Kabel mit Abschirmung: Das müssen Sie wissen!

Jede elektrische Leitung kann im Betriebszustand elektromagnetische Wellen erzeugen. Diese breiten sich räumlich aus und können elektrische Ladungen – wie in elektrischen Kabeln – beeinflussen. Findet eine solche Beeinflussung statt, kann dies durch unerwünschte induzierte Ströme zu Störungen oder sogar Ausfällen führen.

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) beschreibt das Maß an Fehleranfälligkeit eines solchen Systems. Elektromagnetische Abschirmung bezeichnet Maßnahmen, die zum Schutz von elektrischen Leitungen vor solchen Störungen getroffen werden. Dabei werden Geräte, Systeme oder Anlagen vor äußeren Einflüssen geschützt und gleichzeitig sichergestellt, dass sie ihre Umgebung nicht beeinflussen.

In der Praxis wird ein solcher Schutz hauptsächlich durch zwei Dinge erzielt: physische Abschirmung von Kabeln durch spezielle Materialien und logistische Prävention durch sorgfältiges Planen von möglichen Schwachstellen.

Das Vermeiden von elektromagnetischen Störungen geschieht maßgeblich in drei Phasen:

1. Prävention und Vermeidung
2. Verhindern der Ausbreitung der Störung auf andere Komponenten
3. Vermeidung von Auswirkungen

Die Phasen haben in dieser Reihenfolge Priorität. Besonders bei der Prävention lassen sich durch technische Maßnahmen viele Störungen komplett verhindern. So können insbesondere lästige Kopplungen durch sorgfältige Planung mit Augenmerk auf die Auslastung gut verhindert werden. Emissionsstarke Störquellen sollte man räumlich von empfindlichen Steuerleitungen und Kabeln trennen. In Fertigungsanlagen sind damit insbesondere hochfrequente Bauteile wie Steueranlagen mit hohen Taktraten gemeint.

Ein besonders wichtiger und äußerst effektiver Schutz liegt in der Verwendung von Kabelabschirmung. Kabel mit spezieller EMV-Abschirmung sind magnetisch isoliert und dadurch erheblich weniger störanfällig. Zusätzlich verursachen Leitungen mit Abschirmung weniger Störungen an anderen Komponenten.

Kabelabschirmungen bestehen aus unterschiedlichen Materialien, die alle spezielle Eigenschaften mit sich bringen. Vorausschauendes Einplanen möglicher Störungen im System hilft dabei, die richtigen technischen Maßnahmen zu implementieren.

Kabel mit EMV-Abschirmung sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich, um unterschiedlichen Ansprüchen zu genügen. Meistens werden als Material Polyurethan oder PVC verwendet, da diese kostengünstig und hitzebeständig bei gleichzeitig guter Isolation sind. Aber auch andere Polymerkunststoffe können zum Einsatz kommen, solange sie die Anforderungen erfüllen. Zusätzlich zum Wickelmaterial ist der Schirmwerkstoff von Bedeutung: Die meisten isolierten Verbundkabel besitzen zwischen Einzelleitungen und Außenschicht ein Abschirmgeflecht aus Kupfer. Dieses wirkt wie ein faradayscher Käfig und blockiert elektromagnetische Einflüsse von außen.

Solche Kupfergeflechte können auch gesondert erworben werden, um bereits bestehende Leitungen nachträglich aufzurüsten. Auch abschirmende Tapes zur simplen Handhabung haben eine schützende Wirkung.

Wichtig ist auch, wie viele Einzelleitungen ein abgeschirmtes Verbundkabel beinhaltet. Steuerleitungen besitzen oftmals viele verschiedene Leitungen, um mehrere Komponenten anzusteuern. So sind abgeschirmte Leitungen selten in Form von Einzelleitungen erhältlich, sondern meist als drei- oder vieradriges Kabel, gelegentlich aber auch mit 20 Leitungen oder mehr.

Grundsätzlich sind Kabel mit integrierter Abschirmung die beste Wahl. In manchen Fällen ist es aber auch möglich, Verkabelungen im Nachhinein elektromagnetisch verträglicher zu machen. Dafür steht diverses Zubehör zur Auswahl.

Dazu zählen zum Beispiel Kabelschläuche, da sie Kabel nicht nur bündeln, sondern auch vor äußeren Einflüssen schützen.

Externe Schirmungen wie Abschirmstreifen und Abschirmklammern dichten Leitungen ab oder erden sie elektrisch, um Störungen durch elektromagnetische Induktion oder statische Entladung zu verhindern. Diese externen Bauteile bestehen aus verschiedenen Abschirmmaterialien, die abhängig von der Funktionsweise der Schirmungskomponenten entweder gar nicht oder besonders gut Elektrizität leiten.

So eignen sich Kupfergeflechte hervorragend, um Komponenten zu umschließen und magnetische Einflüsse zu stoppen. Polymerkunststoffe hingegen sind als Isolatoren sehr gut, um elektrostatische Entladungen und die daraus resultierenden Schäden zu verhindern.

Generell wird im Bereich der EMV zwischen interner und externer Beeinflussung unterschieden. Interne Beeinflussung bezeichnet die unerwünschte Kopplung von mehreren Komponenten oder Systemen. Kopplung bezeichnet dabei die (meist unerwünschte) elektromagnetische Verbindung zweier Geräte, welche auf mehrere Arten stattfinden kann:

• Kapazitive Kopplung entsteht durch unerwünschte Kapazitäten zwischen Komponenten. Sie tritt meist bei eng zusammenliegenden Leitungen mit hohen Potentialunterschieden auf, z. B. wenn Energieleitungen ohne Abschirmung nah an Steuerleitungen verlaufen.
• Galvanische Kopplung entsteht, wenn Ströme zweier Stromkreise über eine gemeinsame Impedanz fließen. In der Praxis geschieht dies meist, wenn mehrere Stromkreise eine gemeinsame Spannungsquelle besitzen oder sich einen Leiter als Strompfad teilen.
• Induktive Kopplung ist die gegenseitige Beeinflussung benachbarter Bauteile und Kabel durch magnetische Induktion. Ähnlich wie die kapazitive Kopplung tritt sie oftmals bei eng zusammenliegenden Leitungen auf, jedoch ist sie eher bei hochfrequenten Störquellen (auch mit geringer Spannung) von Bedeutung, zum Beispiel bei Leitungen zur Datenkommunikation.

Bei der externen Beeinflussung unterscheidet man wiederum:

• Leitungsgebundene Einwirkung durch Spannungspulse bei Schaltprozessen
• Strahlungsgebundene Einwirkung bei hochfrequenten Störquellen (zum Beispiel bei Funkwellen)

Elektrostatische Entladung durch elektrostatische Potentialunterschiede Dabei definiert man stets den Verursacher einer Störung als Störquelle, während der Empfänger als Störsenke bezeichnet wird.

Weitere zentrale Begriffe sind:

• Immunität: die Fähigkeit eines Gerätes, Störungen standzuhalten
• Suszeptibilität: das Nichtvorhandensein von Immunität
• Elektromagnetische Emission: das Ausmaß der von einem Gerät ausgehenden Störungen

Es liegt im Interesse jedes Anlagenbetreibers, seine Systeme elektromagnetisch verträglich zu gestalten.

Ausfälle, die durch unerwünschte Kopplungen auftreten, können deutlich größere Kosten verursachen als Maßnahmen zur Erhöhung der EMV. Insbesondere wichtige Komponenten wie Steuerleitungen sind meist sehr störanfällig und verursachen im Schadensfall besonders gravierende Ausfälle.

Ferner nehmen elektromagnetische Emissionen nicht nur auf Elektronik Einfluss: Auch Mensch und Umwelt können durch nicht ionisierende Strahlung maßgeblich beeinflusst werden. Zwar sind die Kausalitäten bis heute heftig umstritten, doch viele Experten sind sich sicher, dass elektromagnetische Strahlung langfristige Gesundheitsrisiken birgt.

Insgesamt lässt sich fast immer ein Kompromiss aus Sicherheit und Wirtschaftlichkeit der Schutzmaßnahmen finden, der gesetzliche Standards erfüllt und zeitgleich ausreichenden Schutz vor Störungen bietet.