Cel i zakres badań kabli elektrycznych pod względem ich reakcji na ogień
The aim and scope of reaction to fire tests of electric cables
Aparatura badawcza według normy PN-EN 60754-2:2014-11, rys. W. Jaskółowski
Zjawisko pożaru powoduje nadzwyczajne zagrożenie dla ludzi i infrastruktury budowlanej i w związku z tym istnieje konieczność zapewnienia bezpieczeństwa wszystkim ludziom, którzy są narażeni na potencjalne skutki jego oddziaływania. Dotyczy to w równym stopniu mieszkańców, użytkowników, a także ekip ratowniczych biorących udział w działaniach związanych z prowadzeniem akcji ratowniczej.
StreszczenieKable elektryczne należą do wyrobów budowlanych. Szczególnie w budynkach użyteczności publicznej czy wielorodzinnych ich liczba mierzona w km może być bardzo duża. Jakość materiałów zastosowanych na izolacje i powłoki ma bardzo duży wpływ na szybkość tworzenia się potencjalnych zagrożeń pożarowych w czasie wystąpienia pożaru. W artykule omówiono cel i zakres badań kabli elektrycznych pod względem ich reakcji na ogień. W Polsce kwestię tę reguluje norma PN-EN 13501-6:2014-04. Artykuł zawiera omówienie metod badawczych, które są wykorzystywane przy ocenie kabli elektrycznych. W zależności od otrzymanych wyników badań można je zaklasyfikować do jednej z tzw. Euroklas, które charakteryzują kable elektryczne w szerokim aspekcie palności i umożliwiają inwestorowi optymalny ich dobór, uwzględniając aspekt bezpieczeństwa pożarowego. AbstractElectrical cables belong to a group of construction products. The overall length of the wires might reach even a few kilometers, especially in the public and apartment buildings. The quality of the material used for the insulation and layers has got a great impact on the rate of the potential hazard during a fire situation. The research methods, which are used in the analysis of the electrical cables, are discussed in the article. The specific requirements for the reaction to fire of electric cables are laid down in the PN-EN 13501-6:2014-04 standard. In the article there are research method used in the electrical cables analysis. According to the results, the electrical cables can be classified into the one of the Euroclass group, which characterize the combustibility of wires. Considering the fire safety, the type of Euroclass of the wire might be also significant during the investment process. |
Podstawowym aktem prawnym, w którym uregulowane są kwestie (kryteria) bezpieczeństwa pożarowego w budynkach, jest Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1].
Na podstawie § 207 ust. 1 rozporządzenia [1] można stwierdzić, że zostanie zapewniony właściwy poziom bezpieczeństwa pożarowego wtedy, gdy zastosowany zespół rozwiązań techniczno-budowlanych w budynku i urządzeń z nim związanych zapewnia w razie pożaru:
- nośność konstrukcji przez czas wynikający z właściwych przepisów,
- ograniczenie rozprzestrzeniania się ognia i dymu w budynku,
- ograniczenie rozprzestrzeniania się ognia na sąsiednie budynki,
- możliwość bezpiecznej i skutecznej ewakuacji (by osoby znajdujące się wewnątrz mogły opuścić obiekt budowlany lub mogły być uratowane w inny sposób),
- bezpieczeństwo ekip ratowniczych.
Z powyższego wynika, że stan bezpieczeństwa pożarowego budynku określony jest przez stan środowiska (z uwagi na jego oddziaływanie na ludzi) oraz stan konstrukcji (z uwagi na zdolność do przenoszenia obciążeń).
Stan konstrukcji w czasie pożaru zależy od jakości materiałów, z których została wykonana, a także obciążeń cieplnych, które powstają w warunkach pożaru, a są wynikiem spalania wyrobów (materiałów) budowlanych. Stan środowiska pożarowego jest pochodną jakości wyrobów (materiałów) budowlanych, zastosowanych urządzeń przeciwpożarowych, których zadaniem jest ograniczenie do minimum ryzyka powstania pożaru lub ograniczenie jego dynamiki rozwoju po to, aby nie przekroczyć kryteriów bezpiecznej ewakuacji w założonym czasie. Kryteria bezpiecznej ewakuacji (ang. tenability criteria) to maksymalny poziom ekspozycji na warunki pożaru, który jest akceptowalny z uwagi na to, że nie powoduje wykroczenia poza wyznaczone cele bezpiecznej ewakuacji. Przyjętym ogólnym kryterium bezpieczeństwa życia ludzi w pożarach budynków i obiektów budowlanych, z punktu widzenia efektywnej ewakuacji, jest to, aby możliwy czas ewakuacji był dłuższy niż czas wymagany do ewakuacji.
Zasadniczo podczas projektowania, montażu i eksploatacji instalacji elektrycznych należy uwzględniać przede wszystkim wymagania zawarte w § 98 ust. 2 § 180–192 rozporządzenia [1], a także w odrębnych dokumentach prawnych, normach ujętych w załączniku nr 1 rozporządzenia [1] do obowiązkowego stosowania. Jest tam wyszczególnionych ponad 50 norm. Odnoszą się one do różnych aspektów związanych z eksploatacją instalacji elektrycznych.
Instalacje elektryczne stosowane wewnątrz budynków powinny zapewniać nie tylko bezpieczeństwo i niezawodność eksploatacji w różnych warunkach, lecz także bezpieczeństwo pod względem pożarowym, które obejmuje różne aspekty tego bezpieczeństwa.
W zakresie doboru kabli i przewodów elektrycznych (wymagania dotyczą także kabli teletechnicznych) istotne informacje zawiera norma N SEP-07:2017-09 [2]. W przedmiotowej normie zaproponowano zasady doboru kabli i przewodów elektrycznych, uwzględniając reakcję na ogień jako podstawowe kryterium, w zależności od rodzaju budynku, w którym mają być zainstalowane. Szczegółowe wymagania w zakresie instalacji elektrycznych dla budynków zawiera także Polska Norma PN-HD 60364-4-482:2011 [3]. Określono w niej wymagania uzupełniające do wytycznych w rozdziale 42, dotyczące instalacji w miejscach, w których występują warunki, o których mowa powyżej (według rozdziału 332.4). Powiązano je z wymaganiami dotyczącymi ewakuacji w razie powstania niebezpieczeństwa oraz rodzajem przerabianych lub magazynowanych materiałów. W powszechnej opinii kable i przewody elektryczne w zestawieniu z ochroną przeciwpożarową kojarzą się z zasilaniem urządzeń przeciwpożarowych i aby spełnić wymagania w tym zakresie, muszą przejść przez szereg testów potwierdzających ich parametry mechaniczne i elektryczne. Dodatkowo muszą zostać poddane badaniom ogniowym, które mają na celu sprawdzenie pod kątem zachowania ciągłości dostawy prądu do ww. urządzeń.
Nie wszyscy mają świadomość, że kable i przewody elektryczne należy traktować jako wyroby budowlane. Ze względu na swoją konstrukcję kable i przewody składają się z części metalowych i niemetalowych. Mogą być przyczyną rozprzestrzeniania się ognia, a także źródłem ciepła, emisji gęstych dymów i duszących toksycznych gazów utrudniających ewakuację. Zatem, tak jak w przypadku każdego wyrobu, istnieje potrzeba jego oceny pod kątem szeroko rozumianej palności.
Przyjęta ponad 15 lat temu w krajach Unii Europejskiej tzw. Europejska Klasyfikacja Ogniowa wyrobów (materiałów) budowlanych (w Polsce wprowadzona normą PN-ISO 13501) zmieniła diametralnie podejście do oceny właściwości pożarowych wyrobów budowlanych. Zasadniczo klasyfikacja materiałów budowlanych opiera się na właściwościach termokinetycznych, dymotwórczych oraz ocenie zdolności do tworzenia kropli. Dotychczas unormowano tylko niektóre z wyrobów budowlanych w zakresie reakcji na ogień (m.in. wyroby stosowane na podłogi i ściany).
W odniesieniu do kabli i przewodów elektrycznych wiążąca jest Decyzja Komisji Europejskiej 2006/751/WE, wykonująca Dyrektywę Rady 89/106/EWG, w której przedstawiono kryteria klasyfikacji oraz metody badawcze. W Polsce dopiero w roku 2014 r. przyjęto normę PN-EN 13501-6:2014-04 [4], która opisuje klasyfikację kabli i przewodów elektrycznych pod kątem ich reakcji na ogień. Zgodnie z tą normą stosowany jest system tzw. Euroklas, charakteryzujący kable i przewody elektryczne pod względem reakcji na ogień jako klasy: Aca, B1ca, B2ca, Cca, Dca, Eca, Fca, wraz z kryteriami dodatkowymi, uwzględniającymi wydzielanie dymu, występowanie płonących kropli oraz kwasowość produktów rozkładu termicznego i spalania (tab. 1.).
Tab. 1. Klasy reakcji na ogień dla kabli elektrycznych według PN-EN 13501-6:2014-4
Analiza normy PN-EN 13501-6:2014-4 [4] i tabeli 1. wskazuje, że do oceny palności kabli elektrycznych pod względem reakcji na ogień zaproponowano metody badawcze opisane w normach PN-EN ISO 1716:2010 [5], PN-EN 50399:2011 [6], PN-EN 60332-1-2:2010 [7], PN-EN 61034-2:2010 [8], PN-EN 60754-2:2014-11 [9]. W porównaniu z wcześniej obowiązującymi kryteriami klasyfikacyjnymi nastąpiła istotna zmiana. Wcześniej obowiązujące kryteria oceny kabli i przewodów pod względem palności koncentrowały się na zachowaniu pojedynczego kabla i przewodu lub wiązek kabli i przewodów poddanych oddziaływaniu płomienia pod kątem rozprzestrzeniania się ognia (seria norm PN-EN 60332). Takie podejście do oceny nie uwzględniało tych cech pożarowych kabli i przewodów elektrycznych, które są związane z wydzielaniem ciepła, dymu, toksycznością i korozyjnością gazów powstałych podczas rozkładu termicznego i spalania. W związku z powyższym, ocena przewodów i kabli elektrycznych była bardzo wybiórcza. Kryteria klasyfikacji przyjęte w PN-EN 13501-6:2019-02 [4] wypełniają tę lukę, choć nie w pełni, gdyż nie uwzględniono w niej aspektu toksyczności produktów rozkładu termicznego i spalania. Zakres badań i zastosowanie metod badawczych zależą od klasy, którą chcemy nadać badanym kablom elektrycznym. I tak, w celu uzyskania klasy Aca kable należy poddać badaniom wg PN-EN ISO 1716:2018-08 (fot. 1.) [5].
Rys. 1. Stanowisko badawcze według PN-EN 60332-1-1:2010, rys. W. Jaskółowski
Badanie to umożliwia określenie ciepła spalania składowych części kabla lub przewodu. W metodzie tej określa się wartość ciepła spalania brutto (PCS), w [MJ/kg]. Ciepło spalania brutto przy stałym ciśnieniu oblicza się z następującej zależności:
gdzie:
PCS – ciepło spalania brutto, w [MJ/kg],
E – równoważnik wodny kalorymetru, bomby, ich wyposażenia i wody wprowadzonej do bomby, w [MJ/kg],
Ti – temperatura początkowa, w [K],
Tm – temperatura maksymalna, w [K],
c – poprawka temperatury dla i-tej badanej próbki,
b – poprawka uwzględniająca ciepło spalania „paliw” używanych w badaniach, drutu zapalającego, w [MJ],
m – masa „paliwa”, w [kg].
Doświadczalne wyznaczenie ciepła spalania w bombie kalorymetrycznej polega na całkowitym spaleniu próbki w atmosferze tlenu pod ciśnieniem i pomiarze przyrostu temperatury wody w naczyniu kalorymetrycznym. Zapłon badanego materiału uzyskuje się przez rozżarzenie spiralki z drutu oporowego. Ostatecznie ciepło spalania jest obliczane na podstawie bilansu cieplnego pomiędzy temperaturą wody przed i po spalaniu próbki materiału.
W tej metodzie należy ustalić ciepło spalania brutto wszystkich elementów niemetalicznych kabla lub przewodu elektrycznego. Z kryteriów klasyfikacyjnych (tab. 1.) wynika, że aby kabel lub przewód spełniły kryterium odpowiadające klasie Aca, ciepło spalania brutto (PCS) musi wynieść poniżej 2,0 MJ/kg, co jest wartością bardzo niską, gdyż przeciętnie tworzywa sztuczne mają ciepło spalania równe 40 MJ/kg i nawet więcej.
W celu uzyskania klasy B1ca wymagana jest konieczność przeprowadzenia badań z zastosowaniem metod badawczych opisanych w normach: PN-EN 60332-1-2:2010 [7] oraz PN-EN 50399:2011 [6]. W celu ustalenia dodatkowej klasyfikacji stosuje się normy PN-EN 61034-2 [8] oraz PN-EN 60754-2:2014-11 [9].
Metoda określona w PN-EN 60332-1-2:2010 (rys. 1.) [7] polega na badaniu pionowo przymocowanego odcinka kabla lub przewody o długości 600±25 mm w komorze o wymiarach 1200x300x450 mm i przystawieniu zgodnie z normą, tj. w odległości 475±5 mm od dolnej krawędzi górnego poziomego uchwytu palnika pod kątem 45°±2° do pionowej osi próbki. Czas przyłożenia palnika zależny jest od średnicy próbki. Specyfikację aparatury do badania opisano w PN-EN 60332-1-1:2010 [10]. Źródło zapłonu stanowi palnik propanowy według wymagań PN-EN 60695-11-2017-11 [11], zasilany propanem technicznym o czystości 95%. W badaniu tym dokonuje się pomiaru wysokości H zniszczenia (zwęglenia) próbki.
W PN-EN 50399:2023-07 (rys. 2.) [7] określono aparaturę i opis metod badawczych, które umożliwiają ocenę kabli i przewodów elektrycznych pod kątem pionowego rozprzestrzeniania się płomienia, wydzielania ciepła, tworzenia dymu oraz powstawania płonących kropli (cząstek) z pionowo zamontowanych wiązek przewodów i kabli elektrycznych. W tym miejscu należy zaznaczyć, że według przedmiotowej normy termin „przewody elektryczne” dotyczy wszystkich przewodów o izolacji nałożonej na metalową żyłę i służących do przesyłania energii lub sygnałów.
Rys. 2. Schemat stanowiska według PN-EN 50399:2011, rys. W. Jaskółowski
Badanie polega na poddaniu wiązki kabli lub przewodów, zamontowanej na drabince probierczej, oddziaływaniu palnika zasilanego propanem technicznym o czystości 95%. Palnik ma specjalną konstrukcję, której istotą są 242 otwory o średnicy 1,32 mm, znajdujące się w trzech rzędach. W rezultacie palnik tworzy coś w rodzaju tablicy (rys. 2.). Warunki montażu i mocowania kabli i przewodów zostały ściśle określone – uzależnione są od ich średnicy oraz klasy, dla której przeprowadzane jest badanie. Liczbę kabli lub przewodów w wiązce dobiera się według specjalnych wytycznych (wzorów). Moc źródła zapłonu przy badaniu klas (B2ca, Cca, Dca) wynosi 20,5 kW. W przypadku badania kabli i przewodów zaliczanych do klasy B1ca, na tylnej stronie korytka do prowadzenia kabli należy zamontować niepalną płytę z krzemianu wapnia o gęstości 870±50 kg/m3 oraz grubości 11±2 mm oraz zastosować moc źródła zapłonu 30 kW.
W trakcie pomiaru należy zapewnić przepływ powietrza o określonych parametrach przez komorę badawczą. Podczas badania rejestruje się następujące parametry, określające:
- całkowitą ilość wydzielonego ciepła (THR),
- wskaźnik dynamiki spalania (FIGRA),
- całkowitą ilość wydzielonego dymu (TSP),
- szybkość wydzielania dymu (SPR),
których wartości stanowią podstawę klasyfikacji kabli i przewodów elektrycznych pod względem reakcji na ogień.
Zgodnie z PN-EN 61034-2:2010 (rys. 3.) [8] badania przeprowadza się w komorze badawczej o objętości 27 m3 (3x3x3 m).
Rys. 3. Stanowisko badawcze według PN-EN 61034-1:2010, rys. W. Jaskółowski
Do badania dobiera się odpowiednią liczbę odcinków kabli lub przewodu, uzależnioną od średnicy zewnętrznej kabla lub przewodu. Przewody o średnicy mniejszej niż 5 mm i większej niż 1 mm układa się w wiązki. Liczba wiązek jest zależna od średnicy zewnętrznej i oblicza się ją na podstawie podanego w normie wzoru. Inicjatorem spalania jest 95-proc. alkohol, który w ilości 1 dm3 znajduje się w metalowym pojemniku o wymiarach: dno 21x11 cm, góra 24x14 cm, wysokość 8 cm. Miarą zdolności kabli i przewodów do tworzenia dymu jest parametr: minimalna wartość transmisji światła.
Badanie trwa do momentu, gdy nie obserwuje się zmniejszenia transmisji światła po 5 min od zgaśnięcia ognia lub po 40 min od początku próby. W przypadku przewodów lub kabli o średnicy nie większej niż 80 mm najmniejszą transmitancję światła należy przyjąć za transmitancję światła badanego przewodu. W przypadku średnicy większej niż 80 mm należy wynik pomnożyć przez współczynnik D/80 (D – średnica przewodu lub kabla).
Metoda badawcza zgodna z PN-EN 60754-2:2014-11 [9] (rys. 4.) polega na określeniu kwasowości gazów powstałych podczas spalania poprzez wyznaczenie średniej ważonej pH i konduktywności dla poszczególnych materiałów, z których wykonany jest przewód, kabel elektryczny lub światłowodowy.
Rys. 4. Aparatura badawcza według PN-EN 60754-2:2014-11, rys. W. Jaskółowski
Próbkę do badań stanowi 1000 mg każdego materiału pobranego z reprezentatywnego odcinka. Próbka umieszczona na „łódeczce” podlega ogrzewaniu w temperaturze nie niższej niż 935°C przez 30 min. W trakcie spalania gazy spalinowe zbierane są do dwóch kolb z wodą destylowaną lub demineralizowaną o pojemności ok. 450 ml każda. Następnie zawartość obu kolb zlewa się do jednej kolby i uzupełnia wodą do objętości 1000 ml i przystępuje do pomiarów pH i konduktywności (przewodności). Po zakończonych pomiarach (po 3 próbki) oblicza się wartości ważone dla kabla lub przewodu, stosując odpowiednie wzory:
gdzie:
x – wartość pH każdego niemetalowego materiału,
gdzie:
c – konduktywność każdego niemetalowego materiału.
Podsumowanie
Niektóre z metod badawczych wykorzystywanych do określania klas reakcji na ogień dla kabli lub przewodów elektrycznych oparto na zastosowaniu źródeł ciepła symulujących środowisko pożarowe w budynku. Przyjęcie kryterium klasyfikacji pod względem reakcji na ogień spowodowało, że kable i przewody elektryczne, podobnie jak inne materiały budowlane, zostały ocenione w znacznie szerszym zakresie niż wcześniej. Uwzględniono przede wszystkim aspekt wydzielania ciepła i dymu, które istotnie determinują stan środowiska pożarowego, co bezpośrednio wpływa na dostępność i skuteczność bezpiecznej ewakuacji. Wraz z wprowadzeniem normy PN-EN 13501-6:2015-02 [4] inwestorzy otrzymali narzędzie do formułowania szerszych wymagań wobec producentów kabli i przewodów elektrycznych.
Literatura
- Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.
- 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-HD 60364-4-482:2011 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Dobór środków ochrony w zależności od wpływów zewnętrznych. Ochrona przeciwpożarowa.
- PN-EN 13501-6:2019-02 Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków. Część 6: Klasyfikacja na podstawie wyników badań reakcji na ogień kabli elektrycznych.
- PN-EN ISO 1716:2018-08 Badania reakcji na ogień wyrobów. Określanie ciepła spalania brutto (wartości kalorycznej).
- PN-EN 50399:2023-07 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 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 palnikiem z płomieniem mieszankowym 1 kW.
- PN-EN 61034-2:2010 Pomiar gęstości dymów wydzielanych przez palące się przewody lub kable w określonych warunkach. Część 2: Metoda badania i wymagania.
- N-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 60332-1-1:2010 Badania palności kabli i przewodów elektrycznych oraz światłowodowych. Część 1-1: Sprawdzanie odporności pojedynczego izolowanego przewodu lub kabla na pionowe rozprzestrzenianie się płomienia. Aparatura.
- PN-EN 60695-11-2017-11 Badanie zagrożenia ogniowego. Część 11-2: Płomienie probiercze. Znamionowy płomień probierczy mieszankowy 1 kW. Urządzenia, układ do próby sprawdzającej i wytyczne.
