Isolierung, Ummantelung und Abschirmung

Apr 06, 2023

Das EXRAD 4/0 AWG-Kabel hat einen Durchmesser von fast 1 Zoll und wiegt 0,876 Pfund pro Fuß. Das 1.000-Volt-Kabel verfügt über einen leuchtend orangefarbenen Mantel aus vernetztem Elastomer (XLE), eine geflochtene Abschirmung aus verzinntem Kupfer und eine dünne innere XLE-Isolierung, die 30 Litzen blanken Kupferdrahts umgibt. Foto mit freundlicher Genehmigung von Champlain Cable Corp.

Der Außenmantel dieser verschiedenen Kabel wurde mit dem Schlitzschneider JackStrip 8310 geschlitzt. Es verarbeitet Kabel mit einem Außendurchmesser von 0,1 bis 1 Zoll und einer Länge von bis zu 19,7 Zoll. Foto mit freundlicher Genehmigung von Schleuniger Inc.

Twisted Pair ist eine Art spiralförmige Kabelabschirmung. Die beiden isolierten Leiter sind über die gesamte Länge des Kabelbaums gleichmäßig umeinander verdrillt, um elektromagnetische Störungen durch andere verdrillte Adernpaare im Kabel zu minimieren. Foto mit freundlicher Genehmigung von www.ecvv.com

In jedem Hybrid- und Elektrofahrzeug steckt eine Fülle von Drähten und Kabeln. Alles davon ist wichtig, aber nur ein kleiner Teil sticht durch Größe, Aussehen oder Hochspannungsfähigkeit heraus.

Das 1.000-Volt-Batteriekabel (UL 758) von EXRAD ist aus allen drei Gründen bemerkenswert. Das von Champlain Cable Corp. hergestellte 4/0 AWG-Kabel hat einen Durchmesser von fast 1 Zoll und wiegt 0,876 Pfund pro Fuß. Sein Mantel aus bestrahltem vernetztem Elastomer (XLE) ist nur 0,08 Zoll dick und dennoch stark genug, um jeglichen Streustrom zu isolieren. Die leuchtend orange Farbe der Ummantelung bedeutet, dass EXRAD die EU-Standards für Hochspannungskabel erfüllt.

Unterhalb des Mantels befindet sich eine Abschirmung aus verzinntem Kupfergeflecht. Es deckt 95 Prozent der dünnen inneren XLE-Isolierung (0,12 Zoll dick) des Kabels ab, die 30 blanke Kupferdrahtstränge umgibt. Noch wichtiger ist, dass die Abschirmung gleichzeitig die Emission elektromagnetischer Impulswellen (EMP) verhindert und Daten- und Signalleiter vor externen elektromagnetischen Störungen (EMI) schützt.

Nicht jedes Kabel, das von Kabelbaumherstellern verarbeitet wird, ist so dick oder komplex wie das EXRAD. Aber jedes Kabel – und jeder Draht – benötigt die richtige Ummantelung, Abschirmung und Isolierung, um eine optimale Leistung zu erzielen.

Bei der endgültigen Auswahl dieser Schutzmaterialien haben Gurtzeughersteller häufig kein Mitspracherecht. In solchen Situationen konzentrieren sie sich darauf, sicherzustellen, dass das gelieferte Produkt dem Bestellformular entspricht, und den Draht oder das Kabel richtig abzuschneiden, abzuisolieren oder anzuschließen.

Manchmal werden einem Kabelbaumhersteller jedoch die OEM-Spezifikationen zur Verfügung gestellt und er muss einen Draht- oder Kabellieferanten auswählen. Durch umfassendes Verständnis der verschiedenen Materialien, die zum Isolieren von Drähten sowie zum Ummanteln und Abschirmen von Kabeln verwendet werden, ist der Hersteller besser darauf vorbereitet, den besten Draht oder das beste Kabel für jede Anwendung auszuwählen.

Da Isolierung und Jacken in der Regel aus den gleichen Materialien bestehen, werden die beiden Begriffe häufig synonym verwendet. Dies ist ein Fehler, da die Wörter unterschiedliche Bedeutungen haben.

„Isolierung bezieht sich auf das Material, das in direktem Kontakt mit dem Leiter steht, sei es massiv oder verseilt“, erklärt Rich Goyette, Technik- und Qualitätsmanager bei EIS Wire & Cable. „Sein Zweck ist elektrischer Natur, das heißt, die Wärme und den Strom im Kabel zu halten.

„Der Kabelmantel oder Außenmantel ist das dünne Material, das isolierte Leiter umhüllt. Seine beiden Zwecke sind mechanischer Natur: das Kabel zusammenzuhalten und isolierte Drähte vor Flammen, Öl, Gas oder Wasser zu schützen, je nachdem, wo sich das fertige Kabel befindet.“ Kabelbaum ist installiert.“

„Zu Beginn des 20. Jahrhunderts isolierten Draht- und Kabelhersteller Drähte, indem sie sie in Stoff einwickelten und den Stoff lackierten, um ihn flamm- und hitzebeständig zu machen“, bemerkt Goyette. Bald darauf wurden andere Materialien zur Isolierung verwendet, darunter Papierband und ölbasierte Materialien.

Mit der Entwicklung von Brandschutznormen für die Fertigung nach dem Zweiten Weltkrieg begann man, Drähte entweder mit thermoplastischen oder duroplastischen Materialien zu isolieren. Alle Isolierungen und Jacken bestehen weiterhin aus einem dieser beiden Materialtypen.

Thermoplaste können wiederholt geschmolzen und umgeformt werden, da sie aus linearen Molekülketten bestehen, die sich bei Hitzeeinwirkung trennen. Zu den gebräuchlichsten thermoplastischen Isoliermaterialien gehören Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen (fest oder geschäumt), Polypropylen, Polyurethan, Nylon, Polyvinylidendifluorid (PVDF), fluoriertes Ethylenpropylen (FEP), PTFE (Teflon), FEP-Teflon und Tetrafluorethylen (TFE). ) und thermoplastisches Elastomer (TPE), das wie Kunststoff verarbeitet wird, aber die Eigenschaften und Leistungen von Gummi aufweist.

Duroplastische Materialien werden einmal geformt und verbrennen, wenn kontinuierlich Hitze zugeführt wird. Während des Aushärtungsprozesses vernetzen sich die Polymerketten eines Duroplasten mit anderen Molekülen und bilden so ein natürliches oder synthetisches Gummimaterial. Aus diesem Grund hat ein duroplastisches Material manchmal ein XL (für Cross-Link) im Namen, beispielsweise XLPE für vernetztes Polyethylen. Weitere gängige duroplastische Materialien sind Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) und Silikonkautschuk.

„Wo Größe und Gewicht keine entscheidende Rolle spielen, ist PVC das beliebteste Isoliermaterial, weil es günstig ist, gut haftet, nicht auseinanderfällt und sich leicht abisolieren und anschließen lässt“, behauptet Scott Ziegler, Produktmanager der Lapp Group USA. „Polypropylen und Polyethylen sind viel fester als PVC und dehnen sich nicht sehr stark. Polyurethan ist sehr abriebfest und Teflon bietet hervorragende thermische Stabilität und elektrische Eigenschaften.“

Bei duroplastischen Materialien wird Gummi häufig in Kabelummantelungen und manchmal auch in der Drahtisolierung verwendet, wenn der Kabelbaum über längere Zeit starker Hitze ausgesetzt ist. Neopren (ein synthetischer Gummi) ist sehr weich und schwer zu schneiden.

OEMs konzentrieren sich bei der Auswahl von Isolations- und Ummantelungsmaterialien auf zwei Schlüsselfaktoren. Das erste sind die Umweltbedingungen. Wenn ein Kabel oder Kabelbaum extremer Hitze, Kälte, Feuchtigkeit, Chemikalien oder Abrieb ausgesetzt ist, ist ein robustes Isoliermaterial erforderlich. Zusammengenommen bieten die gängigsten thermoplastischen und duroplastischen Materialien eine gute bis ausgezeichnete Abriebfestigkeit und sind in einem Temperaturbereich von -67 bis 392 F wirksam.

Ein weiterer Faktor ist die Menge und Geschwindigkeit des Stroms oder der Spannung, die der Draht oder das Kabel führen muss. Nicht alle Materialien sind in der Lage, hohen Strömen über einen längeren Zeitraum standzuhalten. Für Signale mit höherer Geschwindigkeit wird geschäumtes Material (wie Polyethylen) bevorzugt. Durch das Einspritzen einer Chemikalie oder eines Gases in das Material erzeugt ein Lieferant Luftblasen in der Isolierung. Diese Blasen ermöglichen den ungehinderten Durchgang von Hochgeschwindigkeitssignalen.

Die Dicke der Isolierung und des Mantels kann zwischen 0,5 mil und mehreren hundert mil liegen und wird durch die angegebene Spannung bestimmt. Im Allgemeinen führt ein dickerer Draht eine höhere Spannung und erfordert eine dickere Isolierung.

Isolierung und Ummantelung gibt es in vielen Farben. Der Färbeprozess beinhaltet das Mischen eines Farbstoffs mit der Harzverbindung während der ersten Extrusionsphase. Der Farbstoff hat keinen negativen Einfluss auf das Schneiden oder Abisolieren. Da es sich bei dem Farbstoff jedoch um eine Verunreinigung handelt, kann eine zu große Menge davon Schwachstellen und elektrische Ausfälle in der Isolierung oder Ummantelung verursachen, sagt Goyette.

„Konsistente Isolierung und Ummantelung sind für die Fähigkeit des Kabelbaumherstellers, Drähte und Kabel zu schneiden und abzuisolieren, von entscheidender Bedeutung“, bemerkt Linda White, Produktlinienmanagerin für Industriekabel bei Belden Inc. „Häufig den Lieferanten wechseln oder Lieferanten verwenden, von denen bekannt ist, dass sie die Abmessungen ändern, um Kosten zu senken.“ Warnung kann in einer automatisierten Produktionslinie unerwartete Schäden anrichten. Es ist immer einfacher, ein Qualitätskabel zu verarbeiten, weil sein Außenmantel einheitliche Abmessungen hat und rund und nicht gewunden ist.“

Auch das Anhaften der Isolierung an Leitern kann zu Problemen beim Abisolieren führen, sagt Frank Koditek, Außendiensttechniker für Industriekabel bei Belden. Dies gilt insbesondere für Gummiisolierungen.

Um das Abisolieren zu erleichtern, können Lieferanten zwischen Isolierung und Leiter ein sehr dünnes, durchsichtiges Polyester-Trennband anbringen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Leiter mit einem Trennmittel zu versehen. Das Mittel trocknet schnell und hinterlässt Spuren auf dem Draht.

Die Geschichte der Kabelabschirmung reicht bis ins frühe 20. Jahrhundert zurück, als Telefonbenutzer das Mithören von Radiosendungen auf der Telefonleitung abschirmen mussten. Um diese Funkfrequenzstörungen (RFI) zu beseitigen, versuchten Telefontechniker, die Leitung mit Erdungsdrähten zu umwickeln. Dies funktionierte bei Festinstallationen, aber wenn die Leitung einer Biegung ausgesetzt wurde, trennten sich die umwickelten Drähte und es traten erneut Störungen auf.

Schließlich begannen die Ingenieure, Lamettadraht und dann einfache Drahtlitzen über die Leiter in den Ohrhörerkabeln des Telefons zu flechten, um RFI zu reduzieren. Dieser Vorgang wird als bediente Abschirmung bezeichnet.

Heutzutage müssen sich Kabelentwickler immer noch mit RFI sowie EMI und EMP herumschlagen. Um diese Störungen auszublenden und die Kabelleistung zu optimieren, setzen Ingenieure auf verschiedene Arten der Abschirmung.

„Die Abschirmung hat bei elektronischen Kabeln einen anderen Hauptzweck als bei Stromkabeln“, sagt Eric Wall, technischer Leiter für US-Draht und Kabel bei Anixter Inc. „Bei elektronischen Kabeln versucht man normalerweise, Signale mit niedrigem Pegel auf breiter Front zu schützen.“ Frequenzbereich bis in den Gigahertz-Bereich. Für Stromkabel erstellen Sie eine Erdungsebene für eine Sinuswelle mit einer einzigen Frequenz (z. B. 60 Hertz). Die Abschirmung gleicht die Belastung der Isolierung aus und ergibt den Fehlerstrom a Der Pfad zurück zum Gerät ermöglicht die Isolierung des Stromkreises im Fehlerfall. Dies erhöht die Sicherheit und verlängert auch die Lebensdauer des Kabels.“

Auch heute noch werden bediente Abschirmungen verwendet, und Flexibilität ist ihr Hauptvorteil. Die Abschirmung lässt sich leicht abwickeln und abschließen, neigt jedoch dazu, relativ induktiv zu sein, da sie um den Leiter gewickelt ist. Typischerweise wird die Abschirmung an einen Kabelschuh oder einen Anschlusspfosten gecrimpt. Es wird häufig in Audioanwendungen verwendet.

Eine andere Art der Spiralschirmung sind verdrillte Adernpaare, die 1881 von Alexander Graham Bell erfunden und patentiert wurden. Die beiden isolierten Leiter sind über die gesamte Länge des Kabelbaums gleichmäßig umeinander verdrillt, um Störungen durch andere verdrillte Adernpaare im Kabel zu minimieren.

Leiter können massiv oder mehrdrähtig sein. Ein massiver Leiter weist eine geringere Dämpfung auf und überbrückt längere Distanzen, ein mehrdrähtiger Leiter hingegen ist sehr flexibel und lässt sich um Ecken biegen.

Laut Goyette ist die geflochtene Abschirmung eng, aber flexibel. Der Geflechtschirm besteht aus Gruppen kleiner Drähte auf Spulen. Diese werden in der Flechtmaschine nebeneinander gelegt und dann über- und untereinander geflochten. Eine geflochtene Abschirmung bedeckt normalerweise 95 Prozent des isolierten Drahtes.

Streifengeflechte bestehen aus massiven Bändern aus leitendem Material, um eine gleichmäßigere Oberfläche zu gewährleisten. Dies ist bei sehr hohen Frequenzen von Vorteil und bildet in Kombination mit anderen Abschirmungsarten eine sehr wirksame EMI-Barriere.

Kabelbaumhersteller müssen im Rahmen des Anschlussprozesses häufig das Schirmgeflecht von abgeschirmten Kabeln abtrennen und abschneiden. Pete Doyon, Vizepräsident für Produktmanagement bei Schleuniger Inc., sagt, sein Unternehmen habe eine Prototypmaschine (ShieldCut 8100) entwickelt, um das Schirmgeflecht schnell zu entflechten und auf eine vorprogrammierte Länge zu schneiden. Zu den Zielgruppen zählen Hersteller aus dem Militär- und Luft- und Raumfahrtbereich.

Derzeit ist bei Schleuniger der Rollenschneider JacketStrip 8310 erhältlich. Diese Maschine verfügt über rotierende Messer, die den Außenmantel von unrunden und mehradrigen Kabeln axial und radial aufschlitzen, ohne die Abschirmung oder die Innenleiter zu beschädigen. Es verarbeitet Kabel mit einem Außendurchmesser von 0,1 bis 1 Zoll und einer Länge von bis zu 19,7 Zoll. Die halbautomatische Schneidemaschine bietet eine einfache Bedienung und kurze Zykluszeiten.

Folienschirme bestehen aus einer sehr dünnen (0,0003 Zoll) metallisierten, flexiblen Kunststofffolie, die spiralförmig um den isolierten Draht gewickelt ist. Da es sich um Aluminium handelt, muss die Folie gecrimpt werden und wird häufig mit einem nicht isolierten Erdungsdraht (Stromableiter) kombiniert, der in ein Kabel gewickelt ist. Der Erdungsdraht berührt die Folie und ist am Ende der Kabelbaumquelle mit Erde verbunden, um elektromagnetische Störungen zu verhindern.

Um eine 100-prozentige Schirmwirkung zu erreichen, kann ein loses Geflecht über die Folie gelegt werden. Diese Methode funktioniert gut, solange die Kabel nur während der Installation und Wartung gebogen werden.

Twisted Pairs sind auch geschirmt (STP) mit einer Metallfolie erhältlich, um einen weiteren Schutz vor übermäßiger elektromagnetischer Strahlung zu bieten. Eine andere Variante, sogenannte Folien-Twisted-Pairs, verfügt über keine Isolierung, sondern verlässt sich ausschließlich auf die Folie zur Abschirmung.

Eine letzte Option ist eine solide Abschirmung. Dieses starre oder halbstarre Metallrohr besteht aus Kupfer oder Aluminium und umschließt den isolierten Leiter. Es bietet 100-prozentigen Schutz vor EMI. Größere Kabel können wellenartige Schläuche enthalten.

Jim ist leitender Redakteur von ASSEMBLY und verfügt über mehr als 30 Jahre redaktionelle Erfahrung. Bevor er zu ASSEMBLY kam, war Camillo Herausgeber von PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal und Milling Journal. Jim hat einen Abschluss in Englisch von der DePaul University.