DE19728940A1 - Kabel mit leitfähiger Schicht - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kabel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Kabel umfassen neben elektrischen oder optischen Leitern, Isolierungen, Füll- und Mantelschichten sowie Elementen zur Erhöhung der Zugbelastbarkeit häufig eine oder mehrere leitfähige Schichten, die jeweils einen oder mehrere Leiter radial umschließen.

Im Fall von Leitungen für Starkstrom dienen leitfähige Schichten insbesondere zur Schirmung der isolierenden Werkstoffe gegen elektrische Entladungen, dem elektrischen Berührungsschutz, der Potentialsteuerung und der Begrenzung elektrischer Felder. Meist ist dabei sowohl die innere, dem Leiter zugewandte Oberfläche einer Isolierung als auch ihre vom Leiter abgewandte Außenfläche mit einer leitfähigen Schicht belegt, die im Stande der Technik meist aus einem Kunststoff mit hohem Rußgehalt, metallisiertem Papier oder einer Metallfolie, etwa einer Aluminiumfolie besteht. Stromableitungen in den leitfähigen Schichten erfolgen meist über kleine Strecken, deren Länge typischerweise dem Aderumfang eines Leiters entspricht. Zur Stromableitung über längere Strecken entlang des Kabels zu einem Erdungspunkt stehen die Schichten in geringen Abständen oder durchgehend in elektrischem Kontakt zu parallel verlaufenden, massiven Metallelementen, beispielsweise Drähten, Litzen oder Mänteln aus Kupfer, Stahl, Blei oder Aluminium.

Kabel zur Übertragung von Daten und Signalen sind gleichfalls in der Regel mit einer leitfähigen Schicht versehen, die zur elektrischen Abschirmung dient. Sie verhindert die gegenseitige Beeinflussung zwischen Leitungen oder mit elektrischen Feldern in ihrer Umgebung. Üblicherweise besteht die Abschirmung dabei aus einer Metallfolie, etwa einer Stahl- oder Aluminiumfolie, die gegebenenfalls kunststoffkaschiert ist, einem Metallgeflecht oder einer mehrlagigen Kombination dieser Elemente. Auch Koaxialkabel besitzen häufig eine derartige Abschirmung. Mit der Abschirmung in elektrischem Kontakt stehende Beileiter, z. B. daran anliegende, unisolierte Kupferlitzen, verbessern die Stromableitung in Kabellängsrichtung.

Wesentliche Anforderungen an die leitfähige Schicht bestehen in einer gleichmäßig guten elektrischen Leitfähigkeit über ihre gesamte Oberfläche sowie einem geringen Preis des Materials, um die kostengünstige Fertigung von Kabeln zu ermöglichen. Diese Anforderungen erfüllen gebräuchliche Schichtmaterialien lediglich in begrenztem Maße. Ruß- oder graphithaltige Bänder und Kunststoffolien besitzen einen vergleichsweise hohen elektrischen Widerstand, so daß zur effektiven Stromableitung ein elektrischer Kontakt zu metallischen Beileitern in geringen Abständen erforderlich ist. Insbesondere die Stoßspannungsfestigkeit ist unzureichend. Leitfähige Schichten aus geflochtenen Drähten sind dagegen aufwendig in der Herstellung und somit lediglich für qualitativ hochwertige Kabel mit geringem Umfang geeignet. Die Verwendung einzelner Schirmdrähte an Stelle einer durchgehenden Schicht weist keine ausreichend gleichmäßige Leitfähigkeit über den gesamten Kabelumfang auf und ist daher speziell im Hochfrequenzbereich nicht möglich. Insbesondere bei Starkstromleitungen ist daneben eine gute Wärmeleitfähigkeit der leitfähigen Schichten erforderlich, die bei Werkstoffen mit Ruß- oder Graphitzusatz gleichfalls unzureichend ist. Bei flexiblen oder schwingungsbeanspruchten Kabeln ist es schließlich notwendig, daß die leitfähigen Schichten eine hohe Wechselbiegefestigkeit aufweisen. Sie ist bei metallischen Werkstoffen wie Metallfolien oder -bändern auch dann vergleichsweise gering, wenn sie mit einer verstärkenden Kunststoffbeschichtung versehen sind.

Für die elektromagnetische Abschirmung von Räumen und zur Radarreflexion sind metallisierte Gewebe und Vliesstoffe gebräuchlich, die beispielsweise nach Art einer Tapete auf die Rauminnenwände aufgebracht werden (K. Bertuleit in Melliand Textilberichte 5, 1994, S. 368, Melliand Textilberichte GmbH, Frankfurt). In Kabeln ist die Verwendung derartiger Materialien dagegen unbekannt.

Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Entwicklung eines Kabels mit einer leitfähigen Schicht zur Aufgabe gestellt, die über ihre gesamte Fläche eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweist, preisgünstig herstellbar ist und sich durch eine gute Wechselbiegebeständigkeit auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Das Trägermaterial der leitfähigen Schicht des vorgeschlagenen Kabels ist ein Textilstoff. Er gewährleistet vorteilhafte mechanische Eigenschaften, insbesondere eine hohe Flexibilität der Schicht ohne Riß- bzw. Bruchgefahr. Die Oberflächen der Fasern des Textilstoffes sind mit einer zusammenhängenden Metallschicht bedeckt, die eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit des Materials bewirkt. Sind lediglich geringe Ströme abzuleiten, ist dazu eine vergleichsweise geringe Dicke der Metallschicht im Bereich zwischen etwa einem und 100 Mikrometern, vorzugsweise von wenigen 10 Mikrometern ausreichend. In diesem Fall werden die mechanischen Eigenschaften des Materials durch den Textilstoff bestimmt, so daß eine hohe Wechselbiegefestigkeit erreichbar ist. Zur Erhöhung der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit sind jedoch auch größere Beschichtungsdicken denkbar.

Die Schichtdicke des Textilstoffes, der Durchmesser seiner Fasern sowie die Größe von Poren im Textilmaterial sind bei einem Hochfrequenzkabel derart zu wählen, daß die elektrische Leitfähigkeit der Schichtoberfläche gemittelt über eine Strecke in der Größenordnung der abzuschirmenden elektromagnetischen Wellenlängen nahezu konstant ist. Bei der Schirmung von Niederfrequenz- und Gleichstromkabeln ist die Porengröße zweckmäßig geringer als die Abmessungen der auszugleichenden elektrischen Feldstärkevariationen an einer Leiteroberfläche. Faser- und Porendurchmesser unterhalb von etwa 50 bis 100 Mikrometern sind daher bevorzugt. Beträgt der Faser- und Porendurchmessern lediglich wenige 10 Mikrometer, ist häufig eine Schichtdicke des metallisierten Textilstoffes von weniger als 100 Mikrometern zur Erreichung einer guten Abschirmwirkung ausreichend.

Das erfindungsgemäße Kabel zeichnet sich durch eine leitfähige Schicht mit hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit aus. Aufgrund der guten Oberflächenleitfähigkeit ist sie insbesondere zur Ableitung kleiner, hochfrequenter Ströme geeignet, also zur Abschirmung von Hochfrequenzfeldern. Das Material läßt sich leicht verarbeiten, in seinen elektrischen und mechanischen Parametern in weiten Grenzen einstellen und preiswert fertigen. Seine Beständigkeit gegenüber Schwingungs- und Wechselbiegebeanspruchungen ist sehr groß. Das Kabel ist beispielsweise als Energiekabel, Daten- bzw. Signalkabel oder Hybridkabel mit Energie- und Datenleitungen geeignet.

Bei Verwendung eines Textilstoffes aus Naturfasern ist in der Regel ein hermetischer Feuchtigkeitsabschluß erforderlich, da viele Naturfasern unter Wasseraufnahme quellen, was zur Zerstörung der anhaftenden Metallschichten führt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Textilstoff daher aus synthetischen Fasern. Geeignete Materialien sind insbesondere Polyamide wie z. B. Nylon. Sie zeichnen sich neben vorteilhaften mechanischen Eigenschaften, etwa einer hohen Zugfestigkeit, durch eine Oberflächenstruktur mit mikroskopischen Rauhigkeiten aus, die eine gute Haftung der Metallschicht bewirkt. Bei hoher Temperaturbeanspruchung der Schicht ist auch die Verwendung von Fasern aus hochtemperaturbeständigen Kunststoffen möglich.

Grundsätzlich sind beliebige Textilstoffe als Trägermaterial der leitfähigen Schicht geeignet, beispielsweise Gewebe oder Gewirke, sofern sie hinreichend kleine Poren- bzw. Maschenweiten aufweisen. Speziell bei sehr geringen Faserdurchmessern und kleinen Poren ist jedoch die Verwendung von Vliesstoffen bevorzugt, da sie sich leicht und preiswert fertigen lassen. Dabei gewährleistet die statistische Anordnung der Fasern isotrope mechanische Eigenschaften. Auch für die elektrischen Eigenschaften ist die statistische Faseranordnung von Vorteil, da sie die Abschirmwirkung verbessert.

Zweckmäßig sind die Fasern näherungsweise isotrop metallbeschichtet, d. h. die Dicke der Metallbeschichtung zeigt allenfalls geringe Variationen über den Umfang einer Faser. Dabei ist es zur Gewährleistung eines guten Kontaktes der Fasern untereinander erforderlich, daß auch im Bereich ihrer Berührungsstellen eine gleichmäßige Metallbeschichtung vorhanden ist. Derartige Metallbeschichtungen lassen sich naßchemisch, etwa durch elektrolytische Verfahren, herstellen. Dagegen können bei Vakuumbeschichtungen Abschattungseffekte auftreten, welche Dickenvariationen in den Metallschichten zur Folge haben.

Ein geeignetes Metall für die leitfähige Schicht ist Kupfer, das sich aufgrund seiner vorteilhaften elektrischen Eigenschaften für Leitzwecke bewährt hat. Gegebenenfalls ist eine oberflächliche Vergütung des Kupfers durch Verzinnung oder Versilberung von Vorteil, etwa zum Korrosionsschutz.

Da die Leitfähigkeit metallbeschichteter Textilstoffe im Vergleich zu Elementen mit Ruß oder Graphit als Leitermaterial wesentlich größer ist, lassen sie sich vielfach auch ohne metallische Beileiter einsetzen. Bei vergleichsweise dünner Metallbeschichtung, längeren Ableitstrecken oder größeren Strömen ist es jedoch zweckmäßig, daß die Schichten durchgehend oder in geringen Abständen mit einem oder mehreren parallel verlaufenden Beileitern hinreichenden Querschnitts in elektrischem Kontakt stehen. Geeignete Beileiter sind beispielsweise Schirmdrähte, Geflechte, Litzen oder andere Begleitmetalle, die unisoliert auf einer Oberfläche der leitfähigen Schicht aufliegen.

Bei einem Energiekabel, etwa einem Mittelspannungs- oder Hochspannungskabel sind leitfähige Schichten aus metallbeschichteten Textilstoffen zur Schirmung geeignet und erhöhen aufgrund ihrer hohen und gleichmäßigen Leitfähigkeit die Strombelastbarkeit und Stoßspannungsfestigkeit im Vergleich zu Leitschichten mit Ruß oder Graphit. Zudem bewirken sie bei einem Kurzschlußstrom, der über mit ihnen in Kontakt stehenden Schirmdrähte abfließt, eine verbesserte Wärmeableitung über den Leiterumfang. Neben der Verwendung als innere oder äußere Leitschicht an der Oberfläche eines Isolators sind sie auch als Überwachungsschichten geeignet, wie sie beispielsweise in Kabeln für Bergwerke gebräuchlich sind, um Beschädigungen des Kabels detektieren zu können.

In besonderem Maße sind die vorgeschlagenen leitfähigen Schichten für Signal- oder Datenkabel geeignet, beispielsweise für Antennenkabel oder für Computerkabel zur Vernetzung von Datenverarbeitungsgeräten. Dabei ist von Vorteil, daß die leitfähigen Schichten über Strecken im Bereich der Wellenlänge gebräuchlicher Hochfrequenzsignale gemittelt bei hinreichend kleiner Porengröße konstante elektrische Eigenschaften aufweisen. Entsprechend bilden sie gute Abschirmungen, speziell im Vergleich zu einzelnen Drähten und groben Geflechten. Im Vergleich zu geflochtenen Abschirmungen sind sie darüber hinaus wesentlich preiswerter. Zudem erweist sich die hohe Wechselbiegefestigkeit des Materials als vorteilhaft, die das Einreißen der Abschirmung auch bei Kabeln, die Vibrationen ausgesetzt sind, oder häufigen Lagewechseln flexibler Kabel ausschließt.

Geeignet ist eine leitfähige Schicht aus metallbeschichtetem Textilstoff ferner als Außenleiter eines abstrahlenden Hochfrequenzkabels, wie es beispielsweise gebräuchlich ist, um Funkverbindungen in Tunnelstrecken zu ermöglichen. In diesem Fall ist die leitfähige Schicht bzw. der Außenleiter mit Öffnungen, etwa Löchern oder Spalten, in derartiger definierter Größe und Anordnung versehen, daß die Abstrahlleistung entlang der Länge des Kabels näherungsweise konstant ist. Abstrahl- und Leitungsverluste in aufeinanderfolgenden Kabelabschnitten werden also z. B. durch unterschiedliche Öffnungszahlen pro Längeneinheit ausgeglichen. Der Öffnungsdurchmesser ist dabei groß gegen den Porendurchmesser in der leitfähigen Schicht. Die Flexibilität des Materials ermöglicht in diesem Fall erstmals die Herstellung flexibler, abstrahlender Hochfrequenzkabel, die bisher unbekannt sind. Daher sind die Kabel sowohl für eine dauernde Schwingungsbeanspruchung als auch für einen ortsveränderlichen Einsatz geeignet. Aufgrund der guten Bearbeitbarkeit der leitfähigen Schicht lassen sich die erforderlichen Öffnungen leicht und ohne die Gefahr eines Einreißens in sie einbringen.

Im nachfolgenden Beschreibungsteil ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Sie zeigt die angeschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Kabels.

Das vorgeschlagene Kabel besteht aus mehreren Leitern 1 mit Isolation 2, die gemeinsam von einer leitfähigen Schicht 3 zur Abschirmung umgeben sind. Außenseitig wird das Kabel durch einen Mantel 4 abgeschlossen.

Die leitfähige Schicht 3 besteht aus einem textilen Vliesstoff, der von Fasern 5, z. B. Nylonfasern, gebildet ist. Die Leitfähigkeit der Schicht 3 wird durch eine außenseitige Metallbeschichtung der Fasern 5 bewirkt. Im Ergebnis bildet die leitfähige Schicht 3 somit eine flexible, preiswerte und effektive Abschirmung der Leiter 1. Ein metallischer Beileiter 6, der unisoliert auf der Außenseite der leitfähigen Schicht 3 aufliegt und entsprechend in elektrischem Kontakt mit ihr steht, dient zur verbesserten Stromableitung in Längsrichtung des Kabels.

Claims (13)

1. Kabel mit Leitern (1) und einer leitfähigen Schicht (3), die parallel zu den Leitern (1) verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht (3) einen Textilstoff aus Fasern (5) umfaßt und die Oberfläche der Fasern (5) mit einer zusammenhängenden Metallschicht bedeckt ist.

2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht (3) einen oder mehrere Leiter (1) radial umschließt.

3. Kabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (5) synthetische Fasern sind.

4. Kabel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (5) aus Polyamid bestehen.

5. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Textilstoff ein Vliesstoff ist.

6. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (5) näherungsweise isotrop metallbeschichtet sind.

7. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht aus Kupfer und/oder Silber und/oder Zinn besteht.

8. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht (3) mit einem oder mehreren parallel verlaufenden Beileitern durchgehend oder mehrfach in elektrischem Kontakt steht.

9. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel ein Energiekabel ist.

10. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht (3) eine Leitschicht an der Oberfläche einer Isolation (2) ist.

11. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel ein Signal- oder Datenkabel ist.

12. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht (3) eine Abschirmung der Leiter (1) ist.

13. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht (3) der Außenleiter eines abstrahlenden Hochfrequenzkabels ist.