Ochrona przeciwpożarowa kabli i przewodów (część 1.)

Według dyrektywy Unii Europejskiej 89/106/EEC z grudnia 1988 r. jakość materiałów i wyrobów budowlanych powinna być taka, aby dobrze zaprojektowany i wykonany budynek mógł spełniać następujące wymagania:

• nośność i stateczność,
• bezpieczeństwo pożarowe,
• higiena i zdrowie,
• bezpieczeństwo użytkowania,
• ochrona przed hałasem,
• oszczędność energii i zachowanie ciepła.

Analizując zagrożenie związane z eksploatacją instalacji elektrycznych, okazuje się, że znaczna część pożarów powstaje na skutek niewłaściwego doboru, użytkowania i wykonania instalacji, a zwłaszcza przewodów i kabli elektrycznych.

Bezpieczeństwo użytkowania instalacji w budynkach sprowadza się głównie do zapewnienia ochrony przed:

• porażeniem prądem elektrycznym,
• prądami przetężeniowymi,
• przepięciami łączeniowymi oraz pochodzącymi od wyładowań atmosferycznych,
• negatywnymi skutkami oddziaływania cieplnego,
• negatywnym oddziaływaniem na środowisko i otoczenie.

Z punktu widzenia bezpieczeństwa pożarowego najważniejszym zagadnieniem jest zapewnienie ochrony przed oddziaływaniem cieplnym instalacji na otoczenie i odwrotnie. Aby zmniejszyć ryzyko powstania pożaru i ograniczyć negatywne skutki, należy na etapie projektowania właściwie dobrać rozwiązania i zapewnić późniejsze poprawne wykonanie instalacji.

Dobór kabli lub przewodów polega na wyznaczeniu minimalnego ich przekroju ze względu na:

• długotrwałą obciążalność prądową i przeciążalność,
• warunki zwarciowe,
• spadek napięcia,
• skuteczność ochrony przeciwporażeniowej.

Bardzo istotnym zagadnieniem jest dobór właściwej izolacji ze względu na napięcie nominalne. Przewód lub kabel o niepoprawnie dobranej izolacji będzie ulegał szybkiemu nagrzewaniu wskutek prądów upływowych, które w konsekwencji mogą doprowadzić do zapalenia się izolacji. Dobierając kable lub przewody należy również przeanalizować warunki środowiskowe, w jakich będą one pracowały. Wytyczne w zakresie doboru przewodów do warunków otoczenia zostały przedstawione w tabeli 1.

Nagrzewanie się przewodów i kabli przez prąd elektryczny

Zgodnie z prawem Joule’a, we wszystkich przewodach, w których płynie prąd, a które posiadają niezerową rezystancję, wytwarza się ciepło, które można obliczyć ze wzoru:

gdzie:

ΔP=k⋅I²⋅R – moc wydzielona na rezystancji zastępczej, w [W],

k – współczynnik zależny od liczby faz lub biegunów, przez które przepływa prąd (k=3 dla obwodów trójfazowych; k=2 dla obwodów jednofazowych),

R – rezystancja jednej fazy lub bieguna, w [Ω],

I – prąd przepływający przez przewód, w [A],

t – czas przepływu prądu, w [s].

Część wytworzonego ciepła powoduje wzrost temperatury, a część zostaje oddana do otoczenia. Ilość oddanego do otoczenia ciepła jest tym większa, im mniejsza jest pojemność cieplna izolacji oraz większa różnica temperatur pomiędzy nagrzewanym elementem a otoczeniem. Ilość wytworzonego ciepła w głównej mierze zależy od wartości płynącego prądu. Dodatkowym oporem, jaki napotyka płynący prąd, jest rezystancja styków w miejscach łączenia przewodów.Punktem wyjścia do rozważań na temat nagrzewania się przewodów jest bilans cieplny, który można wyrazić następującym równaniem [1]:

gdzie:

I – prąd płynący przez przewód, w [A],

R – rezystancja przewodu, w [Ω],

b – współczynnik balastu cieplnego przewodu,

c – ciepło właściwe żyły, w [W⋅s/ mm³⋅K],

s – przekrój żyły przewodu, w [mm²],

Θ – przyrost temperatury żyły przewodu ponad temperaturę otoczenia, w [K],

L – długość przewodu, w [m],

k – oporność cieplna, w [K⋅m/W].

Lewa strona równania (2) oznacza ilość ciepła dostarczonego do przewodu w czasie dt. Prawa strona równania określa ilość ciepła powodującą podwyższenie temperatury przewodu oraz ilość ciepła oddaną do otoczenia. Wielkość: b⋅c⋅s⋅k=T określa stałą czasową, która jest miarą szybkości osiągnięcia przez przewód ustalonej temperatury. W wyniku rozwiązania równania (2) otrzymuje się:

gdzie:

Θ_t – przyrost temperatury przewodu po czasie t, w [K],

Θ_ust. – przyrost temperatury, który ustaliłby się przy długotrwałym przepływie prądu, w [K],

Θ_pocz. – przyrost temperatury w chwili początkowej, w [K],

T – cieplna stała czasowa, w [s].

Przebieg czasowy nagrzewania się przewodów został przedstawiony na rysunku 1.

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń można określić T jako czas, w którym przyrost temperatury przewodu określa 0,63 przyrostu ustalonego. Krzywa nagrzewania przewodów powstaje przy założeniu dostarczania i oddawania ciepła. Gdyby założyć nagrzewanie bez oddawania ciepła, temperatura przewodu wzrosłaby według prostej Θ_pocz., (2), a więc do nieskończoności. Z przeprowadzonych rozważań wynika, że istnieje wartość prądu, która może przepływać nieskończenie długi czas i nie spowoduje uszkodzenia przewodu oraz jego izolacji. Na podstawie równania stanu ustalonego można zapisać następującą zależność:

gdzie:

λ⋅S=1/K’; λ – straty ciepła na jednostkę przewodu w [W/mm²⋅K],

S – powierzchnia zewnętrzna przewodu, w [mm²].

Jest to wzór teoretyczny, który posłużył do opracowania tabel dopuszczalnej obciążalności prądowej kabli i przewodów; wartości dopuszczalnych długotrwale obciążeń prądowych podają producenci kabli i przewodów katalogach wyrobów.

Oprócz dopuszczalnego długotrwale prądu obciążenia określa się maksymalną dopuszczalną temperaturę w warunkach normalnych oraz przy zwarciu. W warunkach zwarciowych występują duże prądy, znacznie większe niż w warunkach normalnych. Podczas zwarcia mamy do czynienia z adiabatycznym wydzielaniem ciepła. Temperatura przewodu oraz izolacji gwałtownie rośnie i może być przyczyną zapłonu izolacji. W tabeli 2. zostały przedstawione dopuszczalne temperatury pracy w warunkach normalnych oraz podczas zwarcia dla kabli i przewodów powszechnie stosowanych w elektroenergetyce.

Przekroczenie tych temperatur w czasie normalnej eksploatacji grozi zainicjowaniem zapłonu i szybkiego rozprzestrzeniania się ognia. Należy również zauważyć, że dopuszczalna temperatura powstająca przy zwarciu jest określona dla czasów trwania zwarć nie dłuższych niż 5 s. W związku z tym podstawowym środkiem ograniczającym możliwość zapłonu kabli i przewodów elektrycznych wskutek przepływu prądu jest właściwe ich zabezpieczenie przed skutkami zwarć oraz przeciążeń, oraz właściwa koordynacja dobranych zabezpieczeń i przekrojów poszczególnych żył. Przebieg czasowy nagrzewania się przewodów w czasie zwarcia przedstawiono na rysunku 2.

Ograniczenie prądu zwarciowego

Ograniczenia prądu zwarciowego można dokonać:

• pasywnie, poprzez projektowanie układów o zwiększonej impedancji zwarciowej Z_k, tzn. poprzez unikanie zbyt dużej mocy nominalnej transformatorów (generatorów) zasilających, prowadzenie równolegle ułożonych przewodów itp.
• aktywnie, poprzez szybkie wyłączenie zwarcia przez urządzenie wyłączające o wymuszonym gaszeniu łuku, które nie dopuszcza do wystąpienia spodziewanej szczytowej wartości prądu zwarciowego.

Jako zabezpieczenie stosuje się zarówno bezpieczniki topikowe, jak i wyłączniki nadprądowe. Przebieg wyłączenia prądu zwarciowego przedstawiono na rysunku 3.

W wyłącznikach ograniczających od chwili elektrodynamicznego odrzutu styków (punkt 1 na rysunku 3b) mija znaczny czas do chwili ugaszenia łuku. W przypadku bezpieczników topikowych punkty 1 i 2 na rysunku 3a pokrywają się. Oznacza to, że bezpiecznik topikowy znacznie lepiej ogranicza skutek cieplny wywoływany przez prąd zwarciowy.

Producenci bezpieczników i wyłączników ograniczających podają charakterystyki prądu ograniczonego, z których można odczytać maksymalną wartość prądu zwarciowego przepuszczaną przez nie przy spodziewanym prądzie początkowym zwarcia. Dla przykładu przy prądzie początkowym Ik”=17,5 kA wkładka bezpiecznikowa WTNgG63 skutecznie ogranicza prąd do wartości 6,5 kA (rys. 4.). Natomiast wyłącznik ograniczający wymaga większego czasu. Wyłącza praktycznie przy drugim naturalnym przejściu prądu przez zero. Efekt cieplny charakteryzowany całką Joule’a jest zatem w bezpiecznikach topikowych znacznie mniejszy niż w wyłącznikach ograniczających, które przepuszczają cały prąd zwarciowy.

W celu ograniczenia prądów zwarciowych stosuje się również inne rozwiązania, takie jak:

• stosowanie transformatorów o zwiększonym napięciu zwarcia, co powoduje wzrost impedancji źródła,
• wzrost impedancji obwodu zwarciowego poprzez właściwy podział obwodów odbiorczych wykonywanych przewodami o mniejszych przekrojach.

Dlatego też dla zachowania bezpieczeństwa pożarowego przewody oraz ich zabezpieczenia powinny być dobierane zgodnie z wymaganiami aktualnie obowiązujących norm i przepisów techniczno-prawnych. Źle dobrany przewód lub jego zabezpieczenie może być przyczyną zainicjowania pożaru na skutek przepływu prądów przetężeniowych, które powodują gwałtowny wzrost temperatury izolacji przewodów. Zagrożenie pożarowe mogą stwarzać również powszechnie stosowane w instalacjach elektrycznych ograniczniki przepięć, jeżeli zostaną pozbawione dodatkowych zabezpieczeń lub przyłączone przewodami o zbyt małym przekroju.

Wyłącznik różnicowoprądowy jako element ochrony przeciwpożarowej

W każdej instalacji elektrycznej występują prądy upływu, które są wynikiem skończonej rezystancji izolacji przewodów. W budynkach powszechnie są stosowane wyłączniki różnicowoprądowe jako środek dodatkowej ochrony przeciwporażeniowej. Wyłączniki te przy prądzie I_Δn≤300 mA doskonale nadają się do ochrony przeciwpożarowej.

Prąd upływowy o wartości I_Δn≤300 mA wskutek przepływu przez podłoże palne powoduje wydzielenie energii, która nie jest w stanie spowodować zapłonu. W tabeli 3. przedstawiono porównanie różnych zabezpieczeń w instalacjach powszechnego użytku w zależności od granicznych parametrów ich zadziałania.

Podane w tabeli 3. wartości należy traktować jako orientacyjne z uwagi na rozrzut parametrów urządzeń zabezpieczających. Należy jednak pamiętać, że wyłącznik różnicowoprądowy reaguje tylko na doziemne uszkodzenia. Prądy upływu zamykające się między żyłami roboczymi przewodów nie będą wykrywane i wyłączane przez te urządzenia. Wyłączenie takiego obwodu z uszkodzoną izolacją roboczą nastąpi w momencie przekroczenia prądu zadziałania zabezpieczenia nadmiarowo-prądowego.

Przy inicjacji pożaru spowodowanego przez urządzenia elektryczne bardzo ważnym parametrem jest czas trwania zwarcia. Dlatego w zeszycie 41. normy PNIEC 60364 zostały określone czasy dotyczące ochrony przeciwporażeniowej. Praktyka pokazuje, że spełnienie wymagań w zakresie czasu samoczynnego wyłączenia określonego przez zeszyt 41. normy PN-IEC 60364 sprawi, że nagrzanie przewodów wskutek działania prądów zwarciowych nie spowoduje zainicjowania zapłonu izolacji. W przypadku, gdy instalacja jest narażona na obecność palnych pyłów, celowe jest przyjęcie granicznego prądu upływu o wartości równej 0,1 A [3].

Uszkodzenie izolacji w przewodzie wielożyłowym pomiędzy żyłami roboczymi powoduje przepływ prądu i wydzielenie energii w ścieżce upływu, która spowoduje podgrzewanie oraz postępującą degradację izolacji. Powstające w wyniku tego zjawiska ciepło jest odprowadzane do ziemi poprzez izolację powłoki przewodu, która tym samym jest narażona na uszkodzenie. Wynika z tego, że uszkodzenia izolacji roboczej powodują uszkodzenia izolacji doziemnej (powłoki przewodu) i zadziałanie wyłącznika różnicowoprądowego. Takie wnioskowanie może prowadzić do błędnej oceny, gdyż zadziałanie wyłącznika nastąpi wskutek wtórnego zjawiska towarzyszącego zwarciu wewnętrznemu, które powoduje degradację powłoki przewodu. To negatywne zjawisko można by wyeliminować przez produkcję przewodów wielożyłowych tak, by uziemiony przewód ochronny PE znajdował się pomiędzy żyłami roboczymi. Graficznie zostało to przedstawione na rysunku 5.

Zagrożenia stwarzane przez palące się kable

W praktyce nie można wykluczyć możliwości powstania pożaru wskutek działania termicznego kabli i przewodów. Cechą charakterystyczną kabli i przewodów elektrycznych jest łatwość zapłonu, czyli mała odporność na działanie zewnętrznych źródeł ognia, w praktyce określana najniższą wartością temperatury otoczenia, przy której na stępuje samozapalenie się materiału izolacji oraz wartością temperatury zapłonu, tj. wartością najniższej tempera tury, w której pary substancji tworzą z powietrzem mieszaninę wybuchającą i oraz temperatury zapalenia. Palące się kable i przewody charakteryzują następujące cechy:

• dymotwórczość, zwana inaczej stopniem zadymienia spalin lub gęstością optyczną dymów. Polega ona na określeniu minimalnej wartości przepuszczalności (transmisji) światła przez dym powstały podczas spalania kabla w zdefiniowanych warunkach lub przy pomiarze współczynnika osłabienia kon trastu,
• korozyjność – czyli, jaki współczynnik pH posiadają gazy powstałe w wyniku spalania materiałów izolacji,
• toksyczność gazów – czyli, ile przy spalaniu wydziela się toksycznego pro duktu (gazu, np. CO, CO₂, HCN, NO₂, HCl, SO₂) rozkładu i spalania (wyrażone go w gramach) z jednostki masy materiału spalanego (w gramach),
• stopień wydzielania ciepła podczas pożaru – czyli kinetyka ciepła, inaczej gęstość strumienia energii cieplnej wy dzielanej przez palący się materiał, który ma wpływ na potęgowanie pożaru, a zale ży od masy i ciepła spalania materiału,
• rozprzestrzenianie płomieni po powierzchni materiału, 
• stopień spalenia.

Najbardziej niebezpiecznymi gazami powstałymi w procesie palenia się kabli są: dwutlenek węgla (CO2), tlenek węgla (CO), cyjanowodór (HCN), tlenki siarki (SO2, SO3), fluorowodór (HF), bromowodór (HBr) oraz chlorowodór (HCl), wydzielający się głównie przy paleniu się polichlorku winylu.

Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [12], określono, że w budynkach o kubaturze 1000 m³ lub większej oraz w budynkach, lub pomieszczeniach zagrożonych wybuchem należy instalować przeciwpożarowy wyłącznik prądu. Wyłącznik ten nie może jednak wyłączać zasilania obwodów urządzeń pożarowych, do których należy zaliczyć:

• windy przeznaczone dla ekip ratowniczych,
• pompy pożarowe,
• oświetlenie awaryjne,
• dźwiękowy system ostrzegania (DSO),
• wentylację pożarową,
• system sygnalizacji pożarowej.

Przewody zastosowane do budowy tych obwodów powinny zapewnić ciągłość dostawy energii elektrycznej oraz możliwość przekazywania sygnałów przez wymagany czas działania urządzenia określony w przepisach: 30, 60 lub 90 min.

Palące się kable i przewody wydzielają zarówno dym, jak i agresywne gazy. Poddana działaniu ognia izolacja kabli (przewodów) może podsycać pożar, jeśli zawiera dużo materiałów palnych. Paląca się izolacja przewodów może powodować rozprzestrzenianie się ognia wzdłuż trasy ich ułożenia, a wydzielający się dym i toksyczne produkty rozkładu powodują dodatkowe zagrożenie dla ludzi. Dyrektywa 89/106EEC dotycząca wyrobów budowlanych i bezpieczeństwa pożarowego w budynkach, uwzględniająca kable jako jeden z rodzajów wyrobów budowlanych, nakazuje projektowanie i wykonywanie instalacji elektrycznych w taki sposób, aby nie były one przyczyną powstawania pożarów oraz ograniczały ich rozprzestrzenianie.

Zmniejszenie zagrożenia pożarowego może być osiągnięte przez odpowiedni dobór materiału izolacyjnego kabla lub przewodu, który w wyniku wysokiej temperatury w czasie pożaru będzie wydzielał niewielkie ilości substancji lotnych. Ponieważ substancje te zwykle podtrzymują palenie i ułatwiają rozprzestrzenianie się ognia, producenci niejednokrotnie wprowadzają do materiałów izolacyjnych środki niepalne lub samogasnące. Konieczna jest zatem znajomość właściwości ogniowych tych środków, tzn. palności, szybkości wydzielania ciepła, emisji związków toksycznych i dymu oraz szybkości rozprzestrzeniania się płomienia po jej powierzchni. Dodatkowo bada się też stopień kwasowości (korozyjność) gazów powstających w czasie spalania izolacji. Materiał izolacyjny z dodatkami niepalnymi jest odporny na temperatury przekraczające 200°C. Przykładem takiej izolacji jest powłoka kabla produkcji japońskiej zastosowanego w instalacjach w warszawskim metrze. Zbudowana jest ona z polietylenu usieciowanego Sunikon RM-E-1600, modyfikowanego przeciwogniowo dużą ilością wodorotlenku glinu. Materiał ten nie ulega rozkładowi nawet w temperaturze ok. 400°C, a przy 900°C ubytek jego masy wynosi jedynie ok. 50 % masy początkowej. Izolację powinna też charakteryzować niewielka szybkość wydzielania ciepła (poniżej 200 kW/m2), mała toksyczność produktów rozkładu termicznego, mała intensywność dymienia i szybkość rozprzestrzeniania się płomienia [19].

W celu wyeliminowania zagrożeń stwarzanych przez toksyny powstające podczas palenia się izolacji kabli lub przewodów, należy stosować przewody i kable o izolacji bezhalogenkowej. Kable te nie tylko nie wydzielają toksycznych gazów, ale umożliwiają również nieprzerwaną dostawę energii elektrycznej. Zastosowane w tradycyjnych izolacjach kabli halogenki czyli pierwiastki z grupy chlorowców: chlor (w polichlorku winylu PCW), fluor, brom (ochrona przed płomieniem) i jod powodują w czasie spalania wydzielanie się tych substancji do otoczenia. Natomiast w izolacji kabli wolnych od halogenków zastosowano powłokę zewnętrzną wolną wykonaną z polimerów na bazie czystych tworzyw węglowodorowych, np. polietylenu lub polipropylenu. Podczas spalania tego rodzaju materiałów nie powstają korozyjne ani toksyczne gazy, wydzielany jest tylko dwutlenek węgla oraz para wodna. Dodatkowo, w celu uzyskania trudnozapalności i samogaśnięcia izolacji, dodaje się do nich np. wodorotlenek glinu, z którego po ogrzaniu zostaje wytrącona woda, co powoduje utrudniony dostęp tlenu do strefy spalania.

Kable do pracy w wysokiej temperaturze

Do podtrzymania podstawowych funkcji instalacji elektrycznej w przypadku pożaru są stosowane specjalne kable odporne na działanie wysokiej temperatury. W zależności od minimalnego czasu sprawnego działania kabli – odpowiednio 30, 60, 90 minut – mogą one mieć różne klasy podtrzymania funkcji E30, E60 i E90 (DIN VDE 4102 cz. 12) [20] lub klasy odporności ogniowej PH15, PH30, PH60, PH90 (PN-EN 50200) [21].

Do obiektów o podwyższonych wymaganiach przeciwpożarowych, takich jak: budynki handlowe, hotele, kina, teatry, szpitale, muzea, centra przetwarzania danych, centrale telefoniczne, banki, dworce lotnicze, można jeszcze zaliczyć m.in. elektrownie, kopalnie, stocznie i tunele. Kable do pracy w podwyższonej temperaturze są stosowane także w instalacjach elektrycznych lokomotyw oraz do podłączenia akumulatorów [18].

Literatura

1. T. Kahl, Sieci elektroenergetyczne, WNT, Warszawa 1976.
2. E. Musiał, Prądy zwarciowe w niskonapięciowych instalacjach i urządzeniach prądu przemiennego, „INPE” nr 40, lipiec-sierpień 2001.
3. E. Musiał, Przydatność wyłączników różnicowoprądowych do przeciwpożarowej ochrony budynków, Konferencja Naukowo-Techniczna „Instalacje i urządzenia elektryczne w strefach zagrożonych pożarem i wybuchem”, Zakopane 1997.
4. R. Chybowski, W. Jaskółowski, Ograniczenie palności kabli przez zastosowanie powłok ochronnych, „elektro.info” nr 9/2005.
5. E. Skiepko, Instalacje elektryczne funkcjonujące w czasie pożaru, materiały 40. Jubileuszowej Konferencji KRGEB, Warszawa, 17 maja 2007.
6. M. Abramowicz, R. G. Adamski, Bezpieczeństwo pożarowe budynków, cz. I, SGSP, Warszawa 2002.
7. D. Adamski, Przegląd wybranych technik wykrywania zagrożeń pożarowych.
8. N SEP E 004 Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe. Projektowanie i budowa.
9. Materiały marketingowe firmy SIMENS.
10. Materiały marketingowe firmy Schrack Seconet.
11. J. Wiatr, M. Orzechowski, Poradnik projektanta elektryka, DW MEDIUM, Warszawa 2007.
12. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2002r. nr 75, poz. 690, z późniejszymi zmianami).
13. Promat. Techniczna ochrona przeciwpożarowa w budownictwie.
14. Materiały marketingowe firmy Knauf.
15. Materiały marketingowe firmy Rigips.
16. R. Chybowski, Wpływ degradacji izolacji roboczej przewodów instalacyjnych na ich izolację doziemną, materiały konferencyjne ELSAF 2005 Wrocław, wrzesień 2005.
17. PN-IEC 60364 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych.
18. H. Markiewicz, Instalacje elektryczne, WNT, Warszawa 2007.
19. K. Kuczyński, Kable i przewody elektroenergetyczne w zastosowaniach specjalnych, „elektro.info” nr 5/2007.
20. DIN 41021-12 Zachowanie się materiałów i elementów budowlanych pod wpływem ognia. Podtrzymywanie funkcji urządzeń w czasie pożaru. Wymagania i badania.
21. PN-EN 50200 Metody badania palności cienkich przewodów i kabli bez ochrony specjalnej stosowanych w obwodach zabezpieczających.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!