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Spezialleitungen erfordern spezielles Know-how

Bild 1. In Windsbach werden Leitungen überwiegend auftragsbezogen gefertigt – in 2010 waren es gut 220 000 Aderkilometer

Bild 2. Werksleiter Hansjörg Struwe zeigt, wie an dem 8,5 m hohen Testturm Leitungen in Bezug auf ihre Torsionsfähigkeit und Abriebfestigkeit überprüft werden

Bild 3. Die Leitungen der Heluwind WK-Serie sind für dein Einsatz in Windenergieanlagen prädestiniert

Bild 4. Die Kennzeichung PV1-F ist, wie hier bei der Solarflex-X, ein Qualitätsmerkmal für Photovoltaikleitungen

Leitungen sind die Lebensadern von Maschinen und Anlagen. Da sie ihre Arbeit meist im Hintergrund verrichten, wird ihre Bedeutung für einen zuverlässigen Betrieb oft unterschätzt. Dabei müssen sie häufig besondere Anforderungen, wie Zug- und Reibfestigkeit, Torsion, Temperatur- und Feuerbeständigkeit, erfüllen. Die Herstellung solcher Spezialleitungen erfordert besonderes Know-how, wie die etz-Redation bei einem Besuch der Fertigung von Helukabel in Windsbach erfahren konnte.

Das seit 1988 bestehende Kabelwerk von Helukabel in Windsbach gilt als Know-How-Träger für die Geschäftsbereiche Automation und Robotics sowie erneuerbare Energien. Im vergangenen Jahrzehnt wurde massiv in die Technik und Leistungsfähigkeit des Werks investiert. Das Unternehmen kaufte für 15 Mio. € neue Maschinen und Anlagen, um die Spezialleitungen möglichst effizient und innovativ fertigen zu könne. Im vergangenen Jahr produzierten die über 140 Mitarbeiter in Windsbach auf einer Fläche von mehr als 10 000 m² gut 220 000 Aderkilometer (Bild 1).
Der Versand der Leitungen an die Kunden erfolgt von Hemmingen aus. Am Hauptsitz des Unternehmens erweitert Helukabel zurzeit die Kapazität um 20 000 auf 36 000 Palettenstellplätze. Dadurch stellt das Unternehmen sicher, dass alle Leitungen kurzfristig verfügbar sind – und zwar ab einer Länge von 1 m. Selbst eine auftragsbezogene Fertigung ist möglich. Diese hat in Windsbach sogar einen Anteil von 70 % an der gesamten Fertigung. In dem Werk können Leitungen mit einem Durchmesser von 3 mm bis 75 mm und einem Leiterquerschnitt von 0,14 mm² bis 300 mm² produziert werden.

Unscheinbares Äußeres
Das Problem bei Leitungen ist, dass man von außen nicht erkennt, ob es hoch- oder minderwertige Ware ist. Für Betriebsleiter Hansjörg Struwe haben Anwender nur eine Möglichkeit, wenn sie sicher sein wollen, dass eine Leitung auch den Ansprüchen genügt: „Sie müssen auf den Namen achten. Wenn Kunden sich an einen renommierten Hersteller wenden oder sich für eine am Markt etablierte Markenleitung entscheiden, sind sie auf der sicheren Seite.“
Dabei kommt es natürlich auch darauf an, für welchen Markt die Leitung gedacht ist. Beispielsweise verfolgen der amerikanische und der europäische Markt in Bezug auf den Brandschutz bei Leitungen unterschiedliche Prinzipien. So werden in Amerika halogenisierte Flammschutzsysteme in Leitungen verwendet, die in Europa nicht akzeptiert werden. „Die Amerikaner wollen mit einem geringen Anteil an Zusatzstoffen einen hohen Flammschutz erreichen“, erläutert H. Struwe die Beweggründe und ergänzt: „Da diese Zusatzstoffe effektiv arbeiten, geht man davon aus, dass ein Brand erst gar nicht entsteht oder sofort verlöscht.“

In Europa kommen hingegen aus Umweltschutzgründen größtenteils halogenfreie Flammschutzsysteme zum Einsatz. Um den gleichen Flammschutz zu gewährleisten, wie in den USA, sind jedoch größere Beimengungen erforderlich. „So kann in einem Mantel beispielsweise 65 % Aluminiumhydroxid enthalten sein“, weiß der erfahrene Betriebsleiter zu berichten. Das macht die Leitung nicht nur unflexibler, sondern verschlechtert auch die Abriebeigenschaften. Der Aufwand, eine entsprechend flexible und abriebfeste Leitung für den europä­ischen Markt zu entwickeln, ist also ungleich höher als in den USA.
Helukabel hat sich jedoch zum Ziel gesetzt, dass alle Leitungen sämtlichen Anforderungen hinsichtlich halogenfreiem Flammschutz, Abriebfestigkeit sowie Flexibilität erfüllen und somit weltweit einsetzbar sind. Demnach haben fast alle auch die Zulassungen entsprechend VDE, UL/CSA, Gost, HAR und CCC. „Gerade beim Einsatz im Bereich der erneuerbaren Energien verbietet es sich aus Umwelt- und aus Gewissensgründen Leitungen einzusetzen, die Halogen enthalten“, meint H. Struwe. Dabei stellen gerade Windenergie-, Photovoltaik- und Biomasseanlagen spezifische Anforderungen an die eingesetzten Komponenten und Leitungen. Aber dort kennt man sich bei Helukabel gut aus und kann auf langjährige Erfahrungen zurückgreifen.

Bild 5. Um eine lückenlose Rückverfolgbarkeit sicherzustellen, wird von jeder produzierten Leitung eine Probe archiviert.

Bild 6. Skysails zieht die MS Michael A

Damit Windenergieanlagen nicht ausfallen
Helukabel hat eine breite Palette an Spezialleitungen für den Bereich der erneuerbaren Energien anzubieten. Dazu gehören beispielsweise die Heluwind WK-Serie, die Solarflex-Familie, die bioölbeständige Bioflex-500-JZ oder die mikrobenbeständige Kompoflex-JZ-500. Diese Leitungen wurden speziell für die jeweiligen Anwendungen entwickelt und erfüllen die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Bereiche.
So ist beim Einsatz in Windenergieanlagen vor allem Torsionsfestigkeit gefragt. „Von der Gondel führen bis zu 25 Leitungen mit einem Querschnitt von bis zu 300 mm² herab. Diese Leitungsbündel werden auf einer Länge von 10 m auf ±3 Umdrehungen verdreht“, weiß H. Struwe aus der Praxis zu berichten. Um diese Torsion nachzustellen, hat Helukabel einen eigenen, 8,5 m hohen Testturm konstruiert, der die realen Bedingungen eines Leitungs-Loops in einer Windenergieanlage 1:1 nachstellt (Bild 2). In Anlehnung an die realen Begebenheiten führt eine speziell angefertigte Antriebs- und Steuerungstechnik verschiedene Torsionszyklen und Programme, analog zu den Drehbewegungen einer Gondel, durch. In der Testanlage werden die Leitungen immer wieder mit einer Torsion von bis zu ±150° pro m belastet. Diese Testbedingungen sind um ein Vielfaches extremer als die Realität. „Der Nachweis der Torsion auf einer gesamten Loop-Länge bestimmt im Wesentlichen den kontinuierlichen Entwicklungs- und Verbesserungsprozess unserer Heluwind WK-Serie (Bild 3)“, erläutert der Werksleiter ein Ergebnis der Dauerprüfung.

Eine Leitung in einer Windenergieanlage muss neben dem guten Torsionsverhalten aber auch besonders hohe Anforderungen an die Flammwidrigkeit erfüllen, da der Kamineffekt zu sehr hohen Temperaturen im Turm führt, wenn die Gondel brennt. „Zudem spielt die Abriebfestigkeit der Leitungsoberfläche eine wichtige Rolle“, gibt H. Struwe zu beachten und ergänzt: „Schließlich sollen die Leitungen nicht irgendwann mal ohne Isolierung da stehen, wenn sie sich mehrere Jahre aneinander gerieben haben.“ Alle diese Anforderungen erfüllen die verschiedenen Varianten der Heluwind WK, die aus vollständig recycelbaren Materialien und RoHS-kompatibel Werkstoffen bestehen. Je nach Ausführung sind sie in einem Temperaturbereich von –50 °C bis 145 °C bewegt einsetzbar.
Dass Standardleitungen den hohen Anforderungen in Windenergieanlagen nicht gewachsen sind, scheint aber immer noch nicht überall angekommen zu sein. Jedenfalls sind die meisten Ausfälle bei Windenergieanlagen auf Leitungsabrieb sowie auf Brüche durch die Torsionsbeanspruchung zurückzuführen.

Erfahrungen bei erneuerbaren Energien
Aber nicht nur Windenergie- auch Photovoltaikanlagen stellen hohe Anforderungen an die Verkabelung. Beispielsweise müssen sie über 20 000 h Temperaturen von 120 °C widerstehen. Zudem ist eine hohe Flammwidrigkeit erforderlich. Trotz der Festinstallation spielt die Flexibilität keine untergeordnete Rolle. „Durch unsere Anlagentechnik und die Prozesssicherheit erfüllen unsere Leitungen, beispielsweise die Solarflex-X PV1-F (Bild 4), nicht nur alle diese Anforderungen, sie zählen außerdem zu den dünnsten am Markt, obwohl der Kupferquerschnitt vorgegeben ist. Dadurch ist die Leitung nicht nur flexibler und leichter, sie braucht auch weniger Platz“, berichtet H. Struwe. Die doppelt isolierte Leitung ist vernetzt, was sie ozon-, UV- und hydrolysebeständig macht. Wie überzeugt Helukabel von der Qualität ist, zeigt sich auch daran, dass das Unternehmen der Leitung eine Lebensdauer von 25 Jahren garantiert. Da sie den hohen qualitativen Ansprüchen von Photovoltaikanlagen in vollem Maße entspricht, kommt sie mittlerweile weltweit sowohl in Insel- als auch Netzverbundanlagen als Modul- oder Strangleitung zum Einsatz.

Ein Qualitätsmerkmal für Photovoltaikleitungen ist die Kennzeichnung PV1-F. Die kommt von dem Arbeitsgremium AK 411.2.3 des DKE „Leitungen für Photovoltaiksysteme PV1-F“, welches konkrete Anforderungen an den Bereich Kabel und Leitungen gestellt hat. Diese sind nicht nur Prüfungsgrundlage des TÜV Rheinland (2 PfG 1169/08.2007) bzw. des VDE Prüf- und Zertifizierungsinstituts (E PV 01:2008-02), die Zertifikate sind inzwischen auch im Ausland zu einem „must have“ für auf Qualität bedachte Planer und Bauer von Photovoltaikanlagen geworden.
Auch bei dem Gebiet der Spezialleitungen für Biokraftstoffanlagen hat Helukabel langjährige Erfahrung, da zum Beispiel die Kompoflex-Leitungen schon seit vielen Jahren in der Landwirtschaft im Einsatz sind. Dort herrschen ähnliche Anforderungen in Bezug auf die chemische Beständigkeit und Mikrobenbeständigkeit, wie bei Biogasanlagen. Dabei wurde die Leitung im Laufe der Zeit weiterentwickelt, beispielsweise in Bezug auf die Werkstoffe. So konnte Helukabel durch bessere Kunststoffe die Wandstärke reduzieren.

Auf Herz und Nieren geprüft
Neben dem Testturm hat Helukabel noch weitere Teststationen, wo zum Beispiel die Tauglichkeit der Leitungen für Energieführungsketten überprüft wird. Dabei werden die Ketten mit bis zu 50 m/s² beschleunigt und die Geschwindigkeit erreicht bis 10 m/s. Der längste Verfahrweg ist 20 m. Eine weitere Station prüft Leitungen in Bezug auf Torsion in Kombination mit Biegewechseltauglichkeit, was beispielsweise für Pick-and-place-Anwendungen oder Robotern wichtig ist. Dabei ist die Drehgeschwindigkeit stufenlos bis 118 min -1 veränderbar. Der Drehwinkel kann zwischen ±15° und ±360° eingestellt werden.
Für H. Struwe hat es seinen Grund, warum Helukabel Spezialist für Spezialleitungen ist: „In Zusammenarbeit mit unseren Kunden entwickeln wir laufend neue Leitungstypen mit Sonderaufbauten oder für extreme Einsätze, wie kleine Biegeradien, hohe Torsion oder starke Beanspruchungen mit längeren Standzeiten für den Dauereinsatz im Mehrschichtbetrieb.“ Diese neuen Produkte werden in dem Testcenter auf ihre Serienreife geprüft und dann gegebenenfalls in den „Standard“-Katalog aufgenommen. „Durch unsere langjährige Erfahrung mit Spezialleitungen können wir unseren Kunden oft bei der Spezifikation der gewünschten Anforderungen helfen. Schließlich ist das unser Kerngeschäft“, betont der Werksleiter und führt weiter aus. „Je genauer die Vorgaben sind, desto einfacher ist es für uns, eine möglichst kostengünstige Lösung anzubieten. Aber auf jeden Fall erhalten unsere Kunden eine Leitung auf die sie sich verlassen können.“ Um die Qualität sicherzustellen, unterzieht das Unternehmen seine Produkte in dem Testcenter im Rahmen der kontinuierlichen Kontrolle einer fertigungsbegleitenden Überwachung. Zudem wird von jeder produzierten Leitung eine Probe entnommen und gelagert (Bild 5).

Sauber abmanteln
Neben der Prüfung ist auch die Forschung und Entwicklung ein wichtiger Bestandteil im Werk in Windsbach. Dabei werden nicht nur die Kunststoffe der Leitungsmäntel und der Adern sowie die Verseilung weiterentwickelt, auch an den Trennmitteln, die bei der Fertigung in die Leitungen eingebracht werden, um die Abzugskräfte gering zu halten, wird gearbeitet. Dementsprechend kann Helukabel hierbei drei verschiedene Varianten anbieten. Zum einen, das seit vielen Jahren bekannte und auch heute noch überwiegend verwendete Talkum. Eine Alternative sind Calcium-Zink-Sterate, die beim Produktionsprozess anschmelzen und eine dünne wachsartige Schicht bilden. Die modernste und sauberste Lösung stellt H. Struwe vor: „Wir können bei vielen Querschnitten, statt der beiden Stäube, ein dünnes Tissue-Papier als Trennschicht in die Leitung einbringen, um das Abmanteln zu vereinfachen.“ Das erfordert zwar spezielles Prozess-Know-how, sorgt aber dafür, dass das Abmanteln einfach, schnell und sauber erfolgen kann.

Blick über den Tellerrand
Mit besonderen Forschungsprojekten, wie der Kooperation mit Skysails, beschreiten die Entwickler von Helukabel aber auch immer mal wieder neue Wege, um über den Tellerrand hinauszuschauen. An Stelle traditioneller Segel mit Mast nutzt Skysails große Zugdrachen zur Erzeugung des Vortriebs bei Schiffen (Bild 6). Durch dynamischen Flug, zum Beispiel in Form einer „8“, wird im Vergleich zu normalen Segeln pro Quadratmeter Fläche das fünf- bis 25-fache an Vortriebskraft erzeugt. So lässt sich der Schwerölverbrauch eines Schiffs um bis zu 25 % reduzieren. Das hochfeste Dyneema-Seil von Gleistein verbindet das 320 m² große Segel mit dem Schiff und hat eine höhere Reißfestigkeit als Stahl. Darin integriert ist eine patentierte Steuerleitung von Helukabel, die die Energieversorgung der Steuergondel sicherstellt. Das nicht mal 6 cm dicke Seil muss dabei Windgeschwindigkeiten bis 180 km/h und dynamischen Zugkräften von 32 t standhalten.
Das Steuerungssystem des Skysails-Antriebs arbeitet automatisch. Der Zugdrachen richtet sich in Abhängigkeit von Windrichtung, Windstärke, Schiffskurs und Schiffsgeschwindigkeit aus, damit er optimalen Vortrieb leistet. „Solche außergewöhnliche Projekte helfen uns dabei, neue Ideen für unsere Spezialleitungen zu gewinnen, sodass wir unseren Kunden auch zukünftig die für ihre Ansprüche beste Leitung bieten zu können“ schließt H. Struwe bei dem Besuch in Windsbach.

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Autor: Frank Nolte