Zagrożenia powstające przy spalaniu izolacji, kabli lub przewodów elektrycznych

Jak wynika ze statystyk opracowanych przy Komendę Główną Państwowej Straży Pożarnej wady lub awarie instalacji elektrycznych stanowią ok. 8% przyczyn wszystkich pożarów (rys. 1.).

Jeśli jednak rozważać pożary tylko w budynkach: mieszkalnych, użyteczności publicznej i produkcyjnych, to wady, awarie i nieprawidłowa eksploatacja urządzeń i instalacji elektrycznych stanowią przyczynę ok. 25% pożarów w tej kategorii obiektów budowlanych.

Na podstawie danych statystycznych trudno jednoznacznie ocenić szczegółową przyczynę pożarów od instalacji i urządzeń elektrycznych.

W analizie zagrożenia pożarowego istotne jest rozgraniczenie zagrożeń powstałych w wyniku określonych cech pożarowych kabli lub przewodów od zagrożeń wynikających z warunków otoczenia, w których instalacje elektryczne są eksploatowane, tzn. konstrukcji budynków, wyposażenia w techniczne systemy zabezpieczeń przeciwpożarowych (systemu wczesnego wykrywania pożaru, klap pożarowych itp.), istnienia wentylacji o określonej wydajności lub jej braku itp.

Projekt, wykonanie, a w późniejszym okresie prawidłowa eksploatacja instalacji i odbiorników energii elektrycznej użytkowania mają ogromne znaczenie w niezawodności pracy urządzeń, a co za tym idzie, wpływają na ryzyko powstania pożaru od wad i nieprawidłowej eksploatacji instalacji elektrycznych.

Zagrożenie pożarowe kabli i przewodów elektrycznych istotnie determinują właściwości palne (cechy pożarowe) materiałów powłokowych i izolacyjnych tworzących ich strukturę wraz z warunkami eksploatacyjnymi i środowiskiem, w którym są użytkowane.

Przewody i kable elektryczne są integralną częścią budynków, co powoduje narażenie ich na oddziaływanie płomienia, tak jak innych elementów jego wyposażenia. Zatem do pożaru instalacji elektrycznej może dojść także w wyniku przyczyn nieelektrycznych [1–6].

Ogólna charakterystyka przebiegu pożaru i kryteria bezpieczeństwa ludzi

Pożar zaliczany jest do żywiołów, które stanowią poważne zagrożenie. Jest on jest niekontrolowanym w czasie i przestrzeni procesem spalania różnych typów materiałów w zależności od miejsca jego występowania. Inicjacja pożaru w budynku prowadzi do powstania środowiska pożaru w budynku i jego otoczeniu, w którym rozprzestrzenia się strefa spalania, powstają toksyczne produkty rozkładu termicznego i spalania, a także dym.

Zagrożenie pożarowe definiuje się jako zespół zjawisk prowadzących do wytworzenia płomienia bądź strumieni ciepła o mocy przewyższającej krytyczną moc strumienia ciepła, niezbędnego do zapoczątkowania reakcji spalania.

Od chwili zainicjowania pożaru może on przebiegać w różny sposób uzależniony od warunków środowiskowych, a także od fizycznego rozmieszczenia materiałów palnych. Jednakże można ustalić ogólny model rozwoju pożaru pomieszczenia, gdzie ogólna krzywa temperatura – czas wykazuje trzy fazy oraz dodatkowo fazę zanikania (rys. 2.).

Faza pierwsza tzw. rozkład bezpłomieniowy, jest początkową fazą pożaru, z małym wzrostem temperatury w pomieszczeniu, przed spalaniem się ustalonym płomieniem. Podczas trwania tej fazy głównymi zagrożeniami są wytwarzające się dymy oraz toksyczne produkty rozkładu materii.

Faza druga, tzw. rozwijający się pożar, rozpoczyna się zapaleniem, a kończy wykładniczym wzrostem temperatury w pomieszczeniu objętym pożarem. W czasie trwania tej fazy głównymi zagrożeniami są rozprzestrzenianie się płomienia, wydzielanie ciepła oraz dymu i toksycznych lotnych produktów rozkładu materii.

Faza trzecia, tzw. pożar całkowicie rozwinięty, zaczyna się, gdy powierzchnia całej zawartości palnej pomieszczenia ulega rozkładowi w takim stopniu, że następuje nagłe zapalenie wszystkich materiałów palnych w całym pomieszczeniu, któremu towarzyszy gwałtowny i duży wzrost temperatury. Faza ta jest poprzedzona rozgorzeniem, które stanowi detonacyjne spalanie dymu. Pod koniec fazy trzeciej materiały palne i tlen w znacznym stopniu są zużyte i przez to temperatura zmniejsza się z szybkością zależną od przewietrzania i charakterystyki przenoszenia ciepła przez budynek. To zjawisko jest określane jako faza zanikania pożaru. W każdej z faz rozwoju pożaru występuje różny stopień zagrożenia. Dla bezpiecznej i skutecznej ewakuacji kluczową jest I faza pożaru.

Przyjętym ogólnym kryterium bezpieczeństwa życia ludzi w pożarach budynków i obiektów budowlanych (ang. tenability criteria), z punktu widzenia efektywnej ewakuacji, jest to, aby dostępny czas bezpiecznej ewakuacji (DCBE) był większy niż czas wymagany do bezpiecznej ewakuacji (WCBE) (rys. 3.).

W odniesieniu do szacowanych czasów ewakuacji należy przeanalizować czas, po jakim zostanie przekroczone przynajmniej jedno z kryteriów bezpiecznej ewakuacji (stan krytyczny). Stan krytyczny może odnosić się do: emisji produktów rozkładu termicznego i spalania, temperatury pożaru, poziomu promieniowania cieplnego, stężenia tlenu oraz zasięgu widzialności.

Przyczyny zagrożeń pożarowych powstających podczas eksploatacji urządzeń i instalacji elektroenergetycznych

W środowisku pożarowym transfer i wymiana ciepła zachodzą w różny sposób, przy dominującym wpływie jednego sposobu wymiany, w zależności od fazy pożaru. W stanach awaryjnych urządzeń i instalacji elektrycznych (złe chodzenie urządzeń, przeciążenia, zwarcia itp.), często osiągany jest stan cieplny, który może być niebezpieczny pożarowo.

Przykładowo, wadliwie działające instalacje i urządzenia elektryczne prowadzące do przegrzania lub wyładowania iskrowego stają się przemysłowymi termicznymi inicjatorami spalania, szczególnie mieszanin par i gazów z powodu ich dużej wrażliwości na zapłon. Minimalna energia zapłonu (MEZ) dla tych mieszanin mieści się w granicach 0.001 do 1 mJ. Znacznie większe MEZ charakteryzuje mieszaniny pyłowo-powietrzne (1000 mJ).

W warunkach przegrzania, np. przyrostu temperatury, urządzenia czy instalacje mogą osiągać temperatury graniczne, których wartości podawane są w instrukcjach, katalogach i normach odpowiednich dla danego typu przewodu, aparatu lub odbiornika elektrycznego. Przekroczenie tych temperatur może spowodować nagrzanie żył przewodów, prowadząc do zmniejszenia ich wytrzymałości na zerwanie, starzenie izolacji, a przez to utraty właściwości dielektrycznych. Najczęstszą przyczyną przegrzania jest ich złe chłodzenie. Czynnikami mogącymi doprowadzić do pogorszenia chłodzenia są [3]:

• uszkodzenia wentylatorów, silników lub innych urządzeń wymuszających konwekcję,
• zły stan lub brak czynnika chłodzącego,
• praca w niewłaściwych warunkach,
• niezgodne z przepisami wykonanie instalacji.
  
  Zagrożenie pożarem występuje również w przypadkach długotrwałych przeciążeń powstałych przez:
   
• włączenie do instalacji obliczonej na określoną moc, odbiorników o mocy znacznie wyższej,
• przyłączenie do instalacji silników o mocy wyższej od dopuszczalnej dla danej instalacji,
• stosowanie zabezpieczeń o prądzie zadziałania wyższym od dopuszczalnego prądu zabezpieczonych przewodów,
• wzrost poboru prądu przez silnik trójfazowy, wskutek zaniku jednej fazy, tzw. praca niepełnofazowa,
• niedopasowanie przekroju przewodów do mocy odbiorników,
• niefachowe i niedbałe wykonanie instalacji (zjawisko bardzo częste w wiejskich budynkach gospodarczych).

Przeciążenie może w konsekwencji doprowadzić do zwarcia, a w skrajnych przypadkach do uszkodzenia przewodów i do zapalenia się łuku elektrycznego. Ani sieć przemysłowa, ani urządzenia (odbiorniki) znajdujące się wewnątrz budynku nie są przystosowane do odbioru tych ilości ciepła, które wytwarzane jest przez długotrwały prąd zwarcia. Ciepło to powoduje zniszczenia i pożary urządzeń elektrycznych oraz materiałów palnych znajdujących się w sąsiedztwie. Działanie cieplne objawia się zwęgleniem izolacji przewodów, uzwojeń, nadtapianiem przewodów, szczepianiem zestyków łączników. Jest to szczególnie groźne w miejscach tzw. zestyku elektrycznego, tj. miejsca połączeń dwóch przewodów. W skrajnych przypadkach przy prądzie zwarcia zestyk może osiągnąć temperaturę topnienia metalu (Cu, Al., Ag) i doprowadzić do zapalenia łuku. Jeżeli łuk pali się odpowiednio długo, topiący się metal rozbryzguje się, a padając na materiał palny powoduje jego zapalenie. W pomieszczeniach zamkniętych wysoka temperatura powoduje wzrost ciśnienia w otaczającej ­atmosferze, w wyniku czego następuje wydmuchiwanie łuku na zewnątrz, a w przypadkach istnienia w pobliżu materiałów palnych, natychmiastowe ich zapalenie.

Ponadto przyczyną powstawania łuku jest [2–3, 5]:

• otwieranie i zamykanie wyłączników pod obciążeniem,
• przetopienie elementu topikowego bezpiecznika.

W analizie zagrożenia pożarowego, które może powstać podczas eksploatacji przewodów i kabli w budynku, istotne wydaje się rozgraniczenie zagrożeń powstałych w wyniku określonych ich cech pożarowych, a zagrożeniem wynikającym z warunków otoczenia, w których przewody i kable są eksploatowane, tzn. konstrukcji budynków, istniejących w pomieszczeniach obciążeń ogniowych istnienia wentylacji o określonej wydajności lub jej braku itp.

W dalszej części artykułu dokonano analizy wpływu różnych czynników na szybkość generacji zagrożeń pożarowych związanych z eksploatacją instalacji elektrycznych.

Wpływ konstrukcji przewodu lub kabla

W ocenie zagrożenia pożarowego przewodów i kabli elektrycznych istotną rolę odgrywa charakterystyka cieplna tworzyw sztucznych wykorzystywanych do produkcji przewodów i kabli elektrycznych. Obecnie do najczęściej stosowanych materiałów należą [6–12]:

• polietylen (PE) – izolacje, powłoki,
• polietylen spieniony – izolacje, powłoki,
• polietylen sieciowany (XLPE) – izolacje,
• polwinity (PVC) – izolacje, powłoki,
• polipropylen (PP) – izolacje, powłoki,
• elastomery termoplastyczne (TPE) – izolacje, powłoki,
• tworzywa bezhalogenowe nierozprzestrzeniające płomienia – izolacje, powłoki,
• mika – izolacje,
• poliuretan (PU) – powłoki,
• poliamid (PA) – powłoki.

Analiza zagrożeń pożarowych stwarzanych przez kable jest trudna do opisu ze względu na [3]:

• zróżnicowaną budowę kabli, a szczególnie niejednorodną budowę powłok i izolacji,
• złożony układ linii kablowych,
• współdziałanie chemiczne żył metalowych z materiałami, które tworzą powłokę i izolację kabli,
• interakcję między kablami o podobnej budowie.

Analizy tej dokonuje się poprzez określenie cech pożarowych związanych ze spalaniem „części niemetalowych” przewodów i kabli elektrycznych. Można do nich zaliczyć parametry związane m.in. z [3, 5, 6–12]: odpornością cieplną (temperaturą początku rozkładu termicznego), wydzielaniem: produktów toksycznych, dymu oraz ciepła.

O szybkości ogrzewania się materiałów i w konsekwencji rozkładu termicznego kabla czy przewodu decydują właściwości fizykochemiczne materiału, m.in. ciepło właściwe, entalpia i inne. Temperatura początku rozkładu termicznego, która zawiera się w zakresie 200ºC (izolacje/powłoki z łatwo zapalnych gum) do 320ºC (izolacje/powłoki z sieciowanego polietylenu) decyduje o szybkości i objętości tworzącej się palnej fazy lotnej na początku I fazy pożaru, przy założeniu, że szybkość ogrzewania kabla była równa 5–15ºC/min.

Rozkład termiczny powłok/izolacji powoduje ubytek masy kabla, co ma zasadniczy wpływ na czas działania kabla w pożarze. Procentowy ubytek masy kabla, tzn. % spalonych warstw materiałów kablowych, przykładowo waha się od 50% (gumy) do 100% (powłoki/izolacje) z termoplastycznego PE. Powyższe dane oznaczają, że kabel, który traci w I fazie pożaru więcej niż 50% swojej masy, w zasadzie może przestać funkcjonować w czasie kilkunastu sekund po zapaleniu [3].

W przemyśle kablowym podstawowym tworzywem sztucznym wykorzystywanym do produkcji kabli i przewodów jest PVC (polichlorek winylu). Trzeba wiedzieć, że PVC ulega w pożarze zwęgleniu, co istotnie wpływa na czas funkcjonowania instalacji elektrycznej. Przykładowo: na początku I fazy pożaru rozkład PVC przebiega dwustopniowo: w temperaturze 80ºC następuje deformacja powłoki/izolacji, w 140ºC zaczyna ulatniać się niepalny chlorowodór, w 210ºC wydziela się 65% HCl, w 280ºC wydziela się 90% HCl, co równa się objętości 240 l chlorowodoru z 1 kg powłoki PCW. Jest to pierwsze stadium rozkładu. Drugie stadium rozkładu termicznego ma miejsce w temperaturze 350–450ºC. Rozkład powłoki PCW charakteryzuje się zwęgleniem (karbonizacją) struktury powłoki/izolacji według schematu [3].

Naturalnie zwęglenie PVC nie jest jedynym przekształceniem międzyfazowym tworzyw stosowanych w przemyśle kablowym. Według badań minimum 10% masy materiałów stosowanych w konstrukcji kabli ulega zwęgleniu w pożarze, co powoduje niekorzystne skutki w funkcjonowaniu instalacji. Powstały z rozkładu termicznego tzw. węgiel pirolityczny nie tworzy w zniszczonym kablu warstwy zwartej, lecz jako kruchy rozdrobniony produkt pirolizy – odpada od żył, odsłania je, umożliwiając bezpośrednią penetrację płomienia na żyłę, co może spowodować jej stopienie, w konsekwencji zwarcie i uszkodzenie instalacji. Pozostała niezwęglona część wykrapla się w pożarze, a spalające się, opadające krople powiększają powierzchnię spalania [3,12].

Spalanie się wiązek kabli

Spalanie się wiązek kabli lub przewodów zachodzi w zmiennych warunkach wymiany ciepła i masy w stosunku do pojedynczego kabla lub przewodów o tej samej budowie. Na zapalność i szybkość spalania się wiązek wpływa poza charakterystyką palności powłok i izolacji, sposób ich eksploatacji, tzn. liczba pojedynczych kabli w wiązce, sposób ich ułożenia (pozioma, pionowo), czy są zawieszone swobodnie, czy też prowadzone są w obudowanych ciągach kablowych oraz lokalizacja tych ciągów w stosunku do przegród budowlanych.

Analiza czasów do zapalenia i szybkości rozprzestrzeniania się płomienia dwuwarstwowych wiązek kabli PVC/PE najbardziej popularnych w Polsce i na świecie, o średnicy zewnętrznej kabla równej 11 mm, 1 mm powłoki (PVC) i PE izolacji 100 żył miedzianych, umieszczonych w aluminiowej obudowie, powyżej 3,2 mm i izolowanych ze wszystkich stron, wykazała, że w ekspozycjach cieplnych tworzących się w I fazie pożaru (40 kW/m²) wiązka kabli zapala się natychmiast, szybkość wydzielania ciepła osiąga ok. 5 kW, która po upływie kilku sekund maleje do 1 kW, w wyniku częściowego zwęglania się wiązki. Szybkość rozprzestrzeniania się płomienia osiąga 5 cm/s. Wielkość ta wskazuje, że nawet dwuwarstwowa wiązka kabli, przy ułożeniu ścisłym jednej warstwy na drugiej, zmniejsza całkowitą szybkość pionowego rozprzestrzeniania się płomienia po zewnętrznej powierzchni wiązki, ze względu na efekty pirolizy części organicznych kabli tworzących wiązkę i brak wystarczającej do spalania ilości tlenu. Obserwacja pożarów wiązek kabli w zamkniętych ciągach kablowych wskazuje, że np. w przypadku kabli z PVC po kilku sekundach spalania stężenie tlenu spada do ok. 10%, co powoduje przerwanie reakcji spalania. Zużycie materiałów powłokowo-izolacyjnych w stacjonarnej fazie pożaru, tzn. materiałów kablowych które spaliły się w pożarze, zależne jest od typu materiału. Jeśli kabel lub przewód posiada powłokę i izolację z PVC, w pożarze średnio spala się ok. 3 kg/m² PVC przy konstrukcji kabla z PVC/PE ok. 6 kg/m², natomiast przy powłoce polietylenowej o izolacji z polipropylenu ok. 8 kg/m². Spalanie materiałów powłokowych i izolacji z PVC generuje duże ilości dymu, a także sadzy (rys. 4.), które stanowią bardzo duże zagrożenie dla ludzi [3].

Dobrym wskaźnikiem szybkości spalania zarówno pojedynczych kabli lub przewodów, jak też ich wiązek w stacjonarnej fazie pożaru, jest stosunek rzeczywistego ciepła spalania kabla w pożarze (Q_sp) do rzeczywistego ciepła gazyfikacji powłok czy izolacji (Lg). Gdyby przykładowo przyjąć, że ciepło gazyfikacji materiałów powłokowo-izolacyjnych dla większości kabli waha się od 0,8 MJ/kg do 6 MJ/kg i uwzględnić zróżnicowane ciepła spalania tych materiałów, to tzw. wskaźnik szybkości spalania powłoki z PE byłby kilkakrotnie wyższy w porównaniu z szybkością spalania powłok z PCW. Ogólnie przyjmuje się, że jeśli szybkość wydzielania ciepła w czasie spalania kabla lub przewodu jest wyższa niż 100 kW, większość kabli z izolacjami (powłokami) termoplastycznymi lub gumowymi ulega uszkodzeniu w stopniu uniemożliwiającym ich dalsze funkcjonowanie. Uwaga powyższa nie dotyczy światłowodów, które będąc bardzo cienkimi włóknami, wykonanymi ze specjalnych gatunków szkła kwarcowego (SiO₂) nie spalają się. Podobnie kable i przewody w powłokach silikonowych. Wynika to z faktu, że mają one bardzo niskie ciepła spalania (4000–4500 kJ/kg), uniemożliwiające ich zapłon (samozapłon), podczas gdy tradycyjne powłoki i izolacje kablowe mają ponad dziesięciokrotnie wyższe Qsp (46 000–48 000 kJ/kg). Na palność kabli wpływa również grubość pojedynczego kabla i grubość wiązki. Jednoznacznie zbadano, że im grubszy kabel pojedynczy, tym tzw. wskaźnik rozprzestrzeniania pożaru – Fire Propagation Index jest niższy, tzn. kabel jest bardziej bezpieczny pożarowo. Podczas spalania kabli lub przewodów w budynkach, możliwość przejścia lokalnego spalania kabli/I faza pożaru (w fazę rozgorzenia) zależy od wielu czynników odnoszących się nie tylko do cech pożarowych materiałów powłokowo- izolacyjnych, ale w równym stopniu od warunków budowlano-wentylacyjnych. Krytyczna gęstość strumienia cieplnego, przy którym większość kabli lub przewodów zapala się, jest równa ok. 25 kW/m². Poniżej 20 kW/m² kable nie zapalają się. Taka gęstość strumienia ciepła, odpowiada 1–2 min średniemu czasowi trwania pożaru według krzywej standardowej temperatura pożaru – czas trwania pożaru (ASTM E 119).

Własności cieplne przegród budowlanych odgrywają istotną rolę w stratach ciepła, które powstają w wyniku przenikania ciepła ze środowiska pożarowego, powstałego w wyniku spalania się kabli do ścian stropów i innych powierzchni stykających się z kablami lub będących w sąsiedztwie. Im niższa pojemność cieplna przegród (k, r, c) palnych, tym większe prawdopodobieństwo ich zapalenia się i rozprzestrzenienia pożaru na pomieszczenie (budynek). W rozprzestrzenieniu się pożaru w wyniku spalania kabli lub przewodów również istotną rolę odgrywa wentylacja. W fazie rozwiniętego pożaru (II faza), podczas spalania kontrolowanego przez wentylację, zagrożenie pożarowe, powstałe w wyniku eksploatacji kabli lub przewodów jest przede wszystkim funkcją dopływu i szybkości przepływu powietrza. Przy słabej wentylacji (np. wentylowane tunele kablowe) może nastąpić taki przebieg pożaru, że destylujące z kabli produkty pirolizy powłok i izolacji (zapalają się nie w pobliżu kabli, ale w pewnej odległości od kabli, tworząc palącą się podsufitową objętość płomienia, przyśpieszającą powstanie rozgorzenie i rozprzestrzenianie się pożaru. W fazie tej, wiązki kabli lub przewodów zapalają się jedna od drugiej.

Badania palności siedmiu wiązek kabli, ułożonych poziomo i pionowo w ciągach kablowych, przeprowadzone w pomieszczeniach z betonu komórkowego o różnej objętości (30 m³, 48 m³ i 72 m³), pokazały, że przy tej samej mocy pożaru (500 kW/20 min) i przy wydajności 5 wymian w ciągach kablowych lub ciągach nie wentylowanych pożar nie rozprzestrzenia się w ogóle. Natomiast przy ilości wymian 10–20, siedem wiązek uległo całkowitemu zniszczeniu, co spowodowało spalenie się od 240 do 335 kg powłoki. Na podstawie badań literaturowych, można stwierdzić, że na rozwój pożaru kabli w budynku mają wpływ [3]:

• wartość generowanego strumienia ciepła,
• konstrukcja kabla, jego średnica i palność materiałów powłokowo-izolacyjnych,
• konfiguracja kabli (pojedynczy kabel) oraz w przypadku wiązek, ich grubość, co wpływa na powstałe obciążenie ogniowe,
• wentylacja,
• bliskość i rodzaj przegród budowlanych, istniejących w sąsiedztwie kabli,
• rozprzestrzenianie się dymu i gazów spalinowych jako głównych nośników ciepła w pożarze.

Podsumowanie

W artykule przedstawiono różne aspekty zagrożeń powstających przy spalaniu izolacji przewodów i kabli elektrycznych. Analiza wskazuje, że w zasadzie wszystkie kable i przewody ulegają rozkładowi w pożarze, a spalające się produkty rozkładu dają strumienie ciepła o dużej mocy. Przykładowo 1 km kabla siłowego zawiera ok. 40 kg (Cu), ok. 90 kg (PVC), ok. 85 kg (PE). Biorąc pod uwagę liczbę kabli, ich bardzo duże ciepło spalania (powyżej 45 MJ/kg), powstałe obciążenia cieplne (z dużych obciążeń ogniowych) znacznie przekraczają średnią moc strumienia cieplnego tworzącą się w standardowych pożarach (ASTM E 119). Warto również zaznaczyć, o czym nie wspomniano w tekście, o zagrożeniach wtórnych (tzw. szkodach pożarowych) wiążących się z tworzeniem podczas pożarów kabli silnie toksycznych i silnie korozyjnych środowisk (HCL z PVC). Często straty, szczególnie te korozyjne zniszczenia objawiające się w dłuższym czasie po pożarze, przewyższają pierwotne straty pożarowe.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!