Zachowanie się przewodów i kabli elektrycznych w wysokich temperaturach (część 2.)

Nowoczesne instalacje elektryczne w dużych obiektach budowlanych układane są najczęściej w postaci wiązek na drabinkach lub korytach w specjalnych przestrzeniach przeznaczonych do tych celów. W takich przypadkach, aby ograniczyć rozprzestrzenianie płomienia (pożaru) należy stosować odpowiednie rozwiązanie technologiczne w postaci materiałów polimerowych o małym współczynniku palności. Zastosowanie np. kabli z tworzyw bezhalogenowych ogranicza w trakcie pożaru ilość powstającego dymu oraz produktów spalania (głównie toksycznego chlorowodoru), które w połączeniu z wodą tworzą substancje żrące, stanowiące zagrożenie dla pozostałych elementów infrastruktury obiektów budowlanych. Małe ilości powstającego dymu ułatwiają ewakuację osób i prowadzenie akcji gaśniczej przez specjalistyczne służby. Instalacjom elektrycznym, od których wymagana jest praca w trakcie pożaru, stawia się dodatkowe obostrzenia dotyczące podtrzymania swoich funkcji przez określony czas, np. 30 minut (oznaczenie E30) lub 90 minut (E90). Klasyfikacja ta wynika z normy DIN 4102-12 i dotyczy systemów kablowych badanych w całości.

Dla pojedynczych kabli i przewodów stosuje się normy PN IEC 60331 11 do badania ciągłości obwodu podczas długotrwałego oddziaływania płomienie (oznaczenie np. FE90), czy też PN-EN 50200, do badania ciągłości obwodu elektrycznego, jednak z dodatkowym udarem mechanicznym oddziałującym na próbkę (oznaczenie np. PH90).

W zakresie badania zachowania się kabli i przewodów w warunkach pożaru opracowano i znormalizowano wiele metod. Powszechna jest jednak opinia, że prawdziwe pożary nie mogą być odtworzone przez próby laboratoryjne na małą skalę [5]. W trakcie badań laboratoryjnych wyznacza się trzy główne parametry dotyczące zachowania się kabli w pożarach (uzależnione od zastosowanych materiałów polimerowych do ich budowy):

• wskaźnik temperaturowy – minimalna temperatura, w której badany materiał po zapłonie sam podtrzymuje palenie. Badania wskaźnika tlenowego wykazały, że jego wartość zależy od temperatury próby i maleje wraz z jej wzrostem. Podczas wykonywania tego badania temperatura powinna wynosić 25°C, jednak jej utrzymanie jest trudne, ponieważ płomień palnika ogrzewa otoczenie badanego odcinka kabla [3, 4],
• wskaźnik tlenowy (indeks tlenowy, ang. Limiting Oxygen Index) stanowi minimalną ilość tlenu w atmosferze azotu, przy której dany materiał polimerowy ulega zapłonowi [5]. Im większa wartość wskaźnika tlenowego, tym materiał jest trudniej zapalny. Jeżeli wartość wskaźnika próbki jest większa od 26% (26% tlenu w atmosferze azotu), to klasyfikuje się dany materiał jako samogasnący po odstawieniu źródła płomienia [3];
• ciepło spalania – ilość ciepła wydzielona z jednostki masy podczas spalania zupełnego i całkowitego próbki materiału, z uwzględnieniem ciepła odzyskanego z wytworzonej pary wodnej. Im więcej ciepła wydziela palący się materiał, tym bardziej sprzyja podtrzymaniu lub rozwojowi pożaru [5]. W przypadku przewodów i kabli ciepło spalania często określane jest w przeliczeniu na jednostkę długości wyrobu. Nie rozdziela się tutaj materiałów palnych od pozostałych, np. miedzi, aluminium, stali.

Ponadto przeprowadzane są również badania, których wynik pozwala określić skutki palących się kabli, np. odporność na rozprzestrzenianie płomienia [6] wzdłuż kabla (zależne m.in. od sposobu i miejsca montażu, zastosowanych materiałów, zdolności do wytwarzania płonących kropli/cząstek), gęstość optyczna emitowanych dymów [7, 8], co wpływa na bezpieczeństwo ewakuacji użytkowników obiektów, ale też działań ratowniczych, toksyczność i korozyjność [9], związana z wytwarzaniem m.in. chlorowodoru, toksycznego dla człowieka, a w kontakcie z wodą wytwarzającego korozyjne (kwasowe) związki chemiczne, zagrażające m.in. urządzeniom elektrycznym.

Wydzielający się z tworzyw sztucznych gaz prowadzi do uszkodzenia układu oddechowego i tworzy kwas solny. Dla przykładu, w trakcie spalania 1 kg PVC, wydziela się ok. 400 dm3 chlorowodoru, który w połączeniu z wodą tworzy 1,5 dm3 kwasu solnego o stężeniu 25% [10].

Zagrożenia wynikające z pracy instalacji elektrycznej

Jednym z najważniejszych wymagań, jakie powinny spełniać budynki i ich usytuowanie, szczegółowo opisywane w przepisach [11], jest zapewnienie szeroko rozumianego bezpieczeństwa, które w budynkach, w kontekście wykorzystania urządzeń i instalacji elektrycznych, sprowadza się do ochrony przed:

• porażeniem prądem elektrycznym;
• prądami przetężeniowymi;
• przepięciami łączeniowymi oraz pochodzącymi od wyładowań atmosferycznych;
• negatywnym oddziaływaniem na środowisko i otoczenie [12].

Bardzo ważne staje się więc zapewnienie właściwego poziomu ochrony przeciwpożarowej, w szczególności ochrony przed oddziaływaniem cieplnym instalacji i maszyn elektrycznych na otoczenie i odwrotnie. Poddając analizie występujące pożary, wywołane negatywnym oddziaływaniem prądu elektrycznego okazuje się, że sporą grupą inicjującą powstanie pożaru są niewłaściwie zaprojektowane, wykonane i użytkowane instalacje elektryczne, a w szczególności przewody i kable elektryczne. Faktem jest, że niewłaściwe użytkowanie urządzeń i instalacji elektrycznej lub też jej nieprawidłowe wykonanie staje się źródłem ciepła, które może skutkować powstaniem pożaru [10, 12, 13].

Powszechnie stosuje się pojęcie temperatury granicznej dopuszczalnej długotrwale i przy zwarciu, dla materiałów izolacyjnych kabli i przewodów. Wraz ze wzrostem temperatury otoczenia, o ile nie zastosowano izolacji, rosnąć będzie temperatura urządzeń i instalacji, wpływając na ich pracę. W poniższej tabeli zestawiono wartości temperatury i odpowiadające im wykazy elementów, czy zespołów urządzeń i instalacji elektrycznych, dla których dana temperatura uznawana jest za maksymalną wartość bezpieczną.

Aby w pełni zilustrować problematykę opisaną powyżej, w tabeli 2. zestawiono pewne charakterystyczne wartości temperatury dla materiałów powszechnie stosowanych w obiektach budowlanych.

Jak wynika z zestawionych w tabeli 2. danych, aby zapoczątkować pożar, urządzenie, czy instalacja elektryczna musi wydzielać znaczne ilości ciepła, aby być zdolnym do podniesienia temperatury ww. materiałów co najmniej powyżej temperatury zapłonu. Należy jednak zwrócić uwagę, że rosnąca temperatura otoczenia powodować będzie pogorszenie warunków pracy elementów urządzeń i instalacji elektrycznych, co poprzez efekt kaskadowy, przyczyni się do postępującej degradacji i rozwoju pożaru. Warto wspomnieć, że wyłącznie nadmierna rezystancja zestykowa (rezystancja przejścia) jest w stanie doprowadzić do lokalnego wzrostu temperatury do ponad 200°C, co niejednokrotnie było przyczyną pożaru tablicy rozdzielczej budynku [16].

Przyczyny powstawania uszkodzeń izolacji urządzeń i przewodów elektrycznych

Do uszkodzenia izolacji urządzeń lub przewodów elektrycznych najczęściej dochodzi na skutek oddziaływań:

• elektrycznych (przepięcia, przetężenia);
• mechanicznych (uderzenia, zginania, skręcenia);
• środowiskowych (zawilgocenie, przegrzanie, wpływy chemiczne) [17];
• eksploatacyjnych (wadliwe naprawy, niesprawne lub źle naprawione zabezpieczenia) [10].

Rodzaj i wielkość uszkodzenia izolacji może spowodować negatywne skutki w dalszym eksploatowaniu instalacji. Niewielkie mikropęknięcia nie spowodują bezpośredniego zwarcia, natomiast przyczynią się do powstania prądów upływowych. W początkowej fazie wartość ta będzie na poziomie pojedynczych miliamperów. Jest to na tyle mała wielkość, że o zadziałaniu zainstalowanych zabezpieczeń różnicowo-prądowych nie może być mowy. Dalszy przepływ prądu upływowego wysuszy izolację, co spowoduje poprawę jej izolacyjności.

W większości przypadków jednak następuje dalsza degradacja izolacji przewodu elektrycznego, a tym samym pojawienie się większych prądów upływowych. Nie wszystkie instalacje elektryczne chronione są wyłącznikiem różnicowoprądowym, przez co pojawiający się prąd na poziomie 100 mA może już powodować zwęglenie izolacji. Zachodzące zmiany przyczyniają się do dalszego zwiększania się natężenia prądu do 300 – 500 mA, co w pewnych specyficznych warunkach może skutkować powstaniem łuku elektrycznego.

Prąd ten zależny od impedancji obwodu oraz rezystancji łuku i najczęściej nie spowoduje zadziałania zabezpieczeń przetężeniowych. W ostatniej fazie zaistniałego procesu następuje całkowite zniszczenie izolacji oraz powstanie zwarcia metalicznego [10]. Powstały łuk elektryczny z uwagi na swoją temperaturę, wynoszącą 2000 – 6000°C, powoduje zapalenie się materiałów znajdujących się w pobliżu. Dodatkowo powstające na skutek intensywnego nagrzewania (i odparowania) materiału przewodnika mikrowybuchy powodować mogą rozrzucenie palących się drobinek metalu na kilka metrów, wpływając tym samym na rozprzestrzenianie się pożaru.

Przyczyny pożarów związane z eksploatacją instalacji i urządzeń elektrycznych

Na przestrzeni dziesięcioleci powszechnego wykorzystania instalacji i urządzeń elektrycznych dość dobrze określono źródła zagrożeń, a także techniczne i organizacyjne sposoby im przeciwdziałania. Wydawać mogłoby się, że w dzisiejszych, nowoczesnych czasach możliwość powstania pożaru od instalacji i urządzeń elektrycznych została wyeliminowana czy choćby znacznie ograniczona. Niestety, spełnienie wymogów norm czy przepisów prawa egzekwowane jest zwykle na etapie projektowania i odbioru budynku. Szczególnie w przypadku gospodarstw domowych, od pierwotnego odbioru budynku, aż do remontu instalacji elektrycznej zwykle nie przeprowadza się jakichkolwiek kontroli okresowych, a naprawy, czy też modyfikacje instalacji elektrycznej przeprowadzane są często metodami prowizorycznymi, niefachowymi. Z kolei w starych budynkach ciągle obecne będą instalacje aluminiowe.

Należy jednak podkreślić, że nawet w warunkach przemysłowych, gdzie stosuje się zwykle do przepisów prawa, pewne niezauważone wady instalacji i urządzeń, które powstały czy to na etapie projektowania, wykonania, czy w trakcie eksploatacji, będą ujawniać się po czasie. Często w praktyce spotyka się stwierdzenie właścicieli przedsiębiorstw, że skoro do awarii nie doszło przez lata eksploatacji, oznacza to, że dany proces jest w pełni bezpieczny i ryzyko powstania zdarzenia niekorzystnego zostało wyeliminowane. Przekonanie to jest oczywistym błędem, co można tłumaczyć choćby na kanwie teorii niezawodności, czy zwyczajnie procesów starzeniowych materiałów.

Jak wynika z praktyki, najczęstsze przyczyny pożarów wynikające z nieprawidłowego wykonania lub eksploatacji urządzeń i instalacji elektrycznych można podzielić na [14, 18, 19]:

• przeciążenia wynikające z nieprawidłowego doboru pól przekrojów poprzecznych przewodów elektroenergetycznych w stosunku do podłączonych urządzeń, miejsca ich pracy lub charakterystyk urządzeń zabezpieczających;
• przepięcia powstające w trakcie wyładowań atmosferycznych lub załączania urządzeń, w przypadku niestosowania zabezpieczeń przeciwprzepięciowych:załączania odbiorników o dużej mocy np. silników elektrycznych, bez układów miękkiego startu;
• przy podłączaniu do instalacji elektrycznych urządzeń, które pobierają moc większą od dopuszczalnych obciążeń oprzewodowania;
• zastosowanie przewodów wykonanych z materiału nieodpornego na działanie danego środowiska, np. wilgoci lub środków chemicznych, przez co ulegają szybkiemu zniszczeniu;
• łączenie przewodów poprzez zginanie, skręcanie lub lutowanie zamiast stosowania odpowiednich złącz śrubowych (m. in. wpływ rezystancji zestykowej);
• brak zabezpieczenia przewodów w miejscach narażonych na uszkodzenie mechaniczne;
• montowanie puszek rozdzielczych gniazd wtykowych lub włączników na palnych (np. drewnianych) konstrukcjach, bez izolacji z materiału niepalnego;
• wadliwe załączanie i wyłączanie urządzenia (źle włożona wtyczka w gniazdko, źle ustawiona dźwignia załącz/wyłącz);
• załączanie urządzeń w pełni obciążonych lub zahamowanych, co powoduje nadmierne nagrzewanie się uzwojeń;
• niezupełne lub zbyt silne dokręcenie żarówki (źródła światła) – niedokręcona żarówka iskrzy i nagrzewa oprawkę, natomiast zbyt silnie dokręcona żarówka powoduje uszkodzenia cokołu i zwarcie elektrod z oprawką;
• nieumiejętne wykonanie napraw, czy też stosowanie nieodpowiednich materiałów;
• pozostawienie pod napięciem urządzeń grzejnych w pobliżu materiałów palnych;
• składowanie przy instalacji elektrycznej materiałów palnych o niskiej temperaturze zapłonu, np. tkanin itp.;
• owijanie żarówek papierem lub zaczepianie palnej dekoracji;
• łączenie pralek, telewizorów, lamp prowizorycznymi przewodami o uszkodzonej izolacji lub zbyt niskim polu przekroju poprzecznego;
• „naprawianie” drutem wkładek bezpiecznikowych;
• nieprawidłowy dobór bezpieczników do zastosowanych przekrojów przewodów w instalacji;
• nieprawidłowe stopniowanie zabezpieczeń;
• brak zabezpieczeń termicznych;
• tworzenie nielegalnych przyłączy do sieci elektroenergetycznej, zwykle bez jakichkolwiek zabezpieczeń.

Z pewnością powyższy katalog rozwiązań nie jest kompletny, jednak przyczyny te są najczęściej spotykane. Wraz z rozwojem techniki pojawiają się nowe zagrożenia. Przykładem może być rosnące wykorzystanie ogniw wtórnych, nie tylko w przemyśle motoryzacyjnym. W Skandynawii, celem regulacji mocy wytwarzanej, zamiast budowy elektrowni szczytowych, wprowadza się magazyny energii w postaci kontenerów zawierających baterie litowo-jonowe o pojemności nawet 2,4 MWh.Innym problemem są instalacje fotowoltaiczne. Miejscowe uszkodzenia (tzw. hot spoty), czy brak zabezpieczeń przeciwprzepięciowych, wreszcie brak obowiązku stosowania środków technicznych ograniczających napięcie dotykowe stanowi wyzwanie na najbliższą przyszłość dla konstruktorów, członków komitetów technicznych, ale i ustawodawcy.

Wnioski

Zagrożenie pożarowe stwarzane przez urządzenia i instalacje elektryczne towarzyszy naszej cywilizacji od wielu dziesięcioleci. Mimo znacznej świadomości, a także mimo dostępności różnorakich rozwiązań technicznych i organizacyjnych, ciągle instalacje i urządzenia elektryczne stanowią znaczącą przyczynę pożarów.

W kontekście ochrony przeciwpożarowej, istotne jest oddziaływanie pożaru na przewody elektryczne, których zadaniem jest zapewnienie ciągłości dostaw energii elektrycznej, czy też ciągłości przesyłu sygnałów. W celu głębszego spojrzenia na ten problem opracowano prosty model fizyczny (pseudotrójwymiarowy) procesu nagrzewania przewodu narażonego na oddziaływanie pożaru. Wykorzystując znane prawa fizyczne, dokonano szacowania wzrostu rezystywności miedzianej żyły przewodu, a następnie spadku napięcia (dla warunków obciążenia przewodu zbliżonych do znamionowych) w przeliczeniu na jednostkę długości przewodu.

Spadek napięcia zasilania silników elektrycznych przekładać się będzie na ich osiągi. W pewnych granicach swojej charakterystyki, w celu utrzymania oddawanej mocy, będzie wzrastał prąd płynący przez uzwojenia. Zmianie ulegnie prędkość obrotowa wirnika oraz wytwarzany moment obrotowy. Posłużono się danymi eksperymentalnymi, w celu zobrazowania postawionego problemu.

Zmiana parametrów pracy silników elektrycznych wpływać będzie na działanie pomp zasilających stałe urządzenia gaśnicze. Zjawisko spowoduje przesunięcie punktu pracy pompy na jej charakterystyce, co należy przewidywać w procesie projektowania instalacji stałych urządzeń gaśniczych.

Powszechność stosowania instalacji i urządzeń elektrycznych powoduje także zagrożenie związane z palnością ich elementów składowych. Wraz ze wzrostem temperatury otocznia będzie postępować niszczenie poszczególnych elementów, rozkład termiczny materiałów, a w konsekwencji ich zapłon. Szczególnie ważne są kwestie toksyczności produktów spalania, a także dymotwórczości, wpływającej w niebagatelny sposób na bezpieczeństwo ewakuacji użytkowników danego budynku.Wreszcie, na podstawie wielu dekad doświadczeń z wykorzystaniem instalacji i urządzeń elektrycznych, jak również spoglądając na statystyki, można określić najpopularniejsze przyczyny pożarów, związane z powszechnością użytkowania energii elektrycznej.

Literatura

1. Barasiński A.: Obciążalność prądowa instalacji elektrycznych w aspekcie bezpieczeństwa pożarowego budownictwa energooszczędnego, Rozprawa doktorska, Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny, Częstochowa 2016.
2. PN-EN 1991-1-2:2006 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje -- Część 1-2: Oddziaływania ogólne -- Oddziaływania na konstrukcje w warunkach pożaru.
3. Sosnowski I.: Metody badań palności kabli, Elektrosystemy IV, 2009.
4. Czaja P., Barasiński A.: Zachowanie się przewodów i kabli w pożarach, Prace naukowe akademii im. Jana Długosza w Częstochowie, Tom I, 2013, II Międzynarodowa Konferencja Naukowa: Inżynieria Bezpieczeństwa a Zagrożenia Cywilizacyjne - Wyzwania dla Bezpieczeństwa, Częstochowa 10-11 czerwca 2013 r.
5. www.technokabel.com.pl; Informator techniczny, 2007.
6. PN-EN 60332-1-2:2010 Badania palności kabli i przewodów elektrycznych oraz światłowodowych. Sprawdzenie odporności pojedynczego izolowanego przewodu lub kabla na pionowe rozprzestrzenianie się płomienia. Metoda badania płomieniem mieszankowym 1 kW.
7. 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.
8. PN-EN 61034-2:2010 Pomiar gęstości dymów wydzielanych przez palące się przewody lub kable w określonych warunkach. Metoda badań i wymagania.
9. 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.
10. Markiewicz H.: Instalacje elektryczne – wydanie ósme zmienione, WNT, Warszawa, 2012;
11. 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).
12. Wiatr J., Boczkowski A., Orzechowski M.: Ochrona przeciwporażeniowa oraz dobór przewodów i ich zabezpieczeń w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia, Dom Wydawniczy Medium, Warszawa, 2010;
13. Skiebko E.: Urządzenia i instalacje elektryczne źródłem pożaru, Czasopismo Zabezpieczenia, Nr 1/2006;
14. Uczciwek T.: Bezpieczeństwo i higiena pracy oraz ochrona przeciwpożarowa  w elektroenergetyce, SEP, Warszawa, 1998;
15. Profit-Szczepańska M., Terlikowski T.: Katalog właściwości palnych i termicznych, materiałów i wyrobów celulozopochodnych, tworzyw oraz włókien syntetycznych, Firex, Warszawa, 1997;
16. Ptak S., Kustra P., Pracownia podstaw elektrotechniki i elektroenergetyki w pożarnictwie, skrypt do zajęć laboratoryjnych, Warszawa 2018.
17. Barasiński A., Flasza J.: The influence of electromagnetic interference of electrical work in fire, Przegląd Elektrotechniczny, 12b/2012; XXII Sympozjum środowiskowe PTZE: Zastosowania Elektromagnetyzmu w Nowoczesnych Technikach i Informatyce, Sandomierz, 9-12 września 2012 r.;
18. Kulas S.: Tory prądowe i układy zestykowe, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2008;
19. Barasiński A., Flasza J.: Analiza pracy maszyn elektrycznych wirujących prądu przemiennego z uwzględnieniem spektrum nagrzewania w zakresie niszczących warunków termicznych, Zeszyty Problemowe – Maszyny elektryczne, Nr 2/2012; XXI Seminarium Naukowo-Techniczne BOBRME Komel: Problemy Eksploatacji Maszyn i Napędów Elektrycznych, Rytro, 23-25 maja 2012 r.