Reakcja na ogień kabli i przewodów elektrycznych. Wymagania

W centrum handlowym w sklepie z odzieżą wybucha pożar. Całe pomieszczenie błyskawicznie obejmują płomienie. Materiały tekstylne płoną, wydzielając gęsty, gryzący dym, który błyskawicznie rozprzestrzenia się w całym obiekcie. Wybucha panika, ludzie przebywający po raz pierwszy w centrum handlowym nie do końca wiedzą, w którą stronę uciekać. Pożar powoduje znaczne zniszczenia, straty materialne i poparzenia wielu osób.

Powyższy tekst, na szczęście, brzmi jak scenariusz filmu katastroficznego, a nie jak prawdziwe zdarzenie. W wielu krajach na świecie, w tym oczywiście w Polsce, funkcjonuje bowiem dość rozbudowany zbiór wymagań z zakresu bezpieczeństwa pożarowego, dzięki czemu sytuacja, jak ta opisana wyżej, nie może mieć miejsca, Po pierwsze, butik odzieżowy w centrum handlowym będzie posiadać system detekcji pożaru, który od razu zaalarmuje odpowiednie osoby, spowoduje zadziałanie określonych urządzeń. Stałe urządzenia gaśnicze tryskaczowe zainstalowane w przestrzeni centrum handlowego uruchomią się albo samoczynnie, na skutek wzrostu temperatury, albo w efekcie zwiększenia ciśnienia w danej sekcji tryskaczowej, tuż po wciśnięciu ręcznego ostrzegacza pożarowego. Prawidłowo zaprojektowana i wykonana instalacja powinna wówczas powstrzymać rozwój pożaru. Po drugie, pracownicy zapewne podjęliby akcję gaśniczą z wykorzystaniem podręcznego sprzętu gaśniczego, którego na każde 100 m² powierzchni sklepu powinno przypadać 2 kg (lub 3 dm³). Po trzecie, uruchomiony dźwiękowy system ostrzegawczy (DSO) z wyprzedzeniem poinformowałby ludzi o konieczności ewakuacji z budynku, co w wielu przypadkach zapobiegłoby panice. Wreszcie pożar nie rozprzestrzeniłby się na drogi ewakuacyjne, gdyż nie wolno na nich stosować materiałów palnych.

Fot. adobe.stock / ambrozinio

To kontrastowe zestawienie dwóch scenariuszy rozwoju tego samego zdarzenia pozwala zrozumieć, jak ważna jest ochrona przeciwpożarowa. Warto zwrócić uwagę, że w tego typu zdarzeniach kluczowe dla ewakuacji, minimalizacji strat czy bezpieczeństwa prowadzenia działań gaśniczych jest funkcjonowanie pewnych urządzeń, także w trakcie pożaru. Czy potrzebny byłby dźwiękowy system ostrzegawczy, jeżeli oddziaływanie płomienia na kabel sygnałowy spowodowałoby zdeformowanie rozgłaszanych komunikatów do postaci niezrozumiałych trzasków? Jak skuteczne byłoby oddymianie, jeżeli uruchomiona klapa dymowa zatrzymałaby się w połowie swojej drogi ze względu na przepalony przewód, którym dostarczana jest energia elektryczna do siłowników? Odpowiedzi na te pytania są oczywiste, a niniejszy artykuł ma za zadanie dostarczyć czytelnikowi pewnych informacji na temat przeżywalności kabli i przewodów w trakcie pożaru.

Zobacz także: Jak dobierać izolację dla przewodów nierozprzestrzeniających ognia w instalacjach

Podstawowym celem stosowania kabli i przewodów elektrycznych jest przesyłanie energii elektrycznej lub sygnałów. Z punktu widzenia ochrony przeciwpożarowej prawidłowe działanie urządzeń kluczowych dla bezpieczeństwa budowli i użytkowników budynku zależne będzie zatem od faktu, czy przesyt energii i sygnałów będzie kontynuowany w warunkach pożaru. Obecny stan wiedzy pozwala na produkowanie materiałów izolacyjnych, których stosowanie może to zapewnić. Kablom doprowadzającym energię i sygnały do urządzeń ważnych dla bezpieczeństwa stawia się jednak wysokie wymagania. Niedopuszczalne jest wytwarzanie nadmiernej ilości dymu, co mogłoby wpływać na ewakuację. Kable tego typu nie powinny się przyczyniać do rozprzestrzeniania ognia. Wreszcie produkty rozkładu termicznego nie powinny przekraczać dopuszczalnego poziomu kwasowości.

Warto jeszcze we wstępie wyjaśnić znaczenie słów kabel i przewód. W języku polskim bowiem często słowa te stosowane są zamiennie. Zgodnie z międzynarodowym słownikiem elektrotechnicznym kabel to pojedyncza żyła izolowana lub grupa takich żył (lub wiązek żył), skręconych lub ułożonych równolegle wewnątrz wspólnej powłoki (ewentualnie również w pancerzu i osłonie ochronnej). Mianem przewodu określa się z kolei jeden lub kilka skręconych drutów albo (jedną i większą liczbę) żył izolowanych bez powłoki lub w powłoce metalicznej. Pojęcie kabla jest zatem pojęciem bardziej ścisłym od przewodu.

Urządzenia elektryczne w trakcie pożaru. Środowisko pożarowe

W procesie projektowania budynku zarówno pod kątem bezpieczeństwa budowli, jak i zachowania instalacji i urządzeń elektrycznych w trakcie pożaru niezbędne jest odniesienie się do modelowego przebiegu zmian temperatury w czasie. Określa się tzw. krzywe pożarowe stanowiące punkt odniesienia dla projektantów (PN-EN 1363-2). Przebieg pożaru będzie jednak zależny od miejsca pożaru, geometrii, warunków wentylacji czy rodzaju spalającego się materiału. Zdefiniowano zatem kilka krzywych pożarowych:

• krzywa normowa ma odzwierciedlać typowy pożar wewnętrzny;
• krzywa węglowodorowa odnosi się do pożaru węglowodorów, np. produktów naftowych; maksymalna temperatura sięga 1100°C i jest osiągana najszybciej ze wszystkich opisanych modeli;
• krzywa zewnętrzna dotyczy pożarów powstałych w otwartej przestrzeni;
• krzywa parametryczna pozwala na dostosowanie przebiegu pożaru do wybranych parametrów pożaru w różnych jego fazach;
• krzywe tunelowe odzwierciedlają charakterystyczne środowisko pożaru w tunelach, o dużej szybkości przyrastania temperatury i wysokiej temperaturze maksymalnej.

Na rys. 1 zestawiono wybrane krzywe modelowe pożaru.

Rys. 1. Zestawienie krzywych temperatura–czas: standardowej (N), pożaru zewnętrznego (E) oraz węglowodorowej (H)

Warto nadmienić, że klasyczny model pożaru rzeczywistego będzie zwykle cechowało znacznie wolniejsze przyrastanie temperatury. Jednak modele normowe w pewnym sensie zakładają najgorszy z możliwych scenariuszy, co często jest nie lada wyzwaniem dla projektantów.

Oddziaływanie pożaru na urządzenia

Dlaczego ochrona przeciwpożarowa kabli i przewodów jest ważna? Z jednej strony, jak podkreślano wielokrotnie w artykule, pożary materiałów izolacyjnych są niebezpieczne dla ewakuacji użytkowników budynków zarówno pod względem ograniczenia widoczności (możliwość powstania paniki, utrata orientacji), jak również pod kątem wydzielanych związków chemicznych (toksyczność).

Z drugiej strony pożar będzie wpływał na urządzenia i instalacje elektryczne, także te, które powinny funkcjonować w trakcie pożaru.

Zgodnie z prawem Joule’a-Lenza na oporności R, w tym kontekście z przewodów będzie wydzielać się ciepło, proporcjonalnie do kwadratu przepływającego przez przewód prądu i. Oczywiście oporność miedzianego przewodnika będzie znikoma, a zależeć będzie m.in. od zastosowanego materiału, pola przekroju poprzecznego, a także temperatury, Materiały przewodzące, wraz ze wzrostem swojej temperatury, będą cechowały się rosnącą rezystywnością.

Normy dotyczące projektowania instalacji elektrycznych wymagają od projektantów uwzględnienia spadków napięć związanych z oddziaływaniem wysokiej temperatury (pożarowej) na przewody, które przesyłają energię lub sygnały do urządzeń funkcjonujących w trakcie pożaru.

Jeżeli temperatura żył przewodu wzrośnie nadmiernie, pojawiające się w instalacji spadki napięć nie będą zwykle drastycznie duże. Jednak mimo to mogą wpływać na pewne urządzenia elektryczne. Przykładem może być pompa pożarnicza, której zadaniem jest tłoczenie wody do instalacji przeciwpożarowej (stałego urządzenia gaśniczego wodnego). Jest ona dobrana w taki sposób, aby zapewnić wymagane wydajności, a tym samym móc realnie wpływać na powstały w obiekcie pożar. Pompa ta zasilana będzie zwykle przez silnik elektryczny (indukcyjny). Jeżeli w instalacji elektrycznej dojdzie do obniżenia napięcia zasilania, np. na skutek pożaru oddziałującego na przewód dostarczający energię, wpłynie to na punkt pracy silnika. W pewnym wąskim zakresie spadek napięcia będzie skompensowany przez wzrost poboru prądu, jednak możliwe jest także obniżenie prędkości obrotowej i mocy przekazywanej na wirnik. Ten z kolei napędza pompę, która także powinna pracować w zaprojektowanym punkcie swojej charakterystyki. Przesunięcie punktu pracy, związane ze spadkiem obrotów, wpłynie na wydajność i ciśnienie w instalacji przeciwpożarowej, dlatego skutki tego typu nie mogą być pomijane przez projektantów. Przykładowy scenariusz takiego ciągu zdarzeń szczegółowo przedstawia artykuł ¹.

Reakcja na ogień kabli i przewodów elektrycznych

W kontekście ochrony przeciwpożarowej kabli i przewodów warto także zwrócić uwagę na pewne fizykochemiczne właściwości materiałów izolacyjnych, z których wykonano przewody. Oczywiście kluczowe są badania reakcji na ogień. Pozwalają sprawdzić, jak zachowa się przewód, na którego oddziałuje rzeczywisty płomień, a także czy po jego usunięciu przewód będzie kontynuował spalanie czy też samoczynnie zgaśnie.

Z kolei badanie korozyjności ma wpływ m.in. na bezpieczeństwo ewakuacji, a także na funkcjonowanie urządzeń elektrycznych. Obecność korozyjnych gazów lub wody gaśniczej, w której rozpuszczone są substancje żrące, istotnie przyspieszy korozję.

W skali laboratoryjnej oznacza się także inne parametry, związane bezpośrednio z fizykochemicznymi właściwościami materiału izolacyjnego przewodu. Pokrótce scharakteryzowano je poniżej:

• Wskaźnik temperaturowy – parametr, który definiuje minimalną temperaturę, w której materiał badany będzie zdolny do podtrzymania palenia po wymuszeniu jego zapłonu. Wskaźnik ten jest zależny od temperatury otoczenia, która powinna być utrzymywana na poziomie 25°C, co jest trudne ze względu na oddziaływanie płomienia niezbędnego do wymuszenia zapłonu materiału.
• Wskaźnik tlenowy (lub indeks tlenowy, ang. Limiting Oxygen lndex) oznacza minimalną zawartość tlenu w azocie, przy której próbka ulega zapłonowi. Oznacza to, że im wyższy wskaźnik tlenowy materiału, tym jest on trudniej zapalny. Dla przykładu, wartość wskaźnika powyżej 26% determinuje klasyfikację materiału jako samogasnący.
• Ciepło spalania – parametr kojarzony głównie z paliwami lub opałem. Jest ilością ciepła wydzieloną z jednostki masy materiału podczas całkowitego (spalenie całej masy próbki) i zupełnego (spalenie węgla do postaci dwutlenku węgla) spalania, z uwzględnieniem ciepła odzyskanego z kondensacji wytworzonej pary wodnej. W kontekście badania izolacji przewodów wartość ciepła spalania podaje się na jednostkę długości.

Z punktu widzenia ochrony przeciwpożarowej istotne są także inne parametry, np. gęstość optyczna wytwarzanego dymu czy jego korozyjność. Tego typu badania odnoszą się jednak do ochrony przeciwpożarowej, a nie bezpośrednio do właściwości fizykochemicznych.

Kable i przewody elektryczne – wymagania przeciwpożarowe. Przepusty i trasy kablowe

Główna koncepcja przyświecająca ochronie przeciwpożarowej kabli i przewodów polega na dwustronnym spojrzeniu na problem. Z jednej strony pożar w kanale kablowym może się zacząć w jego wnętrzu (na skutek zwarcia lub innej przyczyny), a także po jego zewnętrznej stronie. Koncepcja ochrony przeciwpożarowej kanału kablowego będzie zatem wymagać zabezpieczenia takiego kanału przed rozprzestrzenianiem się pożaru w obydwóch kierunkach przez określony czas.

Pożar powstały wewnątrz kanału może się rozprzestrzeniać na drogę ewakuacyjną. Dlatego stosuje się obudowy tras kablowych, przez co stanowić one będą oddzielną strefę.

Tego typu kanały nazywane są grupą I (ang. interior). Mogą to być dedykowane kanały lub odpowiednie oddzielenie kabli sufitem podwieszanym o wymaganej szczelności i izolacyjności. Z kolei zabezpieczenie przed rozprzestrzenianiem się pożaru z zewnątrz wynika z konieczności ochrony przewodów i kabli, których zadaniem jest zapewnienie możliwości funkcjonowania określonych urządzeń w trakcie pożaru.

Skoro kanał kablowy powinien stanowić oddzielną strefę pożarową, należy zadbać o odpowiednie zabezpieczenie granicy stref pożarowych, tj. o przepusty kablowe. Powinny one stanowić niezawodną barierę dla płomienia i dymu. Wykonuje się je z wykorzystaniem materiałów, które nie ulegną zniszczeniu w trakcie pożaru, np. wełny mineralnej, pianki czy zaprawy ogniochronnej. Przepusty tego typu powinny być oznakowane trwałymi tablicami, gdzie wykonawca m.in. zadeklaruje parametry szczelności i izolacyjności wykonanego przepustu (np. El 30).

Pozostaje kwestia odpowiedniego mocowania przewodów. W Polsce stosuje się normę niemiecką DIN 4102-12, która traktuje o wymaganiach stawianych systemom mocowań przewodów, które muszą funkcjonować w trakcie pożaru. Scharakteryzowano metodę badania tego typu właściwości, zdefiniowano, że zwarcie lub inna przyczyna zaburzenia dostawy energii czy sygnału stanowi o zakończeniu efektywności działania danego mocowania. Norma dotyczy badań przeprowadzanych dla tras kablowych różnych szerokości oraz dla pojedynczych przewodów. Czas funkcjonowania przewodu odpowiada klasie definiowanej przez normy, tj. klasie E lub PH, co opisano niżej.

Reakcja na ogień kabli i przewodów elektrycznych. Klasy PH, E oraz FE

Przewody ognioodporne, które powinny zapewniać ciągłość przesyłu energii lub sygnału w warunkach pożaru, badane są pod kątem zgodności z wieloma normami. Często spotykane jest niepełne zrozumienie różnic między oznaczeniami klasy PH, E czy FE. W dalszej części tekstu opisano pokrótce występujące różnice i podobieństwa.

Reakcja na ogień kabli i przewodów elektrycznych. Klasa E

Nadanie klasy E wymaga potwierdzenia zgodności z wymaganiami normy niemieckiej DIN 4102-12. W tym wypadku badanie dotyczy nie tyle samego kabla, ile całego systemu kablowego. W komorze badawczej montuje się kabel wraz z kompletnym systemem mocowania (korytka, obejmy, podpory, uchwyty itp.). Tak więc certyfikuje się cały system montażowy wraz z kablem, a nie sam kabel, gdyż norma traktuje o podtrzymaniu funkcji instalacji elektrycznej. W piecu normowym o długości co najmniej 3 m, w którym temperatura narasta wg zdefiniowanej krzywej, umieszcza się próbkę podłączoną do źródła napięcia 400 lub 110 V, odpowiednio dla kabli zasilających lub kabli sterowniczych. Próbę przerywa się po 90 min lub w chwili wykrycia zwarcia. A zatem oznaczenie E30, E60 lub E90 jest informacją dla użytkownika, jak długo (w minutach) system podtrzyma pełnioną przez siebie funkcję w pożarze. Tego typu rozróżnienie wynika z faktu, że koryto kablowe, uchwyt ozy mocowanie może przyspieszać powstanie zwarcia. Stąd koncepcja, aby cały system badać jako całość.

Reakcja na ogień kabli i przewodów elektrycznych. Klasa FE

Badanie wynika z wymogów części 11 i 21 normy IEC 60331 oraz części 814 normy VDE 0472 i dotyczy pojedynczego kabla ułożonego poziomo. Poddaje się go oddziaływaniu palnika gazowego o temperaturze płomienia 750°C. Przewód podłączony jest do źródła napięcia znamionowego (deklarowanego przez producenta), a test kończy się po 180 min lub po wystąpieniu zwarcia lub przerwaniu ciągłości obwodu. Pomyślne zaliczenie próby pozwala stosować oznaczenie FE 180. A zatem badanie dotyczy zachowania ciągłości obwodu
przy długotrwałym (i bezpośrednim) oddziaływaniu płomienia.

Reakcja na ogień kabli i przewodów elektrycznych. Klasa PH

Warunki badania określają normy PN-EN 50200 oraz VDE 0482 cz. 1 i mają duże znaczenie praktyczne. Śledząc rozwój wymagań normowych, można zauważyć, że od kilkunastu lat w trakcie badania obowiązuje stosowanie specjalnego udaru mechanicznego – jego zadaniem jest cykliczne uderzanie w ściankę, do której przymocowano fragment kabla (w kształcie litery „U”, z zachowaniem minimalnego promienia gięcia dopuszczonego przez producenta). Kabel poddawany jest oddziaływaniu płomienia o temperaturze min. 830°C, w warunkach przyłożonego napięcia znamionowego. Próbę przerywa się po 180 min lub po powstaniu zwarcia, a zatem cyfry występujące w symbolu oznaczają, jak długo przewód zachowuje ciągłość w warunkach bezpośredniego oddziaływania płomienia. Co świadczy o wymiarze praktycznym badań? Otóż słusznie założono występowanie udarów mechanicznych w trakcie pożaru, oo może w teorii przyspieszać degradację (wykruszanie) izolacji. Przykładem takiego udaru może być element upadający na trasę kablową ozy nawet skierowanie prądu gaśniczego w miejsce przebiegania kabli. Czas zachowania funkcji stosowany w oznaczeniu zawiera się między PH 15 a PH 120.

A zatem stosowane oznaczenia przewodów ognioodpornych sugerują czas, w jakim zachowana zostanie jego funkcja, tj. dostarczanie energii lub sygnału. Błędne jest jednak traktowanie przywołanych oznaczeń zamiennie, ponieważ warunki badania odnoszą się do zdecydowanie różnych warunków rzeczywistych. Na rys. 2 przedstawiono koncepcje prowadzenia opisanych badań normowych.

dr inż. Szymon Ptak. Szkoła Główna Służby Pożarniczej w Warszawie

¹ S. Ptak, A. Barasiński, Urządzenia i instalacje elektryczne a pożar, część 1., „Elektro.info” nr 6/2019.

Sprawdź: Jak zapewnić konstrukcjom drewnianym wymaganą odporność ogniową