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Bei elektrischen Starkstromkabeln zeichnen sich insbesondere auf dem Gebiet der Niederspannungskabel immer deutlicher übergänge ab von den bisher üblichen Werkstoffen, nämlich Kupfer für die Leiter, Papier für die Isolierung und Blei für den Mantel, zu andern Werkstoffen, insbesondere zu Aluminium für die Leiter und
Kunststoffen für die Isolierung. Bei den Mänteln konkurriert Aluminium ebenfalls mit Kunststoffen, z. B. bei den
Typen NAKLEY und NAYY der deutschen Normenbezeichnung. Beim dreiadrigen Typ NAKLEY dient der
Aluminiummantel zugleich als Nulleiter, während beim vieradrigen Typ NAYY mit Kunststoffmantel, der zumeist mit Sektorleitern ausgeführt wird, ein Leiter als Nulleiter dient.
Die Erfindung befasst sich mit einem
Sicherheitsproblem, das bei diesem aus Wirtschaftlichkeitsgründen besonders interessanten Typ NAYY seit einiger
Zeit in der Fachwelt erörtert wird, ohne dass bislang eine wirklich befriedigende Lösung des Problems gefunden worden ist.
Die Fachwelt macht sich nämlich im Zuge allgemeiner Überlegungen über die Gefahr, die bei mechanischen
Kabelbeschädigungen, z. B. bei Erdarbeiten durch Spitzhacken oder Spiesse, ohne Kurzschlussauslösung auftreten können, auch Gedanken über die Gefahr, die vielleicht bei NAYY-Kabeln auftreten könnte, wenn der
Aluminium-Nulleiter mitsamt seiner Isolierung mechanisch nur angekratzt wird, dann zu korrodieren beginnt und eines Tages ohne Kontrolle und Auslösung der vorgesehenen Sicherheitsvorrichtungen unterbrochen wird. Auf diese Gefahr ist insbesondere in dem Aufsatz von H. Bax in der Zeitschrift "Elektrizitätswirschaft" 67. Jahrgang
1968 auf den Seiten 420 und 421 hingewiesen.
Es sind schon mehrere Vorschläge bekanntgeworden, die Bauart NAYY so zu verändern, dass der Nulleiter besser geschützt ist. Ein Vorschlag geht z. B. dahin, die Phasenleiter in Nierenform um den Nulleiter anzuordnen, so dass er nur nach Beschädigung der Phasenleiter verletzt werden kann, was zum Kurzschluss und damit zur
Abschaltung des Kabels führen würde. Andere auf dem gleichen Gedanken beruhende Vorschläge gehen dahin, nur den Nulleiter-entweder in Form eines Sektorleiters oder in Form einer konzentrischen äusseren
Bandage-nicht aus Aluminium, sondern aus Kupfer anzufertigen, das bekanntlich weniger korrosionsanfällig ist. In dieser Richtung liegt auch der Vorschlag, einen kupferplattierten Aluminiumleiter als Nulleiter zu benützen.
In eine andere Richtung geht der Vorschlag, kunststoffisolierte mehrdrahtige verdichtete
Aluminiumleiter an ihrer Oberfläche innerhalb der sie umgebenden Kunststoffisolierung mit einer korrosionshemmenden haftenden wachsartigen Masse zu imprägnieren. Die bisher bekanntgewordenen Vorschläge sind teils aus konstruktiven und teils aus wirtschaftlichen Gründen nicht günstig und haben sich nicht durchsetzen können.
Die Erfindung löst das bei mit Kunststoff isolierten und ummantelten Starkstromkabeln mit Aluminiumleitern und mit einem Nulleiter, insbesondere vom Typ NAYY, anstehende Sicherheitsproblem mit einer neuen Leiterkombination dadurch, dass der Nulleiter aus einem gegenüber Aluminium korrosionsfesteren und einem um diesen fest und hohlraumfrei herumgepressten massiven Aluminiumleiter besteht, dessen Querschnitt grösser als der Querschnitt des gegenüber Aluminium korrosionsfesteren Leiterstranges ist. Prototyp eines solchen Leiterstranges ist ein einzelner massiver Kupferdraht, auf den deshalb die weitere Erläuterung der Erfindung zunächst abgestellt ist.
Diese Lösung ist aus wirtschaftlichen und technischen Gründen besonders günstig und eignet sich sowohl für runde, insbesondere aber auch für sektorförmige Nulleiter von beliebig grossem Querschnitt.
Durch die für die Erfindung wesentliche feste und vor allem hohlraumfreie Umpressung des korrosionsfesteren Kupferdrahtes mit dem massiven Aluminiumleiter wird die an den Grenzschichten von Kupfer und Aluminium bei andern Aluminium-Kupfer-Leiterkombinationen erfahrungsgemäss bestehende und von der Fachwelt deshalb mit Recht als bedenklich angesehene Korrosionsgefahr für den normalen Betriebszustand des erfindungsgemäss ausgebildeten Kabels ausgeschlossen. Um ganz sicher zu gehen, kann man den Kupferdraht besonders trocknen, bevor er in die Presse einläuft, die den Aluminiumleiter um ihn herumpresst. Um die Haftung an den Grenzschichten zu erhöhen, kann man den Kupferdraht vorher besonders aufrauhen.
Aluminium-Kupfer-Leiterkombinationen sind an sich mehrfach bekannt, aber nur in andern Ausgestaltungen und zu andern Zwecken als bei der Erfindung. Bekannt ist z. B. die Herstellung von elektrischen Leitern aus Kupfer-Aluminium-Legierungen statt, wie führer allgemein üblich, aus dem teuren reinen Kupfer ; die schlechten mechanischen Eigenschaften solcher Legierungen verbieten ihre Anwendung in Kabeln. Besser brauchbar sind plattierte Leiter, die zumeist aus einer Aluminiumseele mit dünner Kupferplattierung zwecks besserer Lötbarkeit bestehen ; es ist jedoch auch die umgekehrte Kombination einer Kupferseele mit einer hier etwas dickeren Aluminiumplattierung zur Erzeugung einer anorganischen Isolierschicht durch Oxydation der Aluminiumhülle bekannt.
Schliesslich ist zur Feldverbesserung und Verhütung der Tränkmittelalterung an der Leiteroberfläche von mit Masse oder Öl getränkten Starkstromkabeln die nahtlose Aufpressung einer Aluminiumhülle statt der früher zur Feldverbesserung benutzten Bleihülle unmittelbar über dem verseilten Kupferleiter bekannt.
Für die Wahl der Grösse des geringeren Querschnitts des korrosionsfesteren eingepressten Drahtes im Verhältnis zum Gesamtquerschnitt des neuen Nulleiters sind teils technische und teils wirtschaftliche Gründe in
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empfiehlt sich jedoch dann nicht, wenn die bei gleichen Massen aller Sektorleiter leichtere Montage der Kabel für wichtiger als die Aluminiumeinsparung angesehen wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann man an Stelle nur eines Kupferdrahtes auch mehrere entsprechend dünnere Kupferdrähte in den Aluminiumnulleiter parallel nebeneinander-gegebenenfalls auch über dessen Querschnitt verteilt-achsparallel einpressen lassen.
Die Erfindung beruht auf folgender überlegung :
In dem eingangs erwähnten Fall einer mechanischen Beschädigung der Isolierung eines erfindungsgemäss ausgebildeten Nulleiters eines Starkstromkabels kann zwar im Laufe der Zeit das aussenliegende Aluminium wegkorrodieren, jedoch bleibt der schliesslich freigelegte korrosionsfestere innenliegende Kupferdraht unter praktisch allen Betriebsbedingungen unbeschädigt erhalten und stellt die Schutzmassnahme der Nullung sicher.
Der Ausgleichsstrom, der im Nulleiter fliessen kann, wird ausreichend durch den mit passendem Querschnitt gewählten Kupferdraht übertragen.
Wenn nämlich zunächst das Aluminium nur unmittelbar an der Beschädigungsstelle z. B. auf wenige
Zentimeter Länge wegkorrodiert, kann der Kupferdraht selbst bei relativ kleinem Querschnitt den gesamten
Nulleiterstrom führen, weil die Wärmeableitung durch das benachbarte, noch nicht wegkorrodierte Aluminium noch gross ist.
Wenn dann die Korrosion soweit fortgeschritten ist, dass eine grössere Strecke des Aluminiums fehlt, wird der Kupferdraht eine hohe Temperatur, nämlich je nach dem gewählten Querschnitt und der auftretenden Nullstromstärke eine Temperatur von einigen Hundert Grad Celsius annehmen, die aber durch richtige Querschnittswahl unterhalb des Schmelzpunktes von Kupfer bei maximal etwa 10000C liegen soll, und durch die grosse Wärmeentwicklung im Kabel die Kunststoffisolierung auch der Phasenleiter zerstören, so dass es schliesslich zu einem Kurzschluss und damit zur Abschaltung der Kabelstrecke kommt.
Diese erwünschte "Selbstreinigung" entspricht also im Ergebnis, jedoch im Wege eines ganz anders gearteten Vorgangs der
Selbstreinigung bei papierisolierten mit öl oder Masse getränkten Starkstromkabeln, bei denen es im Fall einer
Mantelbeschädigung zu einer Durchfeuchtung der Papierisolierung und als Folge davon ebenfalls zum Kurzschluss und zur Abschaltung der gefährdeten Kabelstrecke kommt. Diese Selbstreinigung wird in Netzen der
Energieversorgungsunternehmen als zweckmässig angesehen.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an Ausführungsbeispielen genauer erläutert. Fig. l zeigt im Querschnitt durch ein Starkstromkabel vom Typ NAYY ein erstes Ausführungsbeispiel.
In den Fig. 2 bis 4 sind schematisch drei Weiterbildungen des Ausführungsbeispiels nach Fig. l im Querschnitt durch den zusammengepressten Nulleiter dargestellt. Die Fig. 5 bis 8 erläutern auf ähnliche Weise eine zweite
Weiterbildung der Erfindung, bei welcher der korrosionsfestere Leiterstrang ein verseilter Kupferleiter ist. Die
Fig. 9 und 10 stellen eine dritte Weiterbildung der Erfindung dar, bei welcher der korrosionsfestere Leiterstrang durch einen Aluminiumkern mit einer Kupferhülle gebildet ist.
Die drei sektorförmigen massiven Phasenleiter sind in Fig. l mit-l, 2 und 3--und der erfindungsgemäss ausgebildete, ebenfalls sektorförmige massive Nulleiter mit --4-- bezeichnet. Innerhalb des
Nulleiterquerschnitts, z. B. in seiner Mitte, befindet sich der eingepresste, z. B. runde Kupferdraht--5--. Er kann aber auch profiliert und bzw. oder in Richtung zur Sektorspitze hin verschoben sein.
Alle vier aus
Aluminium bestehenden Sektorleiter sind zunächst von einer eigenen Leiterisolierung--6--und dann gemeinsam von einer Gürtelisolierung--7--umgeben. Darüber liegt der Aussenmantel--8--. Die
Isolierungen und der Mantel können wie bekannt aus dem gleichen Kunststoff oder verschiedenen Kunststoffen bestehen, z. B. aus Polyvinylchloridbasis oder Polyäthylen.
Eine erste Weiterbildung ergibt sich aus der zuvor schon kurz erwähnten überlegung, dass infolge der gegenüber Aluminium höheren Leitfähigkeit von Kupfer die Masse der Nulleiters gegenüber denen der andern
Sektorleiter verringert werden könnten.
Die erste Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der Leitwert des Nulleiters unter wesentlicher
Beibehaltung eines der Phasenleitern gleichen, insbesondere sektorförmigen Profils durch Verminderung des Aluminiumquerschnittsanteils dem Leitwert der Phasenleiter angepasst ist.
Unter wesentlicher Beibehaltung des den Phasenleitern gleichen Profils des Nulleiters ist zu verstehen, dass die Zusammenseilung des Nulleiters mit den Phasenleitern und vor allem auch die für alle Leiter des Kabels gleichen Montagebedingungen, z. B. beim Aufsetzen von einheitlichen Klemmen, durch die Querschnitts- verminderungen nicht beeinträchtigt werden.
Die Verminderung des Aluminiumquerschnittsanteils kann auf mehrere verschiedene Weisen bewirkt werden, z. B. durch eine oder mehrere äussere Nuten am Profil, einen oder mehrere innere Kanäle im Profil oder insbesondere bei Sektorleitern durch Abschneidung oder Abflachung der inneren Sektorspitze und/oder der beiden äusseren Sektorecken. Die äusseren Nuten können bei Sektorleitern entweder an den Profilflanken oder am äusseren Profilbogen angebracht werden.
Die erste Weiterbildung der Erfindung bringt ausser dem Vorteil einer Anpassung der Leitwerte zwischen
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Aluminiumeinsparung gegenüber dem vollen Profil bedeutet. Die im Sicherheitsinteresse in Kauf genommene Verteuerung des Aluminiumnulleiters durch Kupfereinlagerung kann deshalb merklich verringert werden.
Eine andere Ausführung dieser ersten Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der verminderte Aluminiumquerschnitt durch Ein- oder Anfügung von Isolierstoffsträngen wieder zum vollen Profil ergänzt wird, um einerseits Hohlräume im Kabel zu vermeiden und anderseits die Umhüllung des Nulleiters mit Kunststoff in der gleichen Weise und mit den gleichen Werkzeugen wie bei den Phasenleitern durchführen zu können. In der Regel ergibt sich die Ausfüllung von Nuten od. dgl. im äusseren Profil des Sektorleiters bei seiner Umspritzung mit Kunststoff allerdings von selbst.
Die erfindungsgemäss am Nulleiter angebrachten Nuten, Kanäle, Abschneidungen oder Abflachungen können durch entsprechend ausgestaltete Presswerkzeuge (Mundstücke und Dorne) einer Aluminiumstrangpresse ohne Schwierigkeiten hergestellt werden.
In den Fig. 2 bis 4 der Zeichnungen sind drei Ausführungsbeispiele der ersten Weiterbildung der Erfindung schematisch dargestellt. In Übereinstimmung mit Fig. l ist in den Fig. 2 bis 4 der z. B. sektorförmige massive
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B.Sektorprofilflanken angebrachten halbkreisförmigen Nuten--9 und 10--.
In Fig. 3 ist ein z. B. runder Kanal -11-- innerhalb des Aluminiumleiters --4-- z. B. in radikaler
Richtung nach aussen gelegt angebracht. Sein Durchmesser ist im Leitfähigkeitsverhältnis Kupfer zu Aluminium grösser als der Durchmesser des eingepressten Kupferdrahtes--5--. Das gleiche gilt für die Nutendurchmesser --9 und 10--in Fig. 2. Der Kupferdraht--5--ist in radialer Richtung nach innen zur Sektorspitze hin verschoben.
In Fig. 4 ist das Sektorprofil des Aluminiumleiters--4--an dessen Spitze--12--weggeschnitten.
Gestrichelt sind die beiden gegebenenfalls stattdessen oder zusätzlich weggeschnittenen oder stärker als profilgerecht abgerundeten äusseren Sektorecken--13 und 14--angedeutet.
In den Fig. 2 bis 4 sind die zur Profilergänzung ein-oder anzufügenden Isolierstoffstränge schraffiert eingezeichnet, aber nicht besonders bezeichnet. Diese Isolierstoffstränge können aus dem gleichen Kunststoff wie die Leiterisolierung--6--oder aus einem billigeren Werkstoff bestehen, also z. B. auch aus Polyäthylen und Polyvinylchlorid oder aus bekannten Füllstoffen.
Zum Stand der Technik gehört ein einadriges Starkstromkabel mit getränkter Papierisolierung, bei dem über dem verseilten Kupferleiter an Stelle des vorher bekannten Bleimantels eine Aluminiumhülle nahtlos aufgepresst ist, um chemische Reaktionen zwischen dem Kupfer und dem Tränkmittel zu verhüten. Bei mit Kunststoff isolierten und ummantelten Starkstromkabeln besteht die Gefahr nicht, so dass bei ihnen für die Verwendung von verseilten Kupferleiter mit um sie herumgepressten Aluminiumhüllen kein Anlass besteht, nämlich weder für die Verwendung als Phasenleiter noch als Nulleiter. Im übrigen hat die technische Entwicklung inzwischen bei Starkstromkabeln insbesondere für Niederspannungsanlagen vom verseilten Kupferleiter weg zum erheblich billigeren massiven Aluminiumleiter geführt.
Zuvor ist schon die Möglichkeit erwähnt, als Leitstrang an Stelle nur eines Kupferdrahtes mehrere entsprechned dünnere Kupferdrähte in den Aluminiumnulleiter parallel nebeneinander-gegebenenfalls auch über dessen Querschnitt verteilt-achsparallel einzupressen.
Eine zweite Weiterbildung der Erfindung mit der Rückkehr zu einem verseilten Kupferleiter, jedoch in Unterordnung unter den Grundgedanken der Erfindung besteht darin, dass innerhalb des Profils des überwiegend massiv und vorzugsweise sektorförmig ausgebildeten Aluminiumnulleiters statt eines oder mehrerer solcher einzelner Drähte ein im Querschnitt geringerer verseilter Leiter aus einem gegenüber Aluminium korrosionsfesteren Leiterwerkstoff, insbesondere Kupfer, angeordnet ist.
Es empfhielt sich, diesen verseilten, nachstehend der Einfachheit halber als Kupferleiter bezeichneten Leiter bei sektorförmigen Nulleitern innerhalb ihres Sektorprofils in der Nähe der inneren Sektorspitze oder in einer in ihrer Nähe oder sogar in ihr selbst angebrachten Ausnehmung des Aluminiumleiters anzuordnen.
Es empfiehlt sich ferner, den verseilten Leiter in an sich bekannter Weise durch Füllung der Verseillücken und/oder Umpressung mit einer korrosionshemmenden, möglichst wärmefesten guthaftenden Masse zusätzlich zu schützen. Soche Massen, z. B. auf der Basis von hochmolekularen Polybutenen, Polyurethanen, Chloroprenen, Mischpolymerisaten von Ähtylen und Vinylacetat oder Silikonen sind bekannt, auch in schwach leitender Einstellung und in vernetzter Form.
Die Anwendung dieser zweiten Weiterbildung der Erfindung kommt-ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein-insbesondere bei Kabeln mit grossen Leiterquerschnitten, z. B. über 185 mm2 in Frage. Der verseilte Kupferleiter ist nämlich biegsamer als ein massiver Kupferdraht von gleichem Querschnitt und verringert dadurch
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die beim Biegen des Kabels erforderlichen Kräfte und die infolge unterschiedlicher Auslängung auftretenden Stauchkräfte. Die verseilte Leiter kann die Stauchkräfte ausserdem besser auffangen. Der gegenüber einem Massivdraht höhere Preis eines verseilten Leiters erscheint in diesem Fall gerechtfertigt.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform dieser zweiten Weiterbildung der Erfindung können um den massiven Nulleiter mit dem eingelagerten Kupferstrang in an sich bekannter Weise eine oder mehrere Lagen von blanken Aluminiumdrähten herumgeseilt werden, um den Leiterquerschnitt des Nulleiters zu vergrössern. Diese Massnahme kommt z. B. dann in Frage, wenn auch die Phasenleiter in dieser Weise ausgebildet sind. Eine solche zusätzliche Verseillage kann dann auch dazu dienen, den in einer Ausnehmung des massiven Nulleiters von aussen eingepressten oder nur eingelegten verseilten Kupferleiterstrang im Profil des Nulleiters zu halten, wenn er bei Biegungen auszuwandern droht.
Die Anordnung des Kupferleiterstranges in der Nähe der inneren Sektorspitze des Nulleiters hat über die zuvor erwähnten Vorteile hinaus noch weitere Vorteile. Der Kupferleiterstrang ist nämlich dadurch am besten gegen von aussen üder die vom Profilbogen des Sektors kommenden mechanischen Beschädigungen geschützt. Es liegt ausserdem dem Kabelquerschnittsmittelpunkt und zwei Phasenleitern am nächsten, so dass im Korrosionsfall die mit dem Grundgedanken der Erfindung angestrebte Kurzschlussbildung und Abschaltung der Kabelstrecken zwecks Selbstreinigung der Energieversorgungsnetze beschleunigt wird.
Mehrere Ausführungsbeispiele der zweiten Weiterbildung der Erfindung sind in den Fig. 5 bis 8 der Zeichnungen schematisch dargestellt. Die Bezeichnungen sind wieder aus Fig. l soweit möglich übernommen und gleich, insbesondere für den massiven Aluminiumleiter --4-- und die Leiterisolierung-6--.
In Fig. 5 liegt der z. B. aus 1 + 7 Drähten verseilte Kupferleiter--5'--in der Nähe der Sektorspitze. Die in den Sektorprofilflanken ausgesparten z. B. halbkreisförmigen Nuten--9 und 10--, deren Querschnitte (in
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mit der Leiterisolierung-6-ausgefüllt.
In Fig. 6 ist der Kupferleiter bei sonst gleicher Anordnung wie in Fig. 5 in die Sektorsppitze verschoben.
In Fig. 7 ist der Kupferleiter --5'-- in eine Nut in der linken Sektorprofilflanke des Aluminiumleiters --4-- eingepresst. In der andern oberen Sektorprofilflanke ist eine dem Kupferleiter --5'-- im Querschnitt etwa gleich grosse Nut --9'-- eingeformt und wie in den Fig. 5 und 6 mit der Leiterisolierung bei der Umspritzung des Leiters mit Kunststoff ausgefüllt worden.
In Fig. 8 liegt der Kupferleiter --5'- wie in Fig. 6 in der Spitze des sektorförmigen Alumiumleiters
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Masse ist nicht dargestellt, desgleichen nicht ihre ebenfalls nur empfohlene eventuelle Umhüllung mit einer korrosionshemmenden Masse. Es empfiehlt sich im übrigen, eine Masseumhüllung nur in Abständen auf den Kupferleiter aufzubringen, damit in den Lücken zwischen den umhüllten Abschnitten eine leitende Verbindung des Kupferleiters mit dem Aluminiumleiter hergestellt und die zur Kabelabschaltung wirksame Korrosionsstrecke abschnittweise begrenzt ist. Bei Verwendung einer schwachleitenden Masse können die Umhüllungsabschnitte grösser sein.
Eine dritte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der korrosionsfestere Leiterstrang in an sich bekannter Weise einen Aluminiumkern hat, auf den eine Kupferhülle aufgebracht ist.
Der Vorteil dieser Ausführungsform des korrosionsfesteren Leiterstranges, insbesondere Drahtes besteht darin, dass unter Anwendung der an sich bekannten Technik der Aluminium-Kupfer-Leiterkombination durch sogenannte Plattierung mit Kupfer erheblich an dem gegenüber Aluminium teureren Kupfer gespart werden kann, die mit der Erfindung angestrebte Funktion des Nulleiters als zur Selbstreinigung des Netzes führender Sicherheitsleiter jedoch in vollem Umfang erhalten bleibt. Der Mehraufwand an Herstellkosten durch das Aufbringen der Kupferhülle auf einen Aluminiumkern wird durch die Preisverhältnisse zwischen den beiden Metallen weitgehend aufgewogen.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, dass der Aluminiumkern einen sektorförmigen Querschnitt hat ; in dieser Gestalt sind kupferplattierte Aluminiumnulleiter noch nicht bekannt.
Für die Aufbringung der Kupferhülle gibt es mehrere Möglichkeiten. Die Kupferhülle kann z. B. aus einem entweder wendelförmig aufgewickelten oder achsparallel herumgefalteten Band bestehen. Dabei kann das Kupferband auf den Aluminiumkern mit seinen Kanten anlappend oder in eine in ihm vorhandene Nut eingepresst aufgelegt sein. Die Kupferhülle kann ferner aus einer auf dem Aluminiumkern aufgewachsenen Schicht bestehen, wofür es ebenfalls mehrere Möglichkeiten gibt. Die Kupferschicht kann z. B. im Tauchverfahren in einer Kupferchloridschmelze oder durch Aufdampfung erzeugt sein. Solche aufgewachsenen bzw. aufgedampften Kupferschichten haften infolge der entstandenen molekularen Verzahnung so fest auf dem Aluminiumkern, dass sie sich von diesem ohne ihre Zerstörung nicht ablösen lassen.
Es empfiehlt sich, den Aluminiumkern für die Aufbringung der Kupferhülle künstlich oberflächlich zu oxydieren, wodurch einerseits die schon erwähnte besondere Aufrauhung zwecks besserer Haftung der
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