Warum sind Kabel isoliert

Warum sind Kabel isoliert?

In modernen elektrischen Systemen, mit Ausnahme von Freileitungen, die auf Strommasten montiert sind, sind fast alle heute verwendeten Kabel isoliert. Der Grad der Isolationswiderstand eines Kabels ist eng mit seiner vorgesehenen Anwendung verbunden. Die Isolierung erfüllt mehrere kritische Funktionen. Neben der Minimierung von Energieverlusten in die Umgebung hat ihre wichtigste Rolle die Sicherung von Menschenleben durch Verhinderung von Elektroschocks.

Elektrizität birgt eine erhebliche Gefahr. Ein einziger unglücklicher Kontakt mit einem lebenden Kabel kann tödliche Folgen haben und lässt keinen Raum für eine zweite Chance. Unsere Körper sind teilweise Leiter von Elektrizität. Wenn wir mit einem stromführenden Leiter in Kontakt kommen, fließt der elektrische Strom vom Leiter in unseren Körper. Aufgrund der begrenzten Leitfähigkeit unseres Körpers kann dieser den eingehenden Strom nicht effektiv ableiten. Wenn die Menge des Stroms unsere Körpergrenze überschreitet, kann dies zu einer tödlichen Ausgangslage führen.

Um solche tragischen Unfälle in häuslichen und industriellen Umgebungen zu verhindern, ist die Kabelisolierung zu einer wesentlichen Anforderung geworden. Die Isolierung wirkt als Barriere, verhindert Stromlecks und stellt sicher, dass lebende elektrische Bauteile nicht zugänglich sind, wodurch das Risiko von Elektroschocks eliminiert wird.

Was ist ein Isolator?

Ein Isolator ist ein Material oder eine Substanz, die den Fluss von Wärme und Elektrizität widersteht. Dieser Widerstand resultiert aus dem Fehlen frei beweglicher Elektronen innerhalb des Materials. Wenn Leiter mit isolierenden Materialien wie Polyvinylchlorid (PVC) bedeckt sind, werden sie als isoliert bezeichnet. Dieser Prozess, bekannt als Isolierung, dient dazu, elektrische Energie und Signale daran zu hindern, in die umgebende Umwelt abzustrahlen.

Auswirkung der Temperatur auf isolierte Materialien

Die Temperatur hat einen tiefgreifenden Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften verschiedener Materialien. Bei Leitern führt eine Erhöhung der Temperatur zu einer Erhöhung des Widerstands. Im Gegensatz dazu zeigen Halbleiter und Isolatoren bei steigender Temperatur eine Abnahme des Widerstands. Unter extremen Temperaturbedingungen kann ein Halbleiter in einen besseren Leiter transformiert werden, und ein Isolator kann sogar halbleiterartiges Verhalten zeigen.

Isolationswiderstand eines Kabels

Kabelleiter sind in Isolation von angemessener Dicke eingeschlossen, um Stromlecks zu verhindern. Die Dicke der Isolation wird durch die vorgesehene Verwendung des Kabels bestimmt. Im Kabel ist der Pfad des Stromlecks radial, und die Isolation bietet radialen Widerstand gegen den Stromfluss entlang seiner gesamten Länge.

Rins = ρdr/2πrl

Für ein Einzelkernkabel mit einem Leiter von Radius r1, einer Innenhülle von Radius r2, Länge l und einem Isolationsmaterial mit spezifischem Widerstand ρ beträgt der Umfang des Leiters 2πr1. Die differentielle Dicke der Isolation wird als dr bezeichnet. Der Isolationswiderstand Rins kann ausgedrückt werden als:

Rins = ρ/2πl[loge r2/r1]

Es ist erwähnenswert, dass Rins umgekehrt proportional zur Länge l des Kabels ist, was im Gegensatz zum Verhältnis R=ρl für den Leiterwiderstand steht, wobei ρ die spezifische Resistivität des Materials darstellt.

Einige Kabel, wie Koaxialkabel, verfügen über mehrere Isolierschichten und mehrere Kerne. Bei Koaxialkabeln dient der zentrale Draht als Hauptleiter. Die zusätzlichen Kerne sind für Erdungszwecke und zur Abschirmung vor dem Entweichen elektromagnetischer Wellen und Strahlung ausgelegt. Ein Koaxialkabel besteht aus einem inneren Leiter, der typischerweise aus Kupfer hergestellt wird, aufgrund seiner geringen Resistivität (und manchmal vergoldet wird, um die Leistung zu verbessern), der in einer Reihe von Isolierschichten eingeschlossen ist. Diese Schichten umfassen oft ein Dielektrikum, eine Aluminiumfolie oder Kupferdrahtabschirmung und eine äußere PVC-Hülle. Die äußere Hülle schützt das Kabel vor externen Umwelteinflüssen. Wenn eine Spannung auf den inneren Leiter angelegt wird, bleibt die Abschirmung bei einer vernachlässigbaren Spannung.

Das Koaxialdesign bietet erhebliche Vorteile. Es begrenzt elektrische und magnetische Felder innerhalb des Dielektrikums, minimiert Lecks außerhalb der Abschirmung. Die mehrschichtige Isolation blockiert effektiv externe elektromagnetische Felder und Strahlung, verhindert Störungen. Da Leiter mit größeren Durchmessern geringeren Widerstand aufweisen und weniger elektromagnetisches Leck abgeben, und zusätzliche Isolation dieses Leck weiter reduziert, sind Koaxialkabel mit mehreren Isolierschichten ideal für die Übertragung schwacher Signale, die anfällig für Störungen sind.

Merkmale eines isolierten Kabels

Da der Isolationswiderstand eines Kabels durch sein Designziel bestimmt wird, müssen Ingenieure bei der Entwicklung von Kabeln mehrere Faktoren berücksichtigen. Koaxialkabel benötigen beispielsweise umfangreiche Isolation, um sowohl Stromlecks als auch das Entweichen elektromagnetischer Strahlung zu verhindern, und verfügen oft über zwei, drei oder sogar vier Isolierschichten. Verschiedene Kabel sind für unterschiedliche Anwendungen entwickelt, teilen jedoch im Allgemeinen die folgenden Schlüsselmerkmale:

• Wärmebeständigkeit: Imstande, hohe Temperaturen ohne Degradation auszuhalten.

• Hoher Isolationswiderstand: Minimiert Stromlecks und sichert elektrische Sicherheit.

• Mechanische Haltbarkeit: Beständig gegen Schnitte, Risse und Abrieb, gewährleistet langfristige Zuverlässigkeit.

• Hervorragende Eigenschaften: Zeigt exzellente mechanische und elektrische Charakteristika.

• Chemische Beständigkeit: Beständig gegen Öle, Lösungsmittel und verschiedene Chemikalien.

• Umweltresistenz: Undurchlässig gegenüber Ozon und Wetterbedingungen, geeignet für den Einsatz im Innen- und Außenbereich.