Electrolytic-Tough-Pitch (ETP)-Kupfer, ein hochreines Kupfer, das Sauerstoff als Legierungsmittel enthält, stellt aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit und verbesserten Glühfähigkeit den Großteil der elektrischen Leiteranwendungen dar. ETP-Kupfer wird für die Energieübertragung, Energieverteilung und Telekommunikation verwendet. Zu den üblichen Anwendungen gehören Gebäudedraht, Motorwicklungen, elektrische Kabel und Stromschienen. Sauerstofffreie Kupfersorten werden verwendet, um der Wasserstoffversprödung zu widerstehen, wenn eine umfangreiche Kaltverformung erforderlich ist, und für Anwendungen, die eine höhere Duktilität erfordern (z. B. Telekommunikationskabel). Wenn Wasserstoffversprödung ein Problem darstellt und ein niedriger elektrischer Widerstand nicht erforderlich ist, kann dem Kupfer Phosphor zugesetzt werden.
Für bestimmte Anwendungen werden Leiter aus Kupferlegierungen anstelle von reinem Kupfer bevorzugt, insbesondere wenn höhere Festigkeiten oder verbesserte Abrieb- und Korrosionsbeständigkeitseigenschaften erforderlich sind. Allerdings werden die höheren Festigkeits- und Korrosionsbeständigkeitsvorteile, die Kupferlegierungen im Vergleich zu reinem Kupfer bieten, durch ihre geringeren elektrischen Leitfähigkeiten ausgeglichen. Konstrukteure wägen die Vor- und Nachteile der verschiedenen Arten von Leitern aus Kupfer und Kupferlegierungen ab, wenn sie entscheiden, welcher Typ für eine bestimmte elektrische Anwendung spezifiziert werden soll. Ein Beispiel für einen Leiter aus einer Kupferlegierung ist Cadmium-Kupferdraht, der in Nordamerika für die Elektrifizierung von Eisenbahnen verwendet wird. In Großbritannien verwendete das BPO (später Post Office Telecommunications) Cadmium-Kupfer-Freileitungen mit 1 % Cadmium für zusätzliche Festigkeit; für lokale Leitungen 40 lb/mile (1,3 mm Durchmesser) und für Mautleitungen 70 lb/mile (1,7 mm Durchmesser).
Einige der wichtigsten Anwendungsmärkte für Kupferleiter sind im Folgenden zusammengefasst.
Elektrische VerkabelungBearbeiten
Mineralisolierte kupferummantelte Kabel (Pyro).
Elektrische Leitungen verteilen elektrischen Strom innerhalb von Wohn-, Gewerbe- oder Industriegebäuden, Wohnmobilen, Freizeitfahrzeugen, Booten und Umspannwerken bei Spannungen bis zu 600 V. Die Dicke der Leitung richtet sich nach den Anforderungen an den elektrischen Strom in Verbindung mit sicheren Betriebstemperaturen. Bei kleineren Durchmessern wird Volldraht verwendet; dickere Durchmesser werden verseilt, um Flexibilität zu gewährleisten. Zu den Leitertypen gehören nicht-metallische/nicht-metallische korrosionsbeständige Kabel (zwei oder mehr isolierte Leiter mit einem nicht-metallischen Außenmantel), bewehrte oder BX-Kabel (Kabel sind von einer flexiblen Metallhülle umgeben), metallummantelte Kabel, Hausanschlusskabel, unterirdische Zuleitungskabel, TC-Kabel, feuerbeständige Kabel und mineralisolierte Kabel, einschließlich mineralisolierter kupferummantelter Kabel. Kupfer wird aufgrund seiner Leitfähigkeit, Stärke und Zuverlässigkeit häufig für Gebäudekabel verwendet. Über die Lebensdauer eines Gebäudedrahtsystems kann Kupfer auch der wirtschaftlichste Leiter sein.
Kupfer, das in Gebäudedraht verwendet wird, hat eine Leitfähigkeitsbewertung von 100 % IACS oder besser. Gebäudedraht aus Kupfer benötigt weniger Isolierung und kann in kleineren Rohren verlegt werden als bei der Verwendung von Leitern mit geringerer Leitfähigkeit. Außerdem passt vergleichsweise mehr Kupferdraht in ein bestimmtes Leerrohr als Leiter mit geringerer Leitfähigkeit. Diese größere „Drahtfüllung“ ist ein besonderer Vorteil, wenn ein System neu verdrahtet oder erweitert wird.
Kupfer-Baudraht ist mit Messing und qualitätsbeschichteten Schrauben kompatibel. Der Draht bietet Verbindungen, die nicht korrodieren oder kriechen. Er ist jedoch nicht mit Aluminiumdraht oder -verbindern kompatibel. Wenn die beiden Metalle miteinander verbunden werden, kann eine galvanische Reaktion auftreten. Die anodische Korrosion während dieser Reaktion kann das Aluminium zersetzen. Aus diesem Grund verwenden die meisten Geräte- und Elektrogerätehersteller Kupferleitungen für den Anschluss an die Gebäudeverkabelung.
Die „Vollkupfer“-Gebäudeverkabelung bezieht sich auf Gebäude, in denen die elektrische Innenversorgung ausschließlich über Kupferleitungen erfolgt. In „All-Copper“-Häusern werden Kupferleiter in Leistungsschaltertafeln, Abzweigstromkreisen (zu Steckdosen, Schaltern, Beleuchtungskörpern und dergleichen) und in speziellen Abzweigungen, die Schwerlastgeräte (wie Herde, Öfen, Wäschetrockner und Klimaanlagen) versorgen, verwendet.
Versuche, Kupfer durch Aluminium in der Gebäudeverkabelung zu ersetzen, wurden in den meisten Ländern eingeschränkt, als man feststellte, dass sich Aluminiumverbindungen aufgrund ihres inhärenten langsamen Kriechens in Kombination mit dem hohen Widerstand und der Wärmeentwicklung der Aluminiumoxidation an den Verbindungsstellen allmählich lockerten. Federkontakte haben dieses Problem mit Aluminiumleitern im Baudraht weitgehend entschärft, aber einige Bauvorschriften verbieten immer noch die Verwendung von Aluminium.
Für Abzweigstromkreise wird praktisch die gesamte Grundverdrahtung für Leuchten, Steckdosen und Schalter aus Kupfer hergestellt. Der Markt für Aluminium-Baudraht beschränkt sich heute meist auf größere Abmessungen, die in Versorgungsstromkreisen verwendet werden.
Elektrische Verdrahtungsvorschriften geben den zulässigen Nennstrom für Standardgrößen von Leitern an. Die Stromstärke eines Leiters variiert in Abhängigkeit von der Größe, der zulässigen Höchsttemperatur und der Betriebsumgebung des Leiters. Leiter, die in Bereichen verwendet werden, in denen kühle Luft frei um die Drähte zirkulieren kann, dürfen im Allgemeinen mehr Strom führen als ein kleinerer Leiter, der in einem unterirdischen Kabelkanal mit vielen ähnlichen Leitern neben ihm verlegt ist.
KommunikationsverkabelungBearbeiten
Twisted-Pair-KabelBearbeiten
Twisted-Pair-Verkabelung ist das beliebteste Netzwerkkabel und wird häufig in Datennetzwerken für kurze und mittellange Verbindungen (bis zu 100 Meter) verwendet. Dies liegt an den relativ geringeren Kosten im Vergleich zu Glasfaser- und Koaxialkabeln.
Ungeschirmte Twisted-Pair-Kabel (UTP) sind der primäre Kabeltyp für den Telefongebrauch. Im späten 20. Jahrhundert setzten sich UTPs als häufigstes Kabel in Computernetzwerken durch, insbesondere als Patchkabel oder temporäre Netzwerkverbindungen. Sie werden zunehmend in Videoanwendungen eingesetzt, vor allem in Sicherheitskameras.
UTP-Plenumkabel, die über Decken und innerhalb von Wänden verlaufen, verwenden einen massiven Kupferkern für jeden Leiter, wodurch das Kabel seine Form beibehält, wenn es gebogen wird. Patchkabel, die Computer mit Wandplatten verbinden, verwenden Kupferlitzen, weil sie während ihrer Lebensdauer voraussichtlich gebogen werden.
UTPs sind die besten verfügbaren symmetrischen Leitungskabel. Sie sind jedoch am einfachsten anzuzapfen. Wenn Störungen und Sicherheit ein Thema sind, werden oft geschirmte Kabel oder Glasfaserkabel in Betracht gezogen.
UTP-Kabel umfassen: Kabel der Kategorie 3, die jetzt die Mindestanforderung der FCC (USA) für jeden Telefonanschluss ist; Kabel der Kategorie 5e, bei dem jedes Paar mit 100 MHz für den Betrieb von Gigabit-Ethernet (1000Base-T) verstärkt ist; und Kabel der Kategorie 6, bei dem jedes Paar mit 250 MHz für verbesserte 1000Base-T-Leistung arbeitet.
In Kupfer-Twisted-Pair-Draht-Netzwerken wird die Kupferkabel-Zertifizierung durch eine gründliche Reihe von Tests in Übereinstimmung mit den Standards der Telecommunications Industry Association (TIA) oder der International Organization for Standardization (ISO) erreicht.
KoaxialkabelBearbeiten
Koaxialkabel wurden häufig in Großrechnersystemen verwendet und waren der erste große Kabeltyp, der für Local Area Networks (LAN) eingesetzt wurde. Gängige Anwendungen für Koaxialkabel sind heute Computernetzwerke (Internet) und Messdatenverbindungen, Video- und CATV-Verteilung, HF- und Mikrowellenübertragung sowie Zuleitungen, die Radiosender und -empfänger mit ihren Antennen verbinden.
Während Koaxialkabel längere Strecken zurücklegen können und einen besseren Schutz vor EMI bieten als verdrillte Paare, sind Koaxialkabel schwieriger zu verarbeiten und schwieriger vom Büro bis zum Kabelschrank zu verlegen. Aus diesen Gründen werden sie heute in der Regel durch preiswertere UTP-Kabel oder durch Glasfaserkabel für mehr Kapazität ersetzt.
Heute verwenden viele CATV-Unternehmen immer noch Koaxialkabel bis in die Häuser. Diese Kabel werden jedoch zunehmend mit einem Glasfaser-Datenkommunikationssystem außerhalb des Hauses verbunden. Die meisten Gebäudemanagementsysteme verwenden proprietäre Kupferverkabelung, ebenso wie Paging-/Audio-Lautsprechersysteme. Sicherheitsüberwachungs- und Zutrittssysteme sind oft noch auf Kupfer angewiesen, obwohl auch Glasfaserkabel verwendet werden.
Strukturierte Verkabelung
Die meisten Telefonleitungen können Sprache und Daten gleichzeitig übertragen. Die vordigitale Vierfach-Telefonverkabelung in Haushalten ist nicht in der Lage, den Kommunikationsbedarf für mehrere Telefonleitungen, Internetdienste, Videokommunikation, Datenübertragung, Faxgeräte und Sicherheitsdienste zu bewältigen. Übersprechen, statische Störungen, unhörbare Signale und unterbrochene Dienste sind häufige Probleme mit veralteten Verkabelungen. Computer, die an eine veraltete Kommunikationsverkabelung angeschlossen sind, haben oft eine schlechte Internetleistung.
„Strukturierte Verkabelung“ ist der allgemeine Begriff für die ortsfeste Verkabelung des 21. Jahrhunderts für Telefon-, Video-, Datenübertragungs-, Sicherheits-, Steuerungs- und Unterhaltungssysteme mit hoher Kapazität. Installationen umfassen in der Regel eine zentrale Verteilertafel, an der alle Verbindungen hergestellt werden, sowie Steckdosen mit dedizierten Anschlüssen für Telefon-, Daten-, TV- und Audiobuchsen.
Die strukturierte Verkabelung ermöglicht es Computern, fehlerfrei und mit hohen Geschwindigkeiten miteinander zu kommunizieren, während sie gleichzeitig Interferenzen zwischen verschiedenen elektrischen Quellen, wie Haushaltsgeräten und externen Kommunikationssignalen, widersteht. Vernetzte Computer sind in der Lage, gleichzeitig Hochgeschwindigkeits-Internetverbindungen zu nutzen. Strukturierte Verkabelung kann auch Computer mit Druckern, Scannern, Telefonen, Faxgeräten und sogar Haussicherheitssystemen und Unterhaltungsgeräten verbinden.
Buchsenstecker für Koaxialkabel.
Vierfach abgeschirmtes RG-6-Koaxialkabel kann eine große Anzahl von TV-Kanälen gleichzeitig übertragen.
Ein sternförmiges Verdrahtungsmuster, bei dem die Verdrahtung zu jeder Buchse zu einem zentralen Verteilergerät führt, erleichtert die Flexibilität der Dienste, die Problemerkennung und eine bessere Signalqualität. Dieses Muster hat Vorteile gegenüber Daisy-Chain-Schleifen. Installationswerkzeuge, Tipps und Techniken für vernetzte Verkabelungssysteme unter Verwendung von verdrillten Zweidrahtleitungen, Koaxialkabeln und entsprechenden Steckern sind verfügbar.
Die strukturierte Verkabelung konkurriert mit drahtlosen Systemen im Haus. Während drahtlose Systeme sicherlich Komfortvorteile bieten, haben sie auch Nachteile gegenüber kupferverdrahteten Systemen: die höhere Bandbreite von Systemen, die eine Verkabelung der Kategorie 5e verwenden, unterstützt in der Regel mehr als die zehnfache Geschwindigkeit von drahtlosen Systemen für schnellere Datenanwendungen und mehr Kanäle für Videoanwendungen. Andererseits stellen drahtlose Systeme ein Sicherheitsrisiko dar, da sie über ähnliche Empfangsgeräte sensible Informationen an unbeabsichtigte Benutzer übertragen können. Drahtlose Systeme sind anfälliger für Störungen durch andere Geräte und Systeme, was die Leistung beeinträchtigen kann. Bestimmte geografische Gebiete und einige Gebäude können für drahtlose Installationen ungeeignet sein, genauso wie einige Gebäude Schwierigkeiten bei der Installation von Kabeln bereiten können.
StromverteilungBearbeiten
Die Stromverteilung ist die letzte Stufe der Lieferung von Elektrizität für einen Endverbraucher. Ein Stromverteilungssystem transportiert Strom vom Übertragungssystem zu den Verbrauchern.
Stromkabel werden für die Übertragung und Verteilung von elektrischem Strom verwendet, entweder im Freien oder innerhalb von Gebäuden. Details zu den verschiedenen Typen von Energiekabeln sind verfügbar.
Kupfer ist das bevorzugte Leitermaterial für unterirdische Übertragungsleitungen, die mit Hoch- und Höchstspannungen bis 400 kV betrieben werden. Die Vorherrschaft von Kupfer-Erdkabelsystemen ist auf seine höheren volumetrischen elektrischen und thermischen Leitfähigkeiten im Vergleich zu anderen Leitern zurückzuführen. Diese vorteilhaften Eigenschaften von Kupferleitern sparen Platz, minimieren den Leistungsverlust und sorgen für niedrigere Kabeltemperaturen.
Kupfer dominiert weiterhin Niederspannungsleitungen in Bergwerken und Unterwasseranwendungen sowie in elektrischen Eisenbahnen, Hebezeugen und anderen Außenanlagen.
Aluminium, entweder allein oder verstärkt mit Stahl, ist der bevorzugte Leiter für Freileitungen aufgrund seines geringeren Gewichts und der niedrigeren Kosten.
Geräteleiter
Geräteleiter für Haushaltsanwendungen und Instrumente werden aus bündelverseiltem, weichem Draht hergestellt, der zum Löten oder zur Phasenkennzeichnung verzinnt sein kann. Je nach Beanspruchung kann die Isolierung aus PVC, Neopren, Ethylen-Propylen, Polypropylen-Füllstoff oder Baumwolle bestehen.
AutomobilleitungenBearbeiten
Automobilleitungen erfordern eine Isolierung, die resistent gegen hohe Temperaturen, Erdölprodukte, Feuchtigkeit, Feuer und Chemikalien ist. PVC, Neopren und Polyethylen sind die gebräuchlichsten Isolierstoffe. Die Potentiale reichen von 12 V für elektrische Systeme bis zu 300 V – 15.000 V für Instrumente, Beleuchtung und Zündsysteme.
MagnetdrahtBearbeiten
Magnetdraht oder Wickeldraht wird in Wicklungen von Elektromotoren, Transformatoren, Drosseln, Generatoren, Kopfhörern, Lautsprecherspulen, Festplattenkopfpositionierern, Elektromagneten und anderen Geräten verwendet.
Meist besteht Magnetdraht aus vollständig geglühtem, elektrolytisch veredeltem Kupfer, um eine engere Wicklung bei der Herstellung elektromagnetischer Spulen zu ermöglichen. Der Draht ist mit einer Reihe von polymeren Isolierungen beschichtet, einschließlich Lack, und nicht mit dem dickeren Kunststoff oder anderen Arten von Isolierungen, die üblicherweise für elektrische Drähte verwendet werden. Hochreine sauerstofffreie Kupfersorten werden für Hochtemperaturanwendungen in reduzierenden Atmosphären oder in wasserstoffgasgekühlten Motoren oder Generatoren eingesetzt.