glasfaserkabel, Lichtleitkabel) zum Einsatz.

20 m Netzwerkkabel

[Bearbeiten] Das Material der Adernisolation

Die Adernisolation soll einen möglichst hohen spezifischen elektrischen Widerstand haben und muss auch Überspannungen standhalten. Oft muss sie auch einen möglichst geringen dielektrischen Verlustfaktor haben.

Früher verwendete man dafür 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.

Ein gebräuchlicher Isolationswerkstoff heutiger Energie- und Signalkabel ist Polyvinylchlorid (PVC). 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 hohen Frequenzen oder großen Längen oft ungeeignet ist. Breitband-Signalkabel, Hochfrequenzkabel und auch Telefonleitungen sind daher oft mit Polyethylen (PE) isoliert.

Kabel für extrem hohe Anforderungen werden mit PTFE (Teflon) isoliert (z.B. Triebwerksbereich in Flugzeugen). Für flexible, thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Kabel wird Gummi als Isolation verwendet. Silikongummi wird bei hohen Temperaturen und hohen Spannungen eingesetzt.

Die Adern von Kabeln bestehen bei flexiblen Anwendungen und im KFZ- und Anlagenbau aus Litzenleitungen. Bei besonders hoher mechanischer Beanspruchung (Handgeräte, Kabelschlepp, Veranstaltungs- und Bühnentechnik) werden sogenannte feinstdrähtige Litzen und eine spezielle Verseilung angewendet.

[Bearbeiten] Das Material der Ummantelung

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 sind mit zahlreichen Bewehrungen (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 wird automatisch 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 Metall-Beschichtung 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.

Flach- oder Bandkabel mit Schneidklemm-Steckverbindern

[Bearbeiten] Art der Verlegung/Beanspruchung

Die Beanspruchungsbedingungen eines Kabels bestimmen wesentlich seine Konstruktion, z.B.:

Verlegung auf dem Meeresgrund Seekabel: starke Bewehrung, zugfest, längs- und querwasserdicht
unterirdische Verlegung (Erdkabel): sichere Ummantelung, evtl. Bewehrung, ggf. längs- und querwasserdicht
oberirdisch im Außenbereich: Ultraviolett-stabiler Mantel, zugfest
für bewegliche Geräte: fein- oder feinstdrähtige Adern, evtl. Gummi-Isolation z.B. Ölflex
mechanische Beanspruchung durch Kanten: Gewebe, Lackgewebe, Lackglasfasergewebe
in brandgefährdeten Räumen: halogenfreie, schwer entflammbare Isolation
Einfluss von Kohlenwasserstoffen: Ölfeste Werkstoffe
hohe Temperaturen oder Erwärmung: Gummi, Silikongummi, PTFE
hohe elektrische oder magnetische Störeinflüsse oder Störempfindlichkeit: verdrillte Adernpaare, einfache oder doppelte Abschirmung

[Bearbeiten] Energiekabel

15 cm Außendurchmesser ölgekühlte Kabel, die in Dreierbündeln die gesamte Grand-Coulee-Talsperre durchlaufen. Dieses Bild zeigt den Einlauf in die "Potheads" oberhalb der Talsperre. Nachträglich wurden dort Brandschutz-Mörtel Schotts eingebaut. Sollte ein Kabel ausschlagen, wird automatisch die Ölzufuhr abgestellt, um dem Feuer keinen Brennstoff zu liefern

Die für ein Kabel zulässige Stromstärke hängt von folgenden Kriterien ab:

Temperaturbeständigkeit der Isolierung
Querschnitt der Leiter
Anzahl der Leiter
Umgebungstemperatur
Verlegeart
Häufung von Leitungen
Betriebsspannung

Entsprechende Angaben findet man zum Beispiel in EN 60204-1:2007-06 „Elektrische Ausrüstung von Maschinen – Allgemeine Anforderungen“.

[Bearbeiten] Hochfrequenz- und Signalkabel

Bei HF- und Signalkabeln spielt auch die Impedanz bzw. der Wellenwiderstand sowie die dielektrische Güte bzw. der dielektrische Verlustfaktor des Isolationswerkstoffes eine Rolle.

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, welches 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.

Koaxialkabel haben meist einen Wellenwiderstand (Impedanz) von 50…75 Ohm.

Früher verwendete man für Antennenleitungen auch sog. Stegleitungen (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 werden oft mehradrige, geschirmte oder ungeschirmte Kabel mit Querschnitten von 0,14 bis 0,5 mm² verwendet.

Zur Übertragung hoher Datenraten werden sog. Twisted-Pair-Kabel verwendet: Ein oder mehrere Adernpaare sind jeweils miteinander verdrillt und in separaten Abschirmungen geführt.

Bandkabel („Hosenträgerkabel“) bestehen aus eine 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.

[Bearbeiten] Funktionserhalt

Bei sicherheitsrelevanten Systemen, wie Sicherheitsbeleuchtungsanlagen, Brandmeldeanlagen oder Alarmierungsanlagen fordern einschlägige Vorgaben in bestimmten Bereichen Kabel und Leitungen mit integriertem Funktionserhalt. 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 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 I-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.

[Bearbeiten] „Kabelsalat“

Schwer zu lösende Knoten in Kabeln und unübersichtliche, verworrene Kabelmengen werden umgangssprachlich als Kabelsalat bezeichnet. Um „Kabelsalat“ zu vermeiden, ist es wichtig, das Kabel ordentlich zusammenzulegen. Hierbei ist darauf zu achten, dass das Kabel stets in gleicher Richtung wie seine Adern (nicht in sich verdreht) zusammengelegt wird. Dieses erreicht man dadurch, dass man das Kabel durch die Handfläche gleiten lässt und es mit den Fingern in die richtige Lage dreht. Meistens strebt das Kabel von sich aus in diese Lage. Diesen Vorgang nennt man auch aufschießen. Das Wort aufschießen wiederum kommt aus der Seefahrer-Sprache (Aufschießen einer Leine).