Wymagania w stosunku do przewodów w przestrzeniach zagrożonych pożarem

W instalacjach elektrycznych obiektów budowlanych powszechnie są stosowane przewody w izolacji i powłokach z tworzyw sztucznych, zwłaszcza z polichlorku winylu (PCW), oraz listwy instalacyjne, kanały kablowe i osprzęt instalacyjny z tzw. twardego PCW.

W normalnych warunkach eksploatacji oprzewodowania instalacji elektrycznych polichlorek winylu nie stanowi zagrożenia dla ludzi i środowiska. Nie jest on jednak odporny na działanie ognia. Pod wpływem temperatury polichlorek winylu ulega rozkładowi, co powoduje powstawanie toksycznych związków halogenowych i chlorowodoru. Ze spalenia 1 kg polichlorku winylu powstaje ok. 400 litrów chlorowodoru, który w czasie gaszenia pożaru połączony z wodą tworzy 1,5 litra kwasu solnego o stężeniu 25%. Po usunięciu płomienia polichlorek winylu gaśnie, co oznacza, że nie przenosi płomienia.

Rozróżnia się następujące rodzaje polichlorku winylu stosowanego do budowy przewodów, osprzętu instalacyjnego i urządzeń elektrycznych:

– PCW (mieszanka) temperatura użytkowania: od –30 do 70^oC,

– PCW ciepłoodporny (90^oC) temperatura użytkowania: od –20 do 90^oC,

– PCW ciepłoodporny (105^oC) temperatura użytkowania: od 20 do 105^oC,

– PCW mrozoodporny temperatura użytkowania: od –40 do 70^oC.

Powszechne stosowanie polichlorku winylu oraz innych tworzyw, często palnych lub przenoszących płomień, jako materiałów izolacyjnych w instalacjach i urządzeniach elektrycznych oraz jako materiału konstrukcyjnego, dekoracyjnego itp. powoduje znaczne dodatkowe obciążenie ogniowe obiektu budowlanego, ponadto w razie pożaru występuje bardzo poważne zagrożenie zdrowia i życia ludzi. Temperatury powstające w czasie pożaru zależą od rodzaju palących się materiałów i od energii w nich nagromadzonej oraz od szybkości przepływu powietrza.

Podstawowe zasady doboru przewodów

Przewody powinny być dobrane i instalowane w taki sposób, aby w okresie ich przewidywanego użytkowania były odporne na szkodliwe wpływy czynników środowiskowych, aby same nie wpływały szkodliwie na środowisko oraz aby nie powstawało ich nadmierne nagrzewanie, przekraczające maksymalne dopuszczalne długotrwale temperatury. Odbiory powinny być zasilane energią odpowiedniej jakości o parametrach odpowiadających wymaganiom norm i przepisów.

Przewody i kable mogą przyczyniać się do rozprzestrzeniania pożaru, przechodząc przez pomieszczenia, w których powstał pożar z innych przyczyn.

W celu uniknięcia szkodliwego oddziaływania na organizmy ludzkie produktów rozkładu tworzyw sztucznych i przyczyniania się do rozprzestrzeniania pożaru w  oprzewodowaniu wszelkiego rodzaju instalacji elektrycznych w obiektach zagrożonych pożarem wskazane jest stosowanie tylko przewodów oraz listew instalacyjnych i koryt kablowych, do których wyrobu stosowane są materiały izolacyjne ekologiczne. W skład materiałów izolacyjnych ekologicznych nie wchodzą substancje niebezpieczne dla ludzi. Niektóre z tych substancji są całkowicie zabronione, inne są dopuszczalne w ograniczonych ilościach.

Izolacja i powłoki przewodów, listwy instalacyjne i koryta kablowe oraz osprzęt instalacyjny powinny być wykonane z materiałów tzw. bezhalogenowych, to znaczy całkowicie pozbawionych m.in.: metali ciężkich i ich związków, dodatków zawierających związki chloro-, bromo- i fluoroorganiczne, trójtlenek antymonu, chloroparafiny, ftalany, polibromowe etery dwufenylowe.

Tworzywa bezhalogenowe są stabilne termicznie w czasie pożaru. Pod wpływem podwyższonej temperatury nie ulegają rozkładowi z wydzielaniem związków toksycznych, również nie wydzielają dymów zawierających sadzę utrudniającą akcję gaśniczą. Materiały termoplastyczne stosowane jako izolacja przewodów ekologicznych nie zawierają toksycznych plastyfikatorów i stabilizatorów oraz związków zmniejszających palność na bazie antymonu i związków bromoorganicznych. Działanie płomienia na te materiały izolacyjne nie powoduje zanieczyszczenia środowiska halogenami. Najczęściej są to PE – polietylen izolacyjny spieniony powłokowy, VPE – polietylen usieciowany, LDPE – polietylen wysokociśnieniowy, HDPE – polietylen niskociśnieniowy, PP – polipropylen, TPEO – termoplastyczny elastomer poliolefinowy.

Przewody z tego rodzaju materiałów przeznaczone są do stosowania w instalacjach elektrycznych, m.in. w obiektach użyteczności publicznej, gdzie pożar stwarza szczególne zagrożenie życia i zdrowia ludzi zgromadzonych na niewielkich powierzchniach, często w warunkach utrudnionej ewakuacji, do obiektów o zwiększonych wymaganiach przeciwpożarowych, w których zgromadzone są dobra kultury lub urządzenia i wyposażenie o znacznej wartości, np. do szkół, szpitali, centrów handlowych, portów lotniczych, dworców kolejowych, stacji i tuneli metra, tuneli drogowych i kolejowych, do przestrzeni komunikacyjnych budynków wielorodzinnych wysokich i wysokościowych, garaży podziemnych, hal sportowych i widowiskowych, stadionów, kin, teatrów, muzeów, obiektów przemysłowych i magazynowych.

© Fantasista – Fotolia.com

Przewodów bezhalogenowych nieprzenoszących płomieni nie należy mylić z wyrobami przewodowymi bezhalogenowymi ognioodpornymi. Pierwsze z nich nie zapewniają dopływu energii do odbiorników w warunkach działania ognia. Izolacja ich ulega zniszczeniu; kable i przewody nie zachowują swoich funkcji. Przewody bezhalogenowe ognioodporne nazywane również kablami bezpieczeństwa zachowują swoje funkcje podczas działania ognia przez wymagany czas. Zapewniają dopływ energii elektrycznej do urządzeń, których działanie w warunkach pożaru jest niezbędne do ewakuacji ludzi i prowadzenia akcji gaśniczej.

W celu spełnienia podstawowych wymagań trzeba przy doborze przewodów i ich instalowaniu uwzględniać m.in.:

– znamionowe napięcia i częstotliwości,

– miejsca i sposoby układania,

– liczby przewodów (żył) pod wspólną osłoną, odległości między przewodami lub wiązkami przewodów,

– przewidywane obciążenia – wartości prądu, czasu trwania i zmian w czasie,

– wartości prądu w przewodzie neutralnym przy niesymetrycznym obciążeniu obwodów trójfazowych,

– wartości prądów zwarciowych i czasów trwania zwarć,

– wartości dopuszczalnych spadków napięcia,

– zagrożenie pożarowe,

– skrajne temperatury w pomieszczeniu i sposób wietrzenia,

– występowanie narażeń środowiskowych – cieczy i par palnych i agresywnych, gazów o szkodliwym działaniu na przewody, promieniowania ultrafioletowego i innych czynników degradujących izolację i powłoki zewnętrzne.

Warunki środowiskowe determinują wybór odpowiedniego typu przewodów oraz sposobu ich ułożenia, warunki techniczne zaś określają napięcie znamionowe i przekroje przewodów.

W obszarach zagrożonych pożarem należy stosować przewody z żyłami miedzianymi o średnicy przekroju do 10 mm², przy przekrojach większych od 10 mm² dopuszczone jest stosowanie przewodów aluminiowych z zewnętrznymi warstwami metalowymi, polwinitowymi (PCW) lub z innych materiałów niepalnych lub trudnopalnych i nieprzenoszących płomienia w izolacji na napięcie znamionowe:

– nie niższe niż 250 V przy napięciu zasilania do 110 V, np. SELV, PELV;

– nie niższe niż 500 V przy napięciu zasilania wyższym od 110 do 400 V;

– nie niższe niż 750 V przy napięciu zasilania wyższym od 400 do 660 V (690);

– co najmniej o 20% wyższe od napięcia zasilania – przy napięciu zasilania wyższym od 660V (690);

– nie niższe niż 750 V przewodów jednożyłowych izolowanych układanych w rurach stalowych lub w otworach prefabrykowanych elementów budowlanych.

Ponadto dopuszczone jest stosowanie:

– kabli elektroenergetycznych z zewnętrznym oplotem z materiałów łatwo zapalnych układanych w ziemi lub w kanałach wypełnionych piaskiem;

– przewodów szynowych z osłoną o stopniu ochrony IP4X w obszarach, w których występują palne ciecze lub rozdrobnione materiały palne, i z osłoną o stopniu IP2X w pozostałych obszarach zagrożonych pożarem;

– przewodów gołych jako przewodów ochronnych.

Przekrój przewodów wyznacza się w następujący sposób: określa się przekrój przewodu ze względu na obciążalność prądową długotrwałą, a następnie sprawdza się [13]:

– czy wybrany przekrój jest odpowiedni ze względów mechanicznych;

– czy spadki napięcia nie przekroczą wartości granicznych dopuszczalnych, mogłoby to spowodować zakłócenia w pracy zasilanych odbiorników, np. przeciążenia i przegrzania;

– czy wybrane przekroje przewodów są wystarczające ze względu na cieplne działanie prądów przeciążeniowych i zwarciowych;

– czy będzie zapewniona skuteczność ochrony przeciwporażeniowej, zwłaszcza samoczynnego wyłączenia zasilania.

W tabl. 1 podane są przykłady doboru rodzaju przewodów w zależności od narażeń zewnętrznych, a w tabl. 2 – maksymalne dopuszczalne temperatury materiałów izolacyjnych przewodowych.

Tabl. 1 Przykłady doboru rodzaju przewodów w zależności od narażeń zewnętrznych

Oprzewodowanie funkcjonujące w czasie pożaru

Przewody i kable ognioodporne – takie które zapewniają zasilanie (podtrzymanie funkcji) przez wymagany czas w warunkach pożaru – powinny być:

– dobrane do wymaganego czasu funkcjonowania w warunkach pożaru,

– mocowane do podłoża za pomocą specjalnych systemów mocowań zapewniających zachowanie ich funkcji w czasie pożaru,

– dobrane do wymaganych parametrów elektrycznych.

Dokładne wymagania w zakresie czasu funkcjonowania i wykonania urządzeń przeciwpożarowych funkcjonujących podczas pożaru określone są w rozporządzeniu [1]. Zgodnie z ostatnią nowelizacją:

– Przewody i kable elektryczne oraz światłowodowe wraz z systemami ich mocowań, nazywane zespołami kablowymi, stosowane do zasilania i sterowania urządzeniami służącymi ochronie przeciwpożarowej powinny zapewnić ciągłość dostawy energii elektrycznej lub przekazu sygnału przez czas wymagany do uruchomienia i działania urządzeń. Ocena zespołów kablowych w zakresie ciągłości dostawy energii elektrycznej lub przekazu sygnału z uwzględnieniem rodzaju podłoża i sposobu mocowania do niego powinna być wykonana na podstawie badań określonych w Polskich Normach dotyczących badań odporności ogniowej.

– Przewody i kable elektryczne w obwodach urządzeń alarmu pożaru, oświetlenia awaryjnego i łączności powinny mieć klasę PH odpowiednią do wymaganego czasu działania tych urządzeń zgodnie z Polską Normą dotyczącą badań palności cienkich przewodów i kabli bez ochrony specjalnej stosowanej w obwodach zabezpieczających.

– Zespoły kablowe zainstalowane w pomieszczeniach chronionych stałymi wodnymi urządzeniami gaśniczymi powinny być odporne na oddziaływanie wody; gdy przewody i kable ułożone są w ognioodpornych kanałach kablowych, wówczas to wymaganie uważa się za spełnione.

– Zespoły kablowe powinny być tak zaprojektowane i wykonane, aby w wymaganym czasie nie nastąpiła przerwa w dostawie energii elektrycznej lub przekazie sygnału spowodowana oddziaływaniami elementów budynku lub wyposażenia.

W przypadku urządzeń klap dymowych wymagane jest funkcjonowanie instalacji zasilającej i sterującej w czasie 30 minut. Klapy dymowe powinny zadziałać w początkowej fazie pożaru i nie wymagają późniejszego sterowania.

Przewody przeznaczone do instalacji podtrzymania funkcji można podzielić na:

1) przewody w izolacji polwinitowej (PCW) lub polietylenowej PE w powłoce polwinitowej uniepalnionej;

2)przewody w izolacji i powłoce z samogasnących materiałów bezhalogenowych, wydzielających w czasie pożaru małe ilości dymów i niewydzielających gazów toksycznych ani korozyjnych (niszczących elektronikę);

3) przewody w izolacji i powłoce z taśmy mikowej i  tworzywa bezhalogenowego gwarantujące działanie wybranych instalacji (służących do podtrzymania funkcji) w określonym czasie.

Osprzęt instalacyjny oprzewodowania do podtrzymania funkcji to konstrukcje nośne do mocowania przewodów, kotwy, obejmy kablowe i dystansowe, kanały i koryta kablowe o wzmocnionej odporności ogniowej – stalowe i stalowo-gipsowe, puszki rozgałęźne i przelotowe, stalowe i z tworzyw sztucznych o stopniu ochrony co najmniej IP4X.

Bardzo odpowiedzialnym elementem tras przewodów, zwłaszcza tras przewodów systemów podtrzymania funkcji, są przepusty przez ściany i stropy między strefami pożarowymi. Przepusty źle uszczelnione lub uszczelnione nieodpowiednimi materiałami mogą nie przeszkodzić w przeniesieniu płomienia po przewodzie z jednej strefy pożarowej do sąsiedniej i rozprzestrzenianiu się pożaru.

Przejścia kabli i przewodów przez ściany i stropy powinny mieć klasę odporności ogniowej identyczną z klasą odporności ogniowej elementu budowlanego, w którym są wykonane. Klasy odporności ogniowej przegród przeciwpożarowych – szybów, tuneli i pomieszczeń kablowych – określa PN-EN 13501-2+A1:2010.

Tabl. 2 Maksymalne dopuszczalne temperatury materiałów izolacyjnych przewodowych

Najważniejsze czynniki wpływające na działanie systemu podtrzymania funkcji:

– dobór przewodów o odpowiedniej klasie odporności ogniowej;

– sposób przeprowadzania przewodów przez ściany i stropy przy użyciu przepustów, uszczelnionych materiałami ognioodpornymi zapewniającymi odporność ogniową taką samą jak ściany, przez które przechodzi przewód;

– rodzaj podłoża, na którym układany jest przewód – najlepszym podłożem do układania przewodów podtrzymujących funkcje jest podłoże betonowe lub podłoże o klasie odporności ogniowej równej co najmniej klasie podtrzymywania funkcji przewodu wraz z konstrukcją nośną;

– osprzęt instalacyjny z odpowiednimi dopuszczeniami potwierdzającymi jego klasę odporności ogniowej tak dobrany, aby zapewniał funkcjonowanie instalacji w wymaganym czasie;

– sposób mocowania do podłoża – należy przez to rozumieć systemy nośne tras kablowych: z przewodami ułożonymi pojedynczo i mocowanymi na szynach obejmami, z przewodami ułożonymi w korytach kablowych oraz systemy z  przewodami ułożonymi na drabinkach kablowych, zachowanie odpowiednich odległości przewodów od elementów konstrukcyjnych budynku i takie ich zabezpieczenie, aby w czasie pożaru nie mogły być uszkodzone przez mocowania innych instalacji.

Zasady doboru przewodów   

Przy doborze przewodów zasilających urządzenia elektryczne funkcjonujące w czasie pożaru i przeznaczone do prowadzenia akcji gaśniczej i ewakua­cji ludzi – oprócz odpowiedniej klasy podtrzymania funkcji (PH30, PH60 lub PH90) – decydujące znaczenie ma określenie przekrojów żył z punktu widzenia obciążalności prądowej, spadku napięcia i ochrony przeciwporażeniowej. Powszechnie stosowane zasady doboru przekrojów żył mogą, w warunkach pożaru, być zawodne. W warunkach podwyższonej temperatury – w stosunku do warunków atmosferycznych (przyjmuje się temperaturę otoczenia 30^oC) powszechnie przyjętych przy doborze przekrojów żył przewodów – zmienia się rezystywność materiałów przewodowych, a zatem i rezystancja żył przewodów, co może stać się przyczyną błędnego funkcjonowania urządzeń elektrycznych i ich zabezpieczeń, nadmiernych spadków napięcia, utrudnionych rozruchów silników napędowych pomp, a nawet ich utyków oraz braku skutecznego działania ochrony przeciwporażeniowej.

W przypadku powstania pożaru, w bardzo krótkim czasie, wzrasta temperatura powietrza otaczającego przewody zasilające i pogarszają się warunki ich chłodzenia; przewody nagrzewające się pod wpływem przepływającego prądu, zamiast być chłodzone przez otaczające powietrze, są przez nie nagrzewane. Rezystancja czystych metali zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury. A zatem w wyniku działania wysokiej temperatury zwiększa się rezystancja żył przewodów miedzianych i aluminiowych. Można założyć, że temperatura żył przewodu pod koniec jego funkcjonowania będzie równa temperaturze w pomieszczeniu, która po prawie 30 minutach od chwili powstania pożaru wyniesie średnio ok. 800^oC. Przy takim założeniu maksymalna temperatura żył przewodu klasy PH30 (E30) wyniesie 830^oC, a klasy PH90 (E90) – 980^oC. Tak wysokie temperatury otoczenia w strefach objętych pożarem powodują zmianę parametrów elektrycznych żył przewodów, zwłaszcza ich rezystancji, która w końcowej fazie pracy przewodu może być ok. pięć razy większa niż w warunkach normalnych.

Ochrona przeciwporażeniowa

Jednym z podstawowych warunków bezpieczeństwa jest skuteczna ochrona przeciwporażeniowa urządzeń elektrycznych wykorzystywanych w czasie akcji gaśniczej i ewakuacji osób. Najczęściej stosowanym środkiem ochrony przeciwporażeniowej urządzeń elektrycznych I klasy ochronności w razie uszkodzenia (przed dotykiem pośrednim) jest samoczynne wyłączenie zasilania w czasie określonym w normie PN-HD 60364-4-41 z zabezpieczeniami nadprądowymi.

Stosowanie wyłączników różnicowoprądowych do ochrony urządzeń funkcjonujących w czasie pożaru nie jest odpowiednim rozwiązaniem ze względu na wymaganie niezawodności zasilania w określonym czasie. Pod wpływem wysokich temperatur następuje wzrost prądu upływu między żyłami przewodów i między żyłami przewodów i ziemią. Wzrost prądów upływu może doprowadzić do niespodziewanych wyłączeń zasilanych urządzeń, co może utrudnić, a nawet uniemożliwić akcję gaśniczą. Nie zaleca się ponadto stosowania innych środków polegających na samoczynnym wyłączeniu zasilania podczas pierwszego uszkodzenia (zwarcia).

Michał Świerżewski

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2002 r. Nr 75, poz. 690 ze zm.).

2. PN-IEC 60364-4-482:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Część 4-482 Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Dobór środków ochrony w zależności od wpływów zewnętrznych. Ochrona przeciwpożarowa.

3. PN-IEC 60364-5-52:2011 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-52 Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Oprzewodowanie.

4. PN-IEC 60364 5-523:2001 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-523 Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Obciążalność prądowa długotrwała przewodów.

5. PN-EN 60332-1-2:2010 Badania palności kabli i przewodów elektrycznych oraz światłowodowych – Sprawdzenie odporności pojedynczego cienkiego izolowanego przewodu lub kabla na pionowe rozprzestrzenianie się płomienia. Część 2-1: Metoda badania – Płomieniem mieszankowym 1 kW.

6. PN-EN 60332-2-2:2010 Badania palności kabli i przewodów elektrycznych oraz światłowodowych – Sprawdzenie odporności pojedynczego cienkiego izolowanego przewodu lub kabla na pionowe rozprzestrzenianie się płomienia. Część 2.2 Metoda z użyciem płomienia dyfuzyjnego.

7. PN-EN 61034-2:2010 Wspólne metody badania palności przewodów i kabli – Pomiar gęstości dymów wydzielanych przez palące się przewody lub kable w określonych warunkach – Część 2: Metoda badania i wymagania.

8. PN-EN 50267-2-1:2001 Wspólne metody badania palności przewodów i kabli – Badanie gazów powstałych podczas spalania materiałów pobranych z przewodów i z kabli. Część 2-1: Metody – Oznaczanie zawartości kwaśnego gazu halogenowego.

9. 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.

10. PN-IEC 60331-31:2004 Badania kabli i przewodów elektrycznych poddanych działaniu ognia – Ciągłość obwodu – Część 31 Metody badania i wymagania w przypadku zastosowania ognia i uderzenia mechanicznego – Kable i przewody na napięcie znamionowe do 0,6/1,0 kV.

11. 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.

12. PN-IEC 60331-23:2003 Badania kabli i przewodów elektrycznych poddanych działaniu ognia – Ciągłość obwodu – Część 23 Metody badania i wymagania – Elektryczne kable i przewody teleinformatyczne.

13. N SEP-E-005 Dobór przewodów elektrycznych do zasilania urządzeń przeciwpożarowych, których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru, COSiW SEP Warszawa 2013.