Bei optischen und elektrischen Kabeln ist Feuchtigkeit der bedeutendste Faktor für Leistungseinbußen. Dringt Wasser in ein optisches Kabel ein, erhöht es die Dämpfung der Faser; dringt es in ein elektrisches Kabel ein, verringert es dessen Isolationsleistung und beeinträchtigt somit dessen Funktion. Daher werden bei der Herstellung optischer und elektrischer Kabel wasserabweisende Elemente wie absorbierende Materialien integriert, um das Eindringen von Feuchtigkeit oder Wasser zu verhindern und die Betriebssicherheit zu gewährleisten.
Zu den wichtigsten Produktformen von wasserabsorbierenden Materialien gehören wasserabsorbierendes Pulver,wasserabweisendes Klebeband, wasserblockierendes Garnund quellfähiges wasserabweisendes Fett usw. Je nach Einsatzort kann ein bestimmter Typ von wasserabweisendem Material verwendet werden, oder es können mehrere verschiedene Typen gleichzeitig verwendet werden, um die Wasserdichtigkeit der Kabel zu gewährleisten.
Mit der rasanten Verbreitung der 5G-Technologie nimmt der Einsatz von Glasfaserkabeln stetig zu, und die Anforderungen an sie steigen. Insbesondere durch die Einführung von Umweltauflagen gewinnen vollständig trockene Glasfaserkabel zunehmend an Bedeutung. Ein wesentliches Merkmal dieser Kabel ist, dass sie keine wasserabweisenden Fette zum Füllen oder Quellen verwenden. Stattdessen kommen wasserabweisende Bänder und Fasern zum Einsatz, die den gesamten Kabelquerschnitt wasserdicht machen.
Die Verwendung von wasserabweisenden Bändern in Kabeln und Glasfaserkabeln ist weit verbreitet und Gegenstand zahlreicher Forschungsarbeiten. Im Gegensatz dazu gibt es vergleichsweise wenige Studien zu wasserabweisenden Garnen, insbesondere zu wasserabweisenden Fasermaterialien mit superabsorbierenden Eigenschaften. Aufgrund ihrer einfachen Verarbeitung und der unkomplizierten Anwendung bei der Herstellung von optischen und elektrischen Kabeln sind superabsorbierende Fasermaterialien derzeit das bevorzugte wasserabweisende Material in der Kabel- und Glasfaserfertigung, insbesondere bei Trockenkabeln.
Anwendung in der Stromkabelherstellung
Mit dem kontinuierlichen Ausbau der chinesischen Infrastruktur steigt auch der Bedarf an Stromkabeln für Energieprojekte stetig. Kabel werden üblicherweise erdverlegt, in Kabelgräben, Tunneln oder oberirdisch verlegt. Dabei sind sie zwangsläufig feuchten Umgebungen ausgesetzt oder stehen in direktem Kontakt mit Wasser. Sie können sogar kurz- oder langfristig unter Wasser stehen, wodurch Wasser langsam in das Kabelinnere eindringt. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes können sich in der Isolierschicht des Leiters baumartige Strukturen bilden – ein Phänomen, das als Wasserbaumbildung bekannt ist. Erreichen diese Wasserbäume eine gewisse Größe, führen sie zum Durchbruch der Kabelisolierung. Wasserbaumbildung gilt international als eine der Hauptursachen für die Alterung von Kabeln. Um die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Stromversorgung zu verbessern, müssen Kabelkonstruktion und -herstellung wasserabweisende Strukturen oder Abdichtungsmaßnahmen beinhalten, um eine gute Wasserdichtigkeit der Kabel zu gewährleisten.
Die Wege des Wassereintritts in Kabeln lassen sich grundsätzlich in zwei Typen unterteilen: radiales (oder transversales) Eindringen durch den Mantel und longitudinales (oder axiales) Eindringen entlang des Leiters und des Kabelkerns. Zur radialen (transversalen) Wasserabdichtung wird häufig ein umfassend wasserdichter Mantel verwendet, beispielsweise ein längs umwickeltes und anschließend mit Polyethylen extrudiertes Aluminium-Kunststoff-Verbundband. Ist eine vollständige radiale Wasserabdichtung erforderlich, kommt ein Metallmantel zum Einsatz. Bei gängigen Kabeln konzentriert sich der Wasserschutz hauptsächlich auf das longitudinale (axiale) Eindringen von Wasser.
Bei der Auslegung des Kabelaufbaus müssen die Wasserdichtheitsmaßnahmen die Wasserbeständigkeit in Längsrichtung (axial) des Leiters, die Wasserbeständigkeit außerhalb der Isolierschicht und die Wasserdichtheit der gesamten Struktur berücksichtigen. Üblicherweise werden Leiter wasserdicht gemacht, indem wasserdichte Materialien in und auf den Leiter aufgebracht werden. Bei Hochspannungskabeln mit in Segmente unterteilten Leitern empfiehlt sich die Verwendung von wasserdichtem Garn als Dichtungsmaterial im Mittelteil (siehe Abbildung 1). Wasserdichtes Garn kann auch bei vollständig wasserdichten Kabelstrukturen eingesetzt werden. Durch das Einbringen von wasserdichtem Garn oder daraus gewebten Seilen in die Zwischenräume der verschiedenen Kabelkomponenten werden die Kanäle für den Wasserfluss in axialer Richtung blockiert, um die Anforderungen an die Längsdichtheit zu erfüllen. Das Schema eines typischen vollständig wasserdichten Kabels ist in Abbildung 2 dargestellt.
In den oben genannten Kabelkonstruktionen dienen wasserabsorbierende Fasermaterialien als Wassersperrschicht. Der Mechanismus beruht auf der großen Menge an Superabsorberharz auf der Oberfläche des Fasermaterials. Bei Kontakt mit Wasser dehnt sich das Harz rasch auf das 10- bis 110-fache seines ursprünglichen Volumens aus und bildet eine geschlossene Wassersperrschicht im Umfang des Kabelkerns. Dadurch werden die Wassereintrittskanäle blockiert und die weitere Diffusion und Ausbreitung von Wasser oder Wasserdampf in Längsrichtung verhindert, wodurch das Kabel wirksam geschützt wird.
Anwendung in optischen Kabeln
Die optische Übertragungsleistung, die mechanische Belastbarkeit und die Umweltbeständigkeit von Glasfaserkabeln sind die grundlegendsten Anforderungen an ein Kommunikationssystem. Eine Maßnahme zur Sicherstellung der Lebensdauer eines Glasfaserkabels besteht darin, das Eindringen von Wasser in die Glasfaser während des Betriebs zu verhindern, da dies zu erhöhten Verlusten (z. B. Wasserstoffverlusten) führen würde. Das Eindringen von Wasser beeinflusst die Lichtabsorptionsspitzen der Glasfaser im Wellenlängenbereich von 1,3 µm bis 1,60 µm und führt somit zu erhöhten Glasfaserverlusten. Dieser Wellenlängenbereich umfasst den Großteil der in aktuellen optischen Kommunikationssystemen verwendeten Übertragungsfenster. Daher ist die wasserdichte Konstruktion ein Schlüsselelement beim Bau von Glasfaserkabeln.
Die Wasserdichtungsstruktur von Glasfaserkabeln lässt sich in radiale und longitudinale Wasserdichtung unterteilen. Bei der radialen Wasserdichtung wird ein umfassender wasserdichter Mantel verwendet, d. h. eine Struktur aus längs umwickeltem Aluminium-Kunststoff- oder Stahl-Kunststoff-Verbundband, das anschließend mit Polyethylen extrudiert wird. Zusätzlich wird ein loses Rohr aus Polymerwerkstoffen wie PBT (Polybutylenterephthalat) oder Edelstahl um die Glasfaser herum angebracht. Bei der longitudinalen Wasserdichtung werden mehrere Lagen wasserdichter Materialien für jeden Bereich der Struktur verwendet. Das wasserdichte Material im Inneren des losen Rohrs (oder in den Nuten eines skelettierten Kabels) wird von einem Füllfett auf ein wasserabsorbierendes Fasermaterial umgestellt. Ein oder zwei Stränge wasserdichten Garns werden parallel zum Verstärkungselement des Kabelkerns angeordnet, um das Eindringen von Wasserdampf in Längsrichtung entlang des Verstärkungselements zu verhindern. Bei Bedarf können wasserundurchlässige Fasern in die Zwischenräume der einzelnen Adern eingefügt werden, um sicherzustellen, dass das Glasfaserkabel strenge Wasserdichtigkeitsprüfungen besteht. Der Aufbau eines vollständig trockenen Glasfaserkabels verwendet häufig eine mehrlagige Verseilung, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Veröffentlichungsdatum: 28. August 2025