Spezifikation von Kabeln für extreme Umgebungen

Die Steuerung von Pipelines in der Arktis, Nahverkehrssysteme, Bergbau- und Militärausrüstung sowie Lebensmittel-, Getränke- und petrochemische Betriebe sind Beispiele für Bereiche, in denen Anwendungen in extremen Umgebungen arbeiten und eine robuste Verkabelung erfordern, um einen unterbrechungsfreien Betrieb und Sicherheit zu gewährleisten. Eine wichtige Anforderung ist der erweiterte Temperaturbetrieb von -50°C bis +125°C.

Die Kabel sollten eine Isolierung aus thermoplastischem Elastomer (TPE) haben, die dreimal so kälteflexibel ist wie Polyvinylchlorid (PVC), lösungsmittel- und wasserbeständig ist, eine ausgezeichnete UV-Lichtbeständigkeit aufweist und im Sinne der Nachhaltigkeit recycelbar ist. Sie sollten für den Einsatz unter rauen Bedingungen im Freien geeignet sein, wo sie den Elementen ausgesetzt sind oder direkt erdverlegt werden können, um die Installation zu beschleunigen.

Sie müssen die strengen UL- und CSA-Anforderungen erfüllen und in mehrpaarigen und mehradrigen Konfigurationen mit einer Auswahl an Kabelkanälen (TC), leistungsbegrenzten Kabelkanälen (PLTC) oder Windturbinen-Kabelkanälen (WTTC), einer Reihe von Abschirmungsoptionen für elektromagnetische Störungen (EMI) und Spannungswerten für eine Vielzahl von Anwendungsszenarien erhältlich sein.

Dieser Artikel befasst sich mit den Leistungs- und Nachhaltigkeitsvorteilen der TPE-Isolierung und konzentriert sich dabei auf die Konstruktion der Xtra-Guard-4-Kabel von Alpha Wire. Es wird untersucht, wie diese Kabel die Installation an schwierigen Standorten vereinfachen, und abschließend wird kurz darauf eingegangen, wie Schrumpfschläuche wie FIT-600, die die Normen AMS-DTL-23053/1 der Klassen 1 und 2 erfüllen, die Installation von Xtra-Guard-4-Kabeln verbessern können.

PVC-Einschränkungen und TPE-Lösungen

PVC ist ein weit verbreitetes und sehr leistungsfähiges Dämmmaterial, aber es ist kein Allheilmittel. In bestimmten Anwendungsbereichen, wie z. B. bei Kabeln für extreme Umgebungen, ist dies möglicherweise nicht die beste Option. Für diese Anwendungen gibt es eine Alternative namens TPE, die nützlich sein kann.

TPE erfüllt die mit PVC verbundenen Leistungs- und Umweltanforderungen. Bei Anwendungen wie der Steuerung von arktischen Pipelines und Systemen für erneuerbare Energien, Nahverkehrssystemen sowie Bergbau- und Militärausrüstung, die extrem niedrigen Temperaturen ausgesetzt sind, kann TPE die bessere Wahl sein.

TPEs sind in erster Linie eine Kombination aus einem harten thermoplastischen Polymer und einem weichen, elastomeren Polymer, die gemischt oder copolymerisiert werden, um die optimale Leistung für bestimmte Anwendungen zu erzielen. Das für die Xtra-Guard-Flex-4-Kabel von Alpha Wire verwendete TPE ist bei niedrigen Temperaturen dreimal flexibler als PVC. Das vereinfacht die Installation und Wartung.

Bei einigen Anwendungen herrschen extrem hohe Temperaturen, wie z. B. bei der Hygienespülung in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie und bei bestimmten petrochemischen Prozessen. TPE ist für den Einsatz bei bis zu +125 °C ausgelegt und ist eine ausgezeichnete Wahl, da es bei hohen Temperaturen eine gleichbleibende Zuverlässigkeit bietet. Es widersteht auch Gefahren wie Lösungsmitteln, Wasser, Öl, UV-Strahlen der Sonne und Flammen, die in einer Vielzahl von Anwendungen vorkommen, besser als PVC-Alternativen.

Letztlich hat jedes System einen begrenzten Lebenszyklus, und letztendlich sind Recycling und Nachhaltigkeit entscheidende Faktoren für die längerfristigen Auswirkungen der Anlage. Dies ist ein weiterer Bereich, in dem sich TPE auszeichnet. Halogene (wie Chlor, Fluor und Brom) sind hochreaktiv. Typisches PVC enthält etwa 29% Chlor bezüglich Gewicht. Andere Alternativen, wie fluoriertes Ethylenpropylen (FEP) und Polytetrafluorethylen (PTFE, oft als Teflon bezeichnet), können bis zu 76% Fluor enthalten.

Bei normalem Gebrauch sind Materialien wie PVC, FEP und PTFE unschädlich und sehr nützlich. Am Ende ihres Lebens, wenn sie recycelt werden, können sie Quellen für gefährliche und giftige Verbindungen sein. TPE ist ein Thermoplast, d. h. es kann wiederholt geschmolzen und umgeformt werden, ohne sich zu zersetzen. Die Verwendung von TPE-Dämmstoffen trägt zur Abfallvermeidung bei, schont die Ressourcen und minimiert die Umweltauswirkungen, die mit der Entsorgung am Ende des Lebenszyklus verbunden sind.

Optimierte Abschirmung

EMI kann eine weitere Gefahr für elektronische Systeme darstellen, und die Xtra-Guard-4-Kabel von Alpha Wire bieten Entwicklern drei Abschirmungsoptionen für niedrige, mittlere und hohe EMI-Werte (Abbildung 1).

• In Umgebungen mit geringer EMI eignen sich ungeschirmte Kabel, die den kleinsten Durchmesser und das geringste Gewicht aufweisen.
• In mäßigen EMI-Situationen kann eine Abschirmung aus Aluminium-/Polyesterfolie ausreichend sein. Folienabschirmungen bieten eine Zwischenlösung in Bezug auf EMI-Leistung, Kabelgröße und Gewicht. Der verzinnte Kupferdraht vereinfacht die Erdung des Kabels und verbessert so die Wirksamkeit der Abschirmung.
• Bei hohen EMI-Werten können Entwickler auf die Supra-Shield-Kabel von Alpha zurückgreifen, die eine Aluminium/Polyester/Aluminium-Folie und ein verzinntes Kupfergeflecht mit einer engen 75%-Abdeckung kombinieren. Supra-Shield bietet eine Hochleistungsabschirmung über das gesamte Frequenzspektrum und gewährleistet so die Systemintegrität bei gleichzeitiger Flexibilität der Kabel für eine einfache Installation.

Abbildung 1: Anwendungen, die eine maximale EMI-Abschirmung erfordern, können Supra-Shield verwenden, das im Vergleich zu herkömmlichen Aluminium-/Polyesterfolienabschirmungen eine bessere Performance über den gesamten Frequenzbereich bietet. (Bildquelle: Alpha Wire)

Mehr Optionen für die Kabelkonstruktion

Isoliermaterial und Abschirmung sind nur zwei Aspekte der Kabelkonstruktion. Hinzu kommen die Leiter, die das Herzstück der Kabel bilden und den Fluss von elektrischer Energie und Informationen für den Betrieb des Systems ermöglichen.

Xtra-Guard-4-Kabel werden mit einer Auswahl an mehradrigen und mehrpaarigen Ausführungen angeboten. Beide Typen haben mehrere Drähte in einem einzigen Mantel, unterscheiden sich aber in ihrem Aufbau und ihrem Verwendungszweck.

Mehrere Einzelleiter werden zu einem mehradrigen Kabel gebündelt. Sie eignen sich für allgemeine Anwendungen, wie z. B. Stromverteilung oder einfache Steuerverdrahtung, wenn die Signalintegrität keine Rolle spielt.

Bei mehrpaarigen Kabeln werden die Adernpaare miteinander verdrillt, bevor sie in das Kabel integriert werden. Durch die Verdrillung werden Rauschen und Störungen reduziert, so dass sich jedes Paar für Datenübertragungen und Kommunikationsanwendungen mit höherer Geschwindigkeit eignet (Abbildung 2).

Abbildung 2: Xtra-Guard-4-Kabel sind mit mehreren verdrillten Adernpaaren (oben) und mehreren Einzelleitern (unten) erhältlich. (Bildquelle: Alpha Wire)

Mehrleiterkabel sind mit Leitern von 16 bis 24 AWG, 2 bis 40 Leitern und verschiedenen Verseilungsstrukturen, einschließlich 16/30, 7/28 und 41/30, erhältlich. Mehrpaarige Kabel sind mit Leitern von 18 bis 24 AWG, 1 bis 19 Paaren und mit Verseilungsoptionen von 16/30, 7/28, 7/30 und 7/32 erhältlich.

Kabel-Nennwerte

Weitere Puzzlestücke bei der Auswahl von Kabeln, die den Erfolg in extremen Umgebungen sicherstellen sollen, sind die Spannungsfestigkeit und der UL-Typ. Es sind mehradrige Xtra-Guard-4-Kabel erhältlich, die für 300 V und 600 V ausgelegt sind. Für 300 V sind mehrpaarige Ausführungen erhältlich, die für Datenübertragungs- und Kommunikationsanwendungen geeignet sind.

Kabeltrassen werden oft als Alternative zu Kabelkanälen oder offener Verdrahtung verwendet. Sie unterstützen eine effiziente Kabelinstallation, -verwaltung und -wartung. Es gibt zwei Haupttypen von UL-zertifizierten Trassenkabeln. Der Hauptunterschied liegt in der Nennspannung.

Der Typ TC ist für 600 V ausgelegt und eignet sich daher für Leistungs- und Steuerstromkreise in industriellen Anwendungen. Kabel des Typs PLTC sind für 300 V ausgelegt und werden hauptsächlich für Signal- und Kommunikationsschaltungen verwendet. Mehradrige Xtra-Guard-4-Kabel sind sowohl für TC- als auch für PLTC-Anwendungen erhältlich, während für PLTC-Anwendungen mehrpaarige Kabel verfügbar sind (außer 24 AWG).

TC-zertifizierte Kabel werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen flammhemmende Eigenschaften erforderlich sind. PLTC-Kabel können in Stromkreisen der Klassen 2 und 3 verwendet werden, wie sie im National Electrical Code (NEC) definiert sind.

Stromkreise der Klasse 2 haben eine Mindestspannung von 150 V, während Stromkreise der Klasse 3 eine Mindestspannung von 300 V erfordern. Beide sind auf eine maximale Leistung von 100 VA begrenzt und sicher vor Brandauslösung. Stromkreise der Klasse 2 gelten aufgrund ihrer niedrigen Spannungs- und Leistungswerte als Stromschlagsicher, während Stromkreise der Klasse 3 häufig zusätzliche Schutzmaßnahmen zum Schutz vor Stromschlag erfordern.

Xtra-Guard-4-Kabel sind außerdem UL-WTTC-zertifiziert für den Einsatz in Windkraftanlagen und von der Pennsylvania Bureau of Deep Mining Safety für bergwerksweite Überwachungssysteme zugelassen (außer 14 AWG). Alpha Wire bietet ein umfassendes Sortiment an Xtra-Guard-4-Kabeln (Abbildung 3). Hier einige Beispiele:

• 45053, mehradrig ungeschirmt, mit 3 Leitern (20 AWG 7/28), ausgelegt für 300 V
• 45440/9, mehradrig foliengeschirmt, mit 9 Leitern (16 AWG 19/.0117), ausgelegt für 600 V
• 45162 mehradrig Supra-Shielded, mit 2 Leitern (18 AWG 16/30), ausgelegt für 300 V
• 45032 mehrpaarig ungeschirmt, mit 2 Leiterpaaren (18 AWG 16/30), ausgelegt für 300 V
• 45484 mehrpaarig foliengeschirmt, mit 4 Leiterpaaren (22 AWG 7/30), ausgelegt für 300 V
• 45126 mehrpaarig Supra-geschirmt, mit 6 Leiterpaaren (22 AWG 7/30), ausgelegt für 300 V

Abbildung 3: Xtra-Guard-4-Kabel sind in einer Vielzahl von Kabel- und Abschirmungskonfigurationen und mit Nennwerten von 300 V und 600 V erhältlich. (Bildquelle: Alpha Wire)

Einfache und robuste Installation

Nachdem das Kabel spezifiziert und auf die Anwendung abgestimmt wurde, ist das letzte Puzzleteil eine einfache und robuste Installation. Zusätzlich zu den oben beschriebenen Kabeltrasseninstallationen können Entwickler Xtra-Guard-4-Kabel im Außenbereich und bei direkter Erdverlegung verwenden, wo sie den Auswirkungen von Witterung und UV-Alterung standhalten, ohne dass ein Kabelkanal erforderlich ist. Das kann die Installation drastisch vereinfachen und beschleunigen.

Diese Kabel enthalten eine Nylon-Reißleine zum einfachen Abmanteln. Die FIT-Schrumpfschläuche von Alpha Wire bieten eine zuverlässige Möglichkeit zum Schutz und zur Abdichtung von Anschlüssen und sorgen für zusätzliche mechanische Robustheit.

FIT-600-Schrumpfschläuche sind eine beliebte Wahl. Das Modell F6001IN BK005 zum Beispiel hat einen Durchmesser von 1 Zoll vor dem Schrumpfen und besteht aus chloriertem Polyolefin (CPO). CPO bietet ein ausgewogenes Verhältnis von Flexibilität, Hitze- und Chemikalienbeständigkeit. Es bleibt auch bei niedrigen Temperaturen flexibel und ist flexibler als Standard-Schrumpfschläuche aus vernetztem Polyolefin (XLPO). CPO bietet außerdem eine doppelt so hohe Zugfestigkeit wie Schrumpfschläuche aus Silikonkautschuk mit einem Betriebstemperaturbereich von -75°C bis +121°C und lässt sich gut mit Xtra-Guard-4-Kabeln in extremen Umgebungen kombinieren (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der Schrumpfschlauch FIT 600 von Alpha Wire passt gut zur Performance der Xtra-Grard-4-Kabel in extremen Umgebungen. (Bildquelle: Alpha Wire)

Die Schrumpfschlauchserie FIT 600 erfüllt auch die Anforderungen der AMS-DTL-23053/1 Klasse 1 und 2. AMS-DTL-23053/1 ist eine militärische Spezifikation für Schrumpfschläuche, die für die elektrische Isolierung, die Zugentlastung und den Abriebschutz in Militär- und Luftfahrtsystemen verwendet werden.

Die Norm spezifiziert sowohl die Klasse 1, die für dickwandigere Schläuche steht, als auch die Klasse 2, die für mittelwandige Schläuche steht. Die nominale zurückgewonnene Wandstärke steht in direktem Zusammenhang mit der expandierten Größe des Schrumpfschlauchs vor dem Schrumpfen. Bei einer Nenngröße von 1 Zoll vor dem Schrumpfen beträgt die wiedergewonnene Wandstärke für mittelwandige Schrumpfschläuche beispielsweise etwa 0,070 Zoll (1,78 mm).

Fazit

Xtra-Guard-4-Kabel von Alpha Wire haben das Zeug dazu, in extremen Umgebungen erfolgreich zu sein. Da sie für Temperaturen von -50°C bis +125°C spezifiziert sind, eignen sie sich für den Einsatz in kalten Umgebungen bei der Kontrolle von Pipelines in der Arktis, bei extremer Hitze in petrochemischen Anlagen und können der Dampfreinigung und Sterilisation in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie standhalten.

Ihre TPE-Isolierung bietet hervorragende Flexibilität sowie Beständigkeit gegen Wasser, Lösungsmittel, UV-Strahlen und andere Umwelteinflüsse. Sie sind in einer Vielzahl von Leiterkonfigurationen, EMI-Abschirmungsgraden und Spannungswerten erhältlich, um die Anforderungen einer breiten Palette von Anwendungen zu erfüllen.

Sie sind UL-zugelassen für verschiedene Trassenkabel-Verlegearten oder für die direkte Erdverlegung. Der Schrumpfschlauch FIT 600 schließlich ist eine gute Ergänzung zur Flexibilität, Chemikalienbeständigkeit und Betriebstemperatur der Xtra-Guard-4-Kabel. Xtra-Guard 4 ist in Spulen der Längen 100 Fuß (etwa 30,5 Meter) und 1000 Fuß (etwa 305 Meter) exklusiv bei DigiKey erhältlich.

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