Niepalne izolacje kabli i przewodów elektrycznych

Jakie metody wykorzystuje się do produkcji niepalnych izolacji kabli i przewodów elektrycznych? Które normy określają odporność ogniową kabli i przewodów?

Niepalne izolacje kabli i przewodów. Metody uniepalniania

Obecny stan wiedzy pozwala na stosowanie relatywnie tanich i skutecznych metod uniepalniania tworzyw sztucznych używanych na przykład do izolacji kabli i przewodów elektrycznych.

Polimer, jakim jest polichlorek winylu (PVC), jest tworzywem twardym i w zasadzie trudno zapalnym. Jednak w tej formie materiał ten zupełnie nie nadawałby się na powłoki żył i izolacje przewodów elektrycznych, które muszą być elastyczne. I tak dodatek plastyfikatorów powoduje zwiększenie palności. Materiał ten, po modyfikacji zwany polwinitem, jest tani i powszechnie stosowany.

Zobacz też: Reakcja na ogień kabli i przewodów elektrycznych. Wymagania

Fot. adobe.stock / Africa Studio

Jeżeli jednak celem jest uniepalnienie przewodów, PVC nie będzie się nadawać. Historycznie, stosowanie dodatków z grupy VIIA (17 wg IUPAC) układu okresowego pierwiastków, tzw. halogenków, jako podstawników do łańcuchów polimerowych dawało wyraźny skutek w postaci ograniczenia palności. Jednak ich wpływ na środowisko był zbyt poważny, dlatego obecnie dozwolone jest stosowanie wyłącznie tworzyw bezhalogenowych (HFFR – ang. Halogen-Free Flame Retardant), tj. niezawierających pierwiastków, takich jak: brom (Br), chlor (Cl) czy fluor (F). Jednym ze stosowanych rozwiązań jest dodatek do tworzywa przeznaczonego na izolacje przewodów ognioodpornych z wodorotlenku magnezu Mg(OH)₂ lub wodorotlenku aluminium Al(OH)₃. Podczas pożaru grupa wodorotlenowa -OH będzie się wydzielać do otoczenia i reagować z licznymi rodnikami wodorowymi -H, których w strukturze polimeru nie brakuje. Oczywiście produktem końcowym zachodzących reakcji chemicznych będzie woda w stanie gazowym. Jak wiadomo, unikalnymi właściwościami wody są znaczne ciepło właściwe i ciepło parowania. Oznacza to, że w trakcie pożaru formowanie pary wodnej będzie odbierać ciepło, a zatem hamować degradację struktury polimeru. Rozwiązanie to często zwane jest „studnią cieplną”. Jednak ten sposób uniepalniania ma jeszcze jedną zaletę. Otóż para wodna wytwarza się na powierzchni polimeru, a zatem utrudnia dyfuzję tlenu z otoczenia do powierzchni polimeru (hamując jego ogrzewanie), jak również dyfuzję produktów rozkładu termicznego polimeru do otoczenia (stanowiących dodatkowe „paliwo” pożaru).

Mika jest materiałem mineralnym z grupy krzemianów. Łatwo daje się rozdrobnić do postaci pyłu o niskich frakcjach, który można nanieść na elastyczną taśmę. Tak przygotowanym produktem owija się następnie żyły przewodów ognioodpornych, jeszcze przed nałożeniem powłoki polimerowej. Jakie ma to znaczenie w trakcie pożaru? Otóż okazuje się, że mika w wysokiej temperaturze będzie ulegać ceramizacji, a więc w warunkach pożaru stworzy twardą, acz kruchą powłokę – co ważne – nieprzewodzącą. Dzięki temu, nawet jak ulegnie degradacji (stopienie, wypalenie) cała powłoka i izolacja polimerowa przewodu, żyły nie zostaną odsłonięte, a zatem nie dojdzie do zwarcia. Przewód będzie mógł dalej funkcjonować, przy czym w jego otoczeniu, w związku z kruchością struktury, nie powinny występować znaczne drgania (udary mechaniczne). Na fot. 1 przedstawiono wybrane próbki po badaniu. Można zauważyć, że kabel ma białą powłokę mikową, która w pewnych warunkach może się wykruszać i powodować zwarcie (fot. 1a). Jeżeli jednak przewód nie będzie poddawany udarom mechanicznym, bardziej prawdopodobne będzie, że powłoka mikowa pozostanie na swoim miejscu (fot. 1b).

Fot. 1. Przewody ognioodporne poddane badaniom w warunkach pożaru, posiadające powłokę mikową: a) zniszczoną w trakcie próby (zwarcie); b) niezniszczoną

Warto także nadmienić, że niektóre materiały stosowane w przewodach przeżywających będą dość szybko się utleniać na powierzchni, tworząc tym samym warstwę koksu, skutecznie utrudniającą dyfuzję tlenu z otoczenia i produktów rozkładu termicznego do otoczenia przewodu.

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

Odporność ogniowa kabli i przewodów. Normy

Wyroby budowlane i elementy budynków klasyfikuje się ogniowo na podstawie wyników badań reakcji na ogień. Opisuje to norma PN-EN 13501-1. Istnieje także norma, według której można określać odporność ogniową kabli i przewodów (PN-EN 50575). W tabeli zestawiono klasyfikacje materiałów budowlanych pod kątem ich reakcji na ogień zarówno w świetle przepisów krajowych, jak i przywołanej normy europejskiej.

Tab. Klasyfikacja wyrobów budowlanych pod kątem reakcji na ogień (nie dotyczy materiałów podłogowych)

Dla przykładu klasa zapalności A1 będzie właściwa klasyfikacji materiału jako niepalnego. Naturalnie w takiej sytuacji nie ma potrzeby dalszego badania materiału pod kątem dymotwórczości czy też wytwarzania kropel w trakcie pożaru. Materiały zaliczone do tej klasy są zatem najbardziej bezpieczne.

Kolejne niższe klasy palności określa się na podstawie stopnia zniszczenia izolacji przewodu, na który oddziałuje się płomieniem. Występują trzy grupy pod kątem dymotwórczości (mała, średnia i intensywna emisja dymu dla klas odpowiednio s1, s2 i s3). Wytwarzanie kropel i/lub płonących cząstek podczas pożaru może wpływać na jego rozprzestrzenianie się. Grupa d0 oznaczać będzie brak powstawania płonących kropel i/lub ciał stałych, dl – niewiele, a d2 – wytwarzanie wielu kropel/cząstek. Należy podkreślić, że tego typu badania służą klasyfikacji materiałów budowlanych, a nie określaniu odporności pożarowej przewodów jako takich.

Normy PN-EN 50399 i PN-EN 60332-1-2 dotyczą badania przewodów poddanych oddziaływaniu płomienia mieszankowego 1 kW pod kątem pionowego rozprzestrzeniania się płomienia. Podział obejmuje siedem klas: A_ca, B1_ca, B2_ca, C_ca, D_ca, E_ca, F_ca, przy czym uszeregowano je od „najlepszej” do „najgorszej”. Warto podkreślić, że obecny stan wiedzy w zasadzie nie pozwala na produkcję przewodów spełniających wymagania pierwszych dwóch klas. Normy PN-EN 13501-6 oraz PN-EN 50575 pozwalają na dodatkową, bardziej szczegółową, klasyfikację pod kątem dymotwórczości (s1, s1a, s1b, s2, s3), kwasowości (a1, a2, a3) oraz wytwarzania płonących kropel (d0, d1, d2). Pełny opis przewodu będzie zatem zawierał oznaczenie euroklasy wraz z dodatkowymi symbolami, np.: C_ca, s1b, a1, d1.

Polecamy też: 10 faktów na temat pożarów

Warto przytoczyć normę N-SEP-E-007 podającą szczegółowe zalecenia co do minimalnej klasy reakcji na ogień w zależności od rodzaju obiektu i miejsca prowadzenia trasy kablowej (na drodze ewakuacyjnej czy poza nią). Ponieważ zapewnienie bezpiecznej ewakuacji jest kluczowe, przewody instalowane w obrębie dróg ewakuacyjnych, w obiektach użyteczności publicznej zakwalifikowanych do kategorii zagrożenia ludzi, a także we wszystkich budynkach wysokich
(W) i wysokościowych (WW), powinny spełniać niemal najbardziej surowe wymagania normowe, tj. B2_ca-s1b, d1, a1. Ostatni wymieniony symbol (a1, a2 lub a3) wiąże się z kwasowością produktów rozkładu termicznego materiału izolacyjnego przewodu. Norma PN-EN 50267-2-3 definiowała wymagania w tym zakresie. Określa się uśrednione pH roztworu wodnego uzyskanego przez rozpuszczanie gazów wytwarzanych podczas spalania próbki (wymagane pH > 4,3), jak również konduktywność (wymagana <10 μS/mm). Badanie dotyczy naturalnie zarówno kabli elektrycznych, jak i światłowodowych. Obecnie obowiązujące są części 1 i 2 normy PN-EN 60754 w tym zakresie.

Dymotwórczość (oznaczenie s1, s2, s3) oraz klasyfikacja pod kątem spadających kropli/cząstek materiału izolacyjnego (oznaczenie d0, d1 lub d2) określana jest wzrokowo podczas badania w komorze normowej zgodnej z PN-EN 50399. Umieszczone pionowo wiązki kabli są poddawane oddziaływaniu płomienia. Podczas badania analizuje się także szybkość wydzielania ciepła, mierząc zawartość tlenu oraz dwutlenku węgla.

Rejestruje się szybkość wydzielania dymu, a także wzrokowo określa powstawanie płonących kropel i cząstek. Istnieje także dodatkowa klasyfikacja pod kątem dymotwórczości (s1a, s1b), którą określa się przez pomiar gęstości wydzielanych dymów, zgodnie z metodą opisaną w PN-EN 61034-2. W specjalnej komorze spala się metrowy odcinek kabla, a przepuszczalność powietrza w trakcie próby nie powinna spaść poniżej 60%.

Aby materiał kabla lub przewodu mógł być uznany za bezhalogenkowy, przeprowadza się badanie na zgodność z normą PN-EN 60754-1. Spalany wyrób wytwarza produkty rozkładu termicznego, które kierowane są do płuczek z roztworem wodnym wodorotlenku sodu. Metodami chemicznymi wyznacza się zawartość kwasów halogenowych i na tej podstawie klasyfikuje materiał jako bezhalogenkowy.

Ochrona przeciwpożarowa czerpie wiedzę z wielu dziedzin. Jej rozwój obserwowany jest od dziesięcioleci, a postęp techniczny pozwala coraz lepiej zabezpieczać użytkowników budynków przed możliwymi skutkami pożaru. Kluczowe jest zapewnienie bezpiecznej ewakuacji, m.in. przez stosowanie oddymiania klatek schodowych, utrzymywanie sprawnej instalacji przeciwpożarowej czy oświetlenia dróg ewakuacyjnych. Realizacja wielu funkcji systemów bezpieczeństwa nie byłaby możliwa bez zapewnienia ciągłości dostaw energii elektrycznej oraz przesyłu sygnałów. Stąd wysokie wymagania stawiane kablom i przewodom, które powinny funkcjonować w trakcie pożaru.

Literatura

A. Barasiński, Obciążalność prądowa instalacji elektrycznych w aspekcie bezpieczeństwa pożarowego budownictwa energooszczędnego, rozprawa doktorska, Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny, Częstochowa 2016.
DIN 4102-12 Fire behaviour of building ma- terials and building components – Part 12: Circuit integrity maintenance of electric cable systems; requirements and testing.
H. Markiewicz, Instalacje elektryczne – wyd. 8. zmienione, WNT, Warszawa 2012.
N SEP-E-007:2017-09 Instalacje elektroenergetyczne i teletechniczne w budynkach. Dobór kabli i innych przewodów ze względu na ich reakcję na ogień.
PN IEC 60754-2:2014-11 Badanie gazów wydzielających się podczas spalania materiałów pobranych z kabli i przewodów. Część 2. Oznaczanie kwasowości (przez podanie pH) i konduktywności.
PN-EN 13501-1:2019-02 Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków – Część 1: Klasyfikacja na podstawie badań reakcji na ogień.
PN-EN 13501-6:2019-02 Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków – Część 6: Klasyfikacja na podstawie badań reakcji na ogień kabli elektroenergetycznych, sterowniczych i telekomunikacyjnych.
PN-EN 1363-2:2001 Badania odporności ogniowej – Część 2: Procedury alternatywne i dodatkowe.
PN-EN 1991-1-2:2006 Eurokod 1 Oddziaływania na konstrukcje – Część 1-2: Oddziaływania ogólne – Oddziaływania na konstrukcje w warunkach pożaru.
PN-EN 50200:2016-01 Metoda badania odporności na ogień cienkich przewodów i kabli bez ochrony specjalnej, stosowanych w obwodach zabezpieczających.
PN-EN 50267-2-3:2001 Wspólne metody badania palności przewodów i kabli – Badanie gazów powstałych podczas spalania materiałów pobranych z przewodów i z kabli – Część 2-3: Metody – Określanie kwasowości gazów przez wyznaczanie średniej ważonej pH i konduktywności (norma wycofana, zastąpiona przez PN-EN 60754-1 oraz -2).
PN-EN 50268-2:2002 Wspólne metody badania palności przewodów i kabli. Pomiar gęstości dymów wydzielanych przez spalanie przewodów lub kabli w określonych warunkach – Część 2: Metoda.
PN-EN 50399:2011/A1:2016-12 Wspólne metody badania palności przewodów i kabli – Pomiar wydzielania ciepła i wytwarzania dymu przez kable podczas sprawdzania rozprzestrzeniania się płomienia – Aparatura probiercza, procedury, wyniki.
PN-EN 50575:2015-03 Kable i przewody elektroenergetyczne, sterownicze i telekomunikacyjne – Kable i przewody do zastosowań ogólnych w obiektach budowlanych o określonej klasie odporności pożarowej.
PN-EN 60332-1-2:2010 Badania palności kabli i przewodów elektrycznych oraz światłowodowych – Część 1-2: Sprawdzanie odporności pojedynczego izolowanego przewodu lub kabla na pionowe rozprzestrzenianie się płomienia – Metoda badania płomieniem mieszankowym 1 kW.
PN-EN 60754-1:2014-11 Badanie gazów wydzielających się podczas spalania materiałów pochodzących z kabli i przewodów – Część 1: Oznaczanie zawartości halogenowodorów.
PN-EN 60754-2:2014-11 Badanie gazów wydzielających się podczas spalania materiałów pobranych z kabli i przewodów Część 2: Oznaczanie kwasowości (przez pomiar pH) i konduktywności.
PN-EN 61034-2:2010 Pomiar gęstości dymów wydzielanych przez palące się przewody lub kable w określonych warunkach. Metoda badań i wymagania.
PN-IEC 60331-11:2003 Badania kabli i przewodów elektrycznych poddanych działaniu ognia – Ciągłość obwodu – Część 11: Aparatura – Pojedynczy palnik o temperaturze płomienia co najmniej 750 stopni C (norma wycofana).
PN-IEC 60331-21:2003 Badania kabli i przewodów elektrycznych poddanych działaniu ognia – Ciągłość obwodu – Część 21: Metody badania i wymagania – Kable i przewody na napięcie znamionowe do 0,6/1,0 kV.
S. Ptak, A. Barasiński, Urządzenia i instalacje elektryczne a pożar, część 1., „Elektro. info” nr 6/2019.
S. Ptak, P Kustra, Pracownia podstaw elektrotechniki i elektroenergetyki w pożarnictwie, skrypt do zajęć laboratoryjnych, Warszawa 2018.
Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. 2017 poz. 2285).
E. Skiebko, Urządzenia i instalacje elektryczne źródłem pożaru, Czasopismo „Zabezpieczenia” nr 1/2006.
T. Uczciwek, Bezpieczeństwo i higiena pracy oraz ochrona przeciwpożarowa w elektroenergetyce, SEP Warszawa 1998.
VDE 0472-814:1991-01 Testing of cables, wires and flexible cords. Continuance of insulation effect under fire conditions.
VDE 0482-332-1-2:2005-06 Tests on electric and optical fibre cables under fire con- ditions. Part 1-2: Test for vertical flame pro- pagation for a single insulated wire or cable – Procedure for 1 kW pre-mixed flame.
J. Wiatr, A. Boczkowski, M. Orzechowski, Ochrona przeciwporażeniowa oraz dobór przewodów i ich zabezpieczeń w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia, Dom Wydawniczy Medium, Warszawa 2010.

Sprawdź: Jak zapewnić konstrukcjom drewnianym wymaganą odporność ogniową