Was ist ein Stromkabel? Verschiedene Arten von Stromkabeln erklärt

Was ist ein Stromkabel — Definition und Kernkonstruktion

A Stromkabel ist eine Anordnung aus einem oder mehreren isolierten elektrischen Leitern, die in einem schützenden Außenmantel eingeschlossen sind und dazu dienen, elektrische Energie von einer Quelle zu einer Last zu übertragen. Im Gegensatz zu Signal- oder Datenkabeln, die zur Informationsübertragung niedrige Spannungen und Ströme übertragen, sind Stromkabel speziell für die Belastbarkeit, Spannungsbelastung und thermischen Bedingungen bei der Stromverteilung und Geräteversorgung ausgelegt.

Der Grundaufbau eines Stromkabels besteht aus drei Funktionsschichten. Die Dirigent – typischerweise verseiltes oder massives Kupfer oder Aluminium – sorgt für den Strompfad mit niedrigem Widerstand. Die Isolierung Die den Leiter umgebende Schicht hält der Betriebsspannung stand und verhindert so Stromlecks zu benachbarten Leitern oder umgebenden Strukturen. Die Außenjacke oder Mantel schützt die internen Komponenten vor mechanischer Beschädigung, Feuchtigkeit, Chemikalien, UV-Strahlung und anderen Umwelteinflüssen, die für die Installationsumgebung relevant sind.

Bei vielen Stromkabelkonstruktionen sind zwischen Isolierung und Mantel zusätzliche Schichten angebracht: Metallschirme oder Abschirmungen für Mittel- und Hochspannungskabel sorgen für die Verteilung des elektrischen Feldes um den Leiter; Panzerungsschichten aus Stahldraht oder -band bieten mechanischen Schutz bei direkter Erdverlegung oder schwerer industrieller Nutzung; und Füllmaterialien erhalten den kreisförmigen Querschnitt des Kabels und verhindern die interne Feuchtigkeitsmigration. Die spezifische Kombination dieser Schichten definiert die Nennspannung, die Stromkapazität, die Installationsmethode und die Betriebsumgebung des Kabels. Aus diesem Grund ist es wichtig, die verschiedenen Arten von Stromkabeln zu verstehen, bevor sie spezifiziert oder beschafft werden.

Verschiedene Stromkabeltypen nach Spannungsklasse

Die grundlegendste Klassifizierung von Arten von Stromkabeln hängt von der Nennspannung ab, da die Spannung die erforderliche Isolationsdicke, das Schirmdesign und die Installationsanforderungen bestimmt. Die drei Hauptspannungsklassen, die in internationalen Normen verwendet werden, sind:

• Niederspannungskabel (NS) – bis zu 1 kV: Wird für Gebäudeverkabelungen, Geräteverbindungen, Industrieschalttafelverkabelungen und Endverteilerkreise verwendet. Der Aufbau ist relativ einfach: isolierte Leiter, oft mit einem PVC- oder LSOH-Außenmantel, ohne Metallschirme. Zu den gebräuchlichen Bezeichnungen gehören NYY, YJV (China), N2XY (IEC) und THHN/THWN (Nordamerika). Die Leiterquerschnitte reichen von 1,5 mm² für Beleuchtungsstromkreise bis 400 mm² oder mehr für Hauptverteiler.
• Mittelspannungskabel (MV) – 1 kV bis 35 kV: Wird für Versorgungsverteilungsnetze, Zuleitungen für Industrieanlagen, Sammelsysteme für Wind- und Solarparks sowie für die unterirdische städtische Verteilung verwendet. Mittelspannungskabel erfordern Leiterschirme, Isolierschirme und Metallmäntel oder Drahtschirme, um das elektrische Feld zu kontrollieren und Teilentladungen zu verhindern. Die XLPE-Isolierung (vernetztes Polyethylen) hat die Papier-Öl-Isolierung in neuen MS-Installationen weitgehend ersetzt, da sie ein geringeres Installationsgewicht aufweist, kein Ölleckrisiko besteht und die Verbindung einfacher ist.
• Hochspannungskabel (HV) und Höchstspannungskabel (EHV) – über 35 kV: Wird für die Massenstromübertragung, U-Boot-Verbindungen und Erdkabel in dicht besiedelten Stadtgebieten verwendet, in denen Freileitungen unpraktisch sind. Bei diesen Spannungsniveaus wird die Konstruktion wesentlich komplexer und erfordert eine präzise extrudierte Isolierung mit extrem geringem Hohlraumgehalt, Blei- oder Wellaluminiumummantelungen zum Schutz vor Feuchtigkeit sowie eine sorgfältige Kontrolle der Glätte der Leiter- und Isolierschirmoberfläche, um eine Verstärkung des elektrischen Feldes an Defekten zu vermeiden. VPE-isolierte Kabel werden im kommerziellen Betrieb mittlerweile mit bis zu 525 kV betrieben.

Verschiedene Stromkabeltypen nach Isoliermaterial

Das Isoliermaterial ist die zweite Hauptachse, entlang der sich die Stromkabeltypen unterscheiden, da es die Temperaturbeständigkeit, die chemische Beständigkeit, die Flexibilität, das Brandverhalten und das langfristige Alterungsverhalten bestimmt. Die derzeit vorherrschenden Dämmsysteme sind:

• PVC (Polyvinylchlorid): Die weltweit am häufigsten verwendete Isolierung für Niederspannungskabel. Wirtschaftlich, einfach zu verarbeiten und in einer breiten Palette von Compound-Formulierungen für unterschiedliche Temperatur- und Flexibilitätsanforderungen erhältlich. Die Standard-PVC-Isolierung ist für eine Leitertemperatur von 70 °C ausgelegt. hitzebeständige Sorten erreichen 90°C. Die Haupteinschränkungen sind die schlechte Leistung bei niedrigen Temperaturen (wird unter -15 °C bis -20 °C spröde), die Freisetzung von ätzendem Chlorwasserstoffgas beim Verbrennen und relativ hohe dielektrische Verluste bei erhöhten Spannungen – weshalb PVC oberhalb von 6 kV nicht verwendet wird.
• XLPE (vernetztes Polyethylen): Mittlerweile die Standardisolierung für MV-, HV- und EHV-Kabel und wird zunehmend auch in LV-Kabeln verwendet. Durch die Vernetzung wird thermoplastisches Polyethylen in ein duroplastisches Material umgewandelt, das seine Eigenschaften auch bei erhöhten Temperaturen beibehält. XLPE-Kabel sind typischerweise für 90 °C im Dauerbetrieb und 250 °C unter Kurzschlussbedingungen ausgelegt, deutlich höher als PVC. XLPE bietet im Vergleich zu PVC außerdem geringere dielektrische Verluste, eine bessere Feuchtigkeitsbeständigkeit und eine bessere Langzeitalterung. Der Nachteil sind höhere Materialkosten und ein anspruchsvollerer Extrusionsprozess.
• EPR (Ethylen-Propylen-Kautschuk): Eine duroplastische Gummiisolierung mit hervorragender Flexibilität über einen weiten Temperaturbereich (-50 °C bis 90 °C), hervorragender Ozon- und UV-Beständigkeit und sehr guter Leistung bei Nässe. EPR ist die bevorzugte Isolierung für Offshore-, Schiffs- und Bergbaukabel, bei denen wiederholtes Biegen, nasse Umgebungen und extreme Temperaturen auftreten. Die höheren Kosten und etwas höheren dielektrischen Verluste im Vergleich zu XLPE schränken den Einsatz in statischen Versorgungskabelinstallationen ein.
• LSOH / LSZH (Low Smoke Zero Halogen): Kein einzelnes Material, sondern eine Verbindungsklasse – Isolierungen und Ummantelungen auf Polyolefinbasis, die so formuliert sind, dass bei der Verbrennung nur minimaler Rauch und keine halogenhaltigen Gase entstehen. In engen Räumen wie Tunneln, U-Bahn-Systemen, Offshore-Plattformen, Rechenzentren und öffentlichen Gebäuden, in denen die Evakuierung in einem Brandszenario von der Aufrechterhaltung der Sicht und der atembaren Luft abhängt, ist dies vorgeschrieben oder wird dringend empfohlen. LSOH-Verbindungen werden sowohl für die Isolierung als auch für den Außenmantel in Niederspannungskabeln für diese Umgebungen verwendet.
• Mineralische Isolierung (MICC-Kabel): Kupferleiter, umgeben von verdichtetem Magnesiumoxidpulver in einem nahtlosen Kupferrohr. Mineralisolierte Kabel sind von Natur aus feuerfest – sie funktionieren auch bei Temperaturen bis zu 1.000 °C – und sind daher in vielen nationalen Bauvorschriften der erforderliche Kabeltyp für feuerkritische Stromkreise, einschließlich Notbeleuchtung, Brandmeldeanlagen und Sprinklerpumpenversorgungen.

Auswahl des richtigen Stromkabels: Installationsmethode und Umgebungsfaktoren

Über die Spannungsklasse und das Isolationsmaterial hinaus bestimmt die Installationsumgebung, welche zusätzlichen Kabelmerkmale erforderlich sind. Je nachdem, wie und wo das Kabel verlegt wird, können der gleiche Leiterquerschnitt und die gleiche Isolationsart sinnvoll oder völlig ungeeignet sein.

Direktbestattung im Boden ist entweder ein armiertes Kabel (Stahldrahtarmierung oder Stahlbandarmierung) erforderlich, um mechanischen Schäden durch Bodenbewegungen und Aushubarbeiten zu widerstehen, oder die Installation in einem Rohr, das den mechanischen Schutz bietet. Direkt erdverlegte Kabel erfordern außerdem UV-beständige Außenmäntel, wenn ein Teil der Strecke oberirdisch verläuft, sowie eine feuchtigkeitsbeständige Konstruktion, um das Eindringen von Wasser über Jahrzehnte hinweg zu verhindern.

Kabeltrassen und Freiluftinstallationen In Industrieanlagen legen sie Wert auf Flammschutz sowie einfache Inspektion und Austausch. Mehradrige Kabel mit LSOH- oder FR-PVC-Außenmantel auf Kabelleitersystemen sind Standard. Wenn Kabel parallel auf Kabelkanälen verlaufen, gelten in der Regel Stromreduzierungsfaktoren 0,7–0,85 der Einzelkabelwerte abhängig von der Gruppierung – muss angewendet werden, um die gegenseitige Erwärmung zwischen benachbarten Kabeln zu berücksichtigen.

Flexible und schleppfähige Kabel Für mobile Maschinen, Kräne und tragbare Geräte sind feindrähtige Leiter (Klasse 5 oder Klasse 6 gemäß IEC 60228) und eine hochflexible Gummi- oder TPE-Isolierung und -Ummantelung erforderlich, die wiederholtem Biegen ohne Ermüdungsrisse standhält. Diese Kabel sind für einen definierten Mindestbiegeradius und eine begrenzte Anzahl von Biegezyklen ausgelegt – die Angabe eines fest installierten Kabels für eine flexible Anwendung ist einer der häufigsten und folgenreichsten Auswahlfehler in der industriellen Elektrotechnik.

Untersee- und Offshore-Kabel vereinen mehrere Schutzanforderungen gleichzeitig: Druckfestigkeit in der Tiefe, chemische Beständigkeit gegen Meerwasser, mechanischer Schutz gegen Ankerwiderstand und Fanggeräte sowie bei langen Wechselstrom-Seekabeln ein sorgfältiges kapazitives Ladestrommanagement. Hochspannungs-Gleichstrom-Unterseekabel (HGÜ) sind zum Standard für lange Exportverbindungen von Offshore-Windparks geworden, gerade weil die Gleichstromübertragung die Ladestromverluste eliminiert, die lange Wechselstrom-Unterseekabel über etwa 80–100 km hinaus unpraktisch machen.