1.3 Kabel und Leitungen

Dez 18th, 2010 by Stefan Fassbinder

Bild 2: Bei Hochspannungskabeln dominiert beim Gesamt-Querschnitt bzw. Volumen der Isolierstoff den Leiterwerkstoff

Bei Kabeln und Leitungen spielt das Argument des Platzbedarfs jedoch in den meisten Fällen nur eine untergeordnete Rolle. Der Löwenanteil der Querschnittsfläche einer Niederspannungs-Mantelleitung im Bereich bis etwa 10 mm² je Leiter (Bild 5) oder eines Hochspannungskabels (Bild 2) geht auf das Konto des Isolierstoffs. Der Querschnitts-Aufschlag für Aluminium geht darin mehr oder weniger unter. Zumindest bei herkömmlichen Kunststoffleitungen ist das so. Mineral isolierte Kabel und Leitungen (Bild 3) bieten über ihre absolute Brandsicherheit hinaus einen erheblichen Platz-Vorteil (Bild 4) gegenüber gewöhnlichen Kunststoffleitungen. Diese Mineral isolierten Kabel und Leitungen wurden zeitweise auch mit einer Hülle aus Aluminium statt Kupfer hergestellt, doch auch das hat sich nicht durchgesetzt.

Bild 3: Mineral isolierte Leitungen im Querschnitt

Bild 4: Aufbau »brandsicherer« Kunststoffleitung und Mineral isolierter Leitung

Und zur Gebäude-Installation wird in den meisten europäischen Ländern vorwiegend oder ausschließlich Kupfer verwendet. Warum lassen die meisten europäischen Normen Aluminium im Bereich bis 16 mm², teilweise bis 10 mm², überhaupt nicht zu?

Maßgeblich hierfür sind vor allem drei Gründe:

Aluminium ist zwar recht duktil (plastisch verformbar), aber nicht so duktil wie Kupfer. Die Enden in Wänden verlegter steifer Drähte, z. B. in UP-Dosen und an Wandauslässen, brechen nach mehrmaligem hin und her biegen ab. Problematisch wird es, wenn das Drahtende im Inneren der Isolierhülle ganz kurz vor dem Abbrechen steht und in diesem Zustand weiter betrieben wird. Der Fehler bleibt so lange unbemerkt, bis die Leitung einmal mit einem nennenswerten Strom (in der Nähe des Nennstroms) belastet wird, was Jahre dauern kann. Dann schmilzt die Engstelle durch, was wiederum wegen des niedrigeren Schmelzpunktes und der niedrigeren Wärmeleitfähigkeit von Aluminium wesentlich leichter vorkommen kann als bei Kupfer, ganz abgesehen von der Neigung zur Bildung solcher Einschnürungen, und es kann ein Lichtbogen stehen bleiben. Dieser kann sogar dazu führen, dass sich das Aluminium entzündet und abbrennt wie eine Zündschnur.
Aluminium überzieht sich an der Luft sehr schnell mit einer harten, widerstandsfähigen Oxidschicht, die nicht elektrisch leitet und daher das Kontaktieren erschwert. Es können Übergangswiderstände auftreten, die wiederum mit Brandrisiko enden. Kupfer oxidiert ebenfalls an der Luft, doch behindert diese Oxidschicht die Kontaktierung eigenartigerweise nicht, obwohl auch Kupferoxide (CuO und Cu₂O) mit ihren gegenüber dem elementaren Metall um rund 13 Zehnerpotenzen schlechterer Leitfähigkeit kaum als Leiter zu betrachten sind.
Aluminium neigt zum Langzeitfließen. Der Werkstoff gibt bei starkem Druck mit der Zeit nach. So können anfangs feste Anschlüsse allmählich locker werden. Dieses Problem lässt sich mit entsprechendem Mehr-Aufwand bei der Verbindungstechnik lösen, und bei Leitungen mit relativ wenigen Verbindungsstellen wie z. B. Hochspannungs-Freileitungen lohnt sich dieser Aufwand, in verzweigten Netzwerken wie z. B. innerhalb von Gebäuden jedoch nicht.

Auf Grund des zweiten geschilderten Problems sollten Aluminium-Leiterenden stets mit stramm angezogenen Schraubkontakten kontaktiert werden, aber gerade diese sind auf Grund des dritten Punktes oft nicht dauerhaft. Abhilfe schaffen im Prinzip Federkontakte, doch werden dadurch dann wieder die Oxidschichten zum Problem. Es kommt in beiden Fällen zu langsam ansteigenden Übergangswiderständen und somit wiederum zu Brandgefahr. Die alten Aluminium-Installationen in Ostdeutschland und den meisten osteuropäischen Ländern genießen zwar »Bestandsschutz«, doch stellt dieser lediglich einen wirksamen Schutz vor etwa drohenden Verbesserungen dar. Um aber die derart »geschützten« Installationen mit neuen Anlagenteilen verbinden zu können, gibt es spezielle Verbinder mit Federkraft-Kontaktdruck und eine spezielle Kontaktpaste aus Fett mit scharfkantigen Metallpartikeln. Die Partikel drücken sich beim Verbinden durch die bereits bestehende Aluminiumoxidschicht, und das Fett schützt vor erneuter Korrosion.8

Auch in Hochspannungskabeln wird Kupfer als Leiterwerkstoff bevorzugt, denn die dort in Frage kommenden Isolierwerkstoffe sowie die äußere Abschirmung sind teuer, und selbst die nur geringe bei Aluminium erforderlich werdende Vergrößerung des Gesamtquerschnitts des Kabels kompensiert wiederum die Einsparung beim Leiterwerkstoff – anders als bei Niederspannungs-Energiekabeln größerer Querschnitte (Bild 6). Nicht vergessen werden sollte auch, dass die Abschirmung immer aus Kupfer gefertigt wird, weil es anders nicht geht, und wenn für die Leiter Aluminium gewählt wird, muss nach dem – wenn auch langen – Leben eines solchen Kabels beim Verschrotten ein weiterer Arbeitsschritt eingefügt werden, um die Metalle voneinander zu trennen.

Bild 5: Auch bei Installations- und Anschlussleitungen kleiner Querschnitte nimmt der Leiterwerkstoff den kleineren Teil am Gesamt-Querschnitt ein

Dabei lebt der nackte Werkstoff Kupfer nicht nur lange, sondern praktisch ewig. Er lässt sich ohne Qualitätsverlust beliebig oft wieder aufbereiten. Etwa 45% der heute benötigten Menge wird aus Schrott erzeugt, und die daraus hergestellten Produkte, ob Kabel, Transformatoren, Wasserrohre oder Dachdeckung, werden sehr lange genutzt, im Durchschnitt vielleicht 40 Jahre. Vor 40 Jahren aber war der Bedarf nur etwa halb so hoch wie heute. Also werden rund 90% des damals eingesetzten Materials heute wieder verwendet. Dieser Sachverhalt gilt in ähnlicher Weise auch für Aluminium und andere Metalle. Denn: Metalle werden nicht verbraucht, sondern genutzt.