Der Aufbau des Kabels scheint einfach, tatsächlich hat jedoch jede Komponente ihren eigenen wichtigen Zweck. Daher muss bei der Herstellung des Kabels das Material jeder Komponente sorgfältig ausgewählt werden, um die Zuverlässigkeit des aus diesen Materialien hergestellten Kabels während des Betriebs zu gewährleisten.
1. Leitermaterial
Historisch wurden für Stromkabelleiter Kupfer und Aluminium verwendet. Natrium wurde ebenfalls kurzzeitig getestet. Kupfer und Aluminium haben eine bessere elektrische Leitfähigkeit, und der Kupferanteil ist bei gleicher Stromstärke relativ geringer, sodass der Außendurchmesser von Kupferleitern kleiner ist als der von Aluminiumleitern. Aluminium ist deutlich günstiger als Kupfer. Da Kupfer eine höhere Dichte als Aluminium hat, ist der Querschnitt von Aluminiumleitern trotz gleicher Strombelastbarkeit größer als der von Kupferleitern. Aluminiumleiterkabel sind jedoch immer noch leichter als Kupferleiterkabel.
2. Dämmstoffe
Für Mittelspannungskabel gibt es zahlreiche Isoliermaterialien, darunter auch technologisch ausgereifte imprägnierte Papierisolationen, die seit über 100 Jahren erfolgreich eingesetzt werden. Extrudierte Polymerisolierungen sind heute weit verbreitet. Zu den extrudierten Polymerisolierungen gehören PE (LDPE und HDPE), XLPE, WTR-XLPE und EPR. Diese Materialien sind sowohl thermoplastisch als auch duroplastisch. Thermoplastische Materialien verformen sich bei Erwärmung, während duroplastische Materialien ihre Form bei Betriebstemperatur behalten.
2.1. Papierisolierung
Papierisolierte Kabel tragen zu Beginn ihres Betriebs nur eine geringe Last und sind relativ gut zu warten. Allerdings belasten immer mehr Verbraucher die Kabel immer stärker, und die ursprünglichen Einsatzbedingungen entsprechen nicht mehr den Anforderungen des aktuellen Kabels. Die anfänglich guten Erfahrungen können dann nicht mehr für den zukünftigen Betrieb des Kabels ausreichen. In den letzten Jahren wurden papierisolierte Kabel seltener verwendet.
2.2.PVC
PVC wird weiterhin als Isoliermaterial für Niederspannungskabel (1 kV) und auch als Mantelmaterial verwendet. PVC wird jedoch zunehmend durch XLPE in der Kabelisolierung ersetzt, und PVC in der Ummantelung wird zunehmend durch lineares Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE), Polyethylen mittlerer Dichte (MDPE) oder Polyethylen hoher Dichte (HDPE) ersetzt. Zudem weisen Kabel ohne PVC geringere Lebenszykluskosten auf.
2.3. Polyethylen (PE)
Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) wurde in den 1930er Jahren entwickelt und wird heute als Basisharz für vernetztes Polyethylen (XLPE) und wasserbeständiges, baumvernetztes Polyethylen (WTR-XLPE) verwendet. Im thermoplastischen Zustand beträgt die maximale Betriebstemperatur von Polyethylen 75 °C und ist damit niedriger als die Betriebstemperatur von papierisolierten Kabeln (80–90 °C). Dieses Problem wurde mit der Einführung von vernetztem Polyethylen (XLPE) gelöst, das die Betriebstemperatur von papierisolierten Kabeln erreichen oder übertreffen kann.
2.4.Vernetztes Polyethylen (XLPE)
XLPE ist ein duroplastisches Material, das durch Mischen von Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) mit einem Vernetzungsmittel (z. B. Peroxid) hergestellt wird.
Die maximale Leiterbetriebstemperatur des XLPE-isolierten Kabels beträgt 90 °C, der Überlasttest beträgt bis zu 140 °C und die Kurzschlusstemperatur kann 250 °C erreichen. XLPE hat ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften und kann im Spannungsbereich von 600 V bis 500 kV verwendet werden.
2.5. Wasserbeständiges, vernetztes Polyethylen (WTR-XLPE)
Das Wasserbaumphänomen verkürzt die Lebensdauer von XLPE-Kabeln. Es gibt viele Möglichkeiten, das Wachstum von Wasserbäumen zu reduzieren. Eine der gängigsten ist jedoch die Verwendung speziell entwickelter Isoliermaterialien, die das Wachstum von Wasserbäumen hemmen. Dabei handelt es sich um wasserbeständiges, vernetztes Polyethylen (WTR-XLPE).
2.6. Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPR)
EPR ist ein duroplastischer Werkstoff aus Ethylen, Propylen (manchmal einem dritten Monomer). Das Copolymer der drei Monomere wird als Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) bezeichnet. EPR bleibt über einen weiten Temperaturbereich stets weich und weist eine gute Koronabeständigkeit auf. Der dielektrische Verlust von EPR-Material ist jedoch deutlich höher als der von XLPE und WTR-XLPE.
3. Isolierungsvulkanisationsprozess
Der Vernetzungsprozess ist spezifisch für das verwendete Polymer. Die Herstellung vernetzter Polymere beginnt mit einem Matrixpolymer. Anschließend werden Stabilisatoren und Vernetzer zu einer Mischung hinzugefügt. Durch den Vernetzungsprozess werden der Molekülstruktur weitere Verbindungspunkte hinzugefügt. Nach der Vernetzung bleibt die Polymermolekülkette elastisch, kann aber nicht vollständig in eine flüssige Schmelze zerlegt werden.
4. Leiterabschirmung und isolierende Abschirmmaterialien
Die halbleitende Abschirmschicht wird auf die Außenfläche des Leiters und der Isolierung extrudiert, um das elektrische Feld zu vereinheitlichen und im isolierten Kabelkern zu halten. Dieses Material enthält technischen Ruß, um der Abschirmschicht des Kabels eine stabile Leitfähigkeit im erforderlichen Bereich zu ermöglichen.
Veröffentlichungszeit: 12. April 2024