Kabel

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.

Unterscheidungsmerkmale Für den Begriff Kabel gibt es je nach Anwendungsfeld unterschiedliche Definitionen. Für elektrische Energieleiter als Untermenge der elektrischen Leitung existiert mit dem IEV-Eintrag 826-15-01 lediglich der globale Begriff Kabel- und Leitungsanlagen.DIN VDE 0100-200:2006-03, Abschnitt 826-15-01 Kabel- und Leitungsanlage, „Gesamtheit, bestehend aus einem oder mehreren isolierten Leitern, Kabeln und Leitungen oder Stromschienen, und deren Befestigungsmittel, sowie falls notwendig deren mechanischer Schutz“ Im Detail wird zwischen Installationsleitungen und Kabeln in den jeweiligen Produktnormen in der VDE-Gruppe 0200 (für Kabel insbesondere VDE 0266, VDE 0271 und VDE 0276-603 bis -632) unterschieden. Allgemein gilt für Kabel als Energieleiter aber die Festlegung, dass diese „im Vergleich mit Leitungen höheren mechanischen Beanspruchungen standhalten und in der Erde“ (→ Erdkabel) verlegt werden, und zwar unabhängig davon, ob es sich um einadrige oder mehradrige Energieleiter handelt.

Beim Luftkabel, einem in der leitungsgebundenen Telekommunikation gängigen Begriff, handelt es sich um einen selbsttragenden Kabelaufbau mit ausreichenden Stützelementen, der für die Aufhängung an Masten und ähnlichen Einrichtungen ohne Zuhilfenahme anderer stützender Drähte oder Leiter vorgesehen ist.

Die ähnlich den Luftkabeln aufgebauten YMT-Leitungen für die Verwendung als selbsttragende Leitung in Freileitungsnetzen zur Energieversorgung und für den Hausanschluss im ländlichen Raum werden als Isolierte Starkstromleitung oder PVC-Mantelleitung mit Tragseil bezeichnet und nicht den Kabeln zugerechnet. Sie sind nicht geeignet zur freien Verlegung in Erde; die Verlegung im Wasser ist zulässig.

In der Daten-, Netzwerk-, Signal- und Audiotechnik und ähnlichen Fachbereichen wird allgemein die Zusammenfassung mehrerer, voneinander isolierter Leiter (Adern) zu einer fest verbundenen Einheit als Kabel betrachtet; hier wird dieser Begriff aus dem englischen Sprachraum übernommen, der begrifflich nicht zwischen den Bauarten Kabel und Leitung unterscheidet (alles derartige ist cable). Die einzelnen Adern sind meist elektrische Leiter, können aber zum Beispiel auch optische Leiter sein.

Freileitungen sind elektrische Leiter ohne Isolierung – die umgebende Luft dient als Isolator. Die einem Drahtseil ähnlichen Leiter werden nicht als Kabel bezeichnet, obwohl dicke Seile seemännisch als Kabel bezeichnet werden.

mini|Mehradrige Installationsleitung in der Elektroinstallation

Aufbau mini|Konfektioniertes Datenkabel

Der Kabelaufbau muss mehreren Erfordernissen entsprechen: Kostengünstige Herstellung Beanspruchungen bei der Installation (Zugfestigkeit, Biegeradius usw.) Umwelt- und Betriebsbedingungen (Korrosion, Temperatur, Verkehrslasten usw.) Investitionszweck (Energie- oder Informationsübertragung also Aderzahl, Leiterquerschnitt usw.)

Leiteranzahl Die Zahl der Strom führenden bzw. optischen Leiter (auch Adern genannt) im Kabel ist die Leiteranzahl oder Aderzahl. Bei mehradrigen Kabeln (damit sind nicht Litzenkabel gemeint) ist immer jede einzelne Ader von einem eigenen Isolator, der Aderisolierung, 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 (−). In Netzkabeln wird ein schwarzer oder brauner Außenleiter und ein blauer Neutralleiter verwendet. Bei Geräteanschlussleitungen sind die Farben braun und schwarz ebenfalls gebräuchlich, obwohl die Zuordnung zu Neutral- und Außenleiter nicht gegeben ist. Bei Netzkabeln der Schutzklasse I kommt ein grün-gelber Schutzleiter hinzu. Dieser führt Erdpotential und dient dazu, im Fehlerfall gefährliche Berührungsspannungen an leitfähigen Gehäuse- oder Bedienteilen zu verhindern, indem diese gegen Erde abgeleitet werden. 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 Verwendung 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 für Neuinstallationen nicht mehr zulässigen Aderfarben nach alter Norm (bestehende Installationen stehen in Deutschland unter Bestandsschutz). Nach alter deutscher Norm war bis 1965: Schwarz der Außenleiter, Grau konnte ein Neutralleiter oder PEN (früher als Null-Leiter bezeichnet) sein, Rot war der Schutzleiter (PE), konnte aber auch ein geschalteter Außenleiter sein. Blau konnte im Dreileiter-Wechselstromnetz ein Außenleiter sein (L1: Schwarz; L2: Rot; L3: Blau; PEN: Grau). In Installationen und Industrieanlagen mit Netzspannung dürfen die Aderfarben Gelb und Grün nur dann verwendet werden, wenn keine Verwechslungsgefahr mit dem Schutzleiter (grün-gelb) besteht. Rot isolierte Drähte sind nur für Steuersignale zulässig, die vom Netz galvanisch getrennt sind. Hochspannungskabel sind oft einadrig. Es gibt jedoch auch zweipolige Hochspannungskabel für Gleichspannung. Dreiadrige Hochspannungskabel für Dreiphasenwechselstrom werden auch als H-Kabel bezeichnet. Mitunter werden auch zweipolige Kabel einpolig betrieben, indem sie an ihren Enden parallelgeschaltet werden. Kabel für EDV, Signalübertragung und Nachrichtentechnik können je nach Einsatzzweck zwei bis mehrere tausend Adern haben. 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.

Leitermaterial

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. orf.at, 20. März 2017, abgerufen am 21. März 2017.

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. 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.G. F. Moore (Hrsg.): Electric Cables Handbook. 3rd Edition, Blackwell Science, 1997, ISBN 0-632-04075-0, S. 33. Metall RelativeLeitfähigkeit (Kupfer = 100) ElektrischerWiderstand 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 () 12 13,8 0,0045 Blei 8 21,4 0,0040

Kennzeichnung vieladriger Leitungen 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.

Isolierstoffe mini|Aufbringen der Aderisolation in einem Extruder mini|Prinzip der Kabelextrusion