Cel i zakres badań kabli elektrycznych pod względem ich reakcji na ogień
Fot. 1. Stanowisko badawcze do oznaczania ciepła spalania wg PN-EN ISO 1716:2010
W. Jaskółowski
Zjawisko pożaru powoduje nadzwyczajne zagrożenie 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, ale także ekip ratowniczych biorących udział w działaniach związanych z prowadzeniem akcji ratowniczej.
Zobacz także
mgr inż. Katarzyna Kaczorek-Chrobak Toksyczne produkty spalania izolacji i powłok kabli elektroenergetycznych
Procesy dekompozycji termicznej towarzyszące spalaniu materiałów oraz obecność ognia powodują produkcję znacznej ilości gazowych produktów spalania. Ich rodzaj i ilość zależą od bardzo wielu czynników,...
Procesy dekompozycji termicznej towarzyszące spalaniu materiałów oraz obecność ognia powodują produkcję znacznej ilości gazowych produktów spalania. Ich rodzaj i ilość zależą od bardzo wielu czynników, głównie od budowy chemicznej materiału. Są to produkty wywołujące efekt duszący lub drażniący na organizm osoby narażonej na ich oddziaływanie. Podczas różnych faz pożaru, począwszy od zapłonu, poprzez rozgorzenie, w pełni rozwinięty pożar, aż do wygaszenia, a także podczas wystąpienia różnych typów...
Damian Żabicki Systemy oznaczania kabli i przewodów
Odpowiednio oznaczone kable i przewody zapewniają szybki montaż instalacji elektrycznych i niskoprądowych oraz łatwą lokalizację odpowiedniego przewodu.
Odpowiednio oznaczone kable i przewody zapewniają szybki montaż instalacji elektrycznych i niskoprądowych oraz łatwą lokalizację odpowiedniego przewodu.
mgr inż. Piotr Wasiucionek Zgodnie z warunkami technicznymi, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], „Przeciwpożarowy wyłącznik prądu, odcinający dopływ prądu do wszystkich obwodów, z wyjątkiem obwodów zasilających instalacje i urządzenia, których funkcjonowanie jest niezbędne podczas pożaru, należy stosować w strefach pożarowych o kubaturze przekraczającej 1000 m3 lub zawierających strefy zagrożone wybuchem.
Zgodnie z warunkami technicznymi, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], „Przeciwpożarowy wyłącznik prądu, odcinający dopływ prądu do wszystkich obwodów, z wyjątkiem obwodów zasilających...
Zgodnie z warunkami technicznymi, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], „Przeciwpożarowy wyłącznik prądu, odcinający dopływ prądu do wszystkich obwodów, z wyjątkiem obwodów zasilających instalacje i urządzenia, których funkcjonowanie jest niezbędne podczas pożaru, należy stosować w strefach pożarowych o kubaturze przekraczającej 1000 m sześc. lub zawierających strefy zagrożone wybuchem.*)
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 urządzeniach 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 użytych na konstrukcje, a także obciążeń cieplnych, które powstają w warunkach pożaru, a będących 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 odrębnych dokumentów prawnych, norm 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 przewodów elektrycznych istotne informacje zawiera norma PN-IEC 60364-3:2000 [2]. Wskazuje ona warunki ewakuacji jako czynnik zewnętrzny, który należy brać pod uwagę przy doborze sposobów ochrony zapewniającej bezpieczeństwo oraz przy doborze i montażu wyposażenia elektrycznego i wprowadza oznaczenia kodem BD1, BD2, BD3, BD4.
Szczegółowe wymagania w zakresie instalacji elektrycznych dla obiektów oznaczonych kodem BD zawiera Polska Norma PN-IEC 60364-4-482:1999 [3]. Określono wymagania uzupełniające do podanych w rozdziale 42, dotyczące instalacji w miejscach, w których występują warunki, o których mowa powyżej (wg 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 składają się z części metalowych i niemetalowych. Mogą być one przyczyną rozprzestrzeniania się ognia, a także źródłem ciepła, emisji gęstych dymów i duszących toksycznych gazów utrudniających ewakuację. Zatem jak w przypadku każdego wyrobu, istnieje potrzeba jego oceny pod kątem szeroko rozumianej palności.
Przyjęta ponad 10 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, ściany).
W odniesieniu do kabli 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 ubiegłym roku (2014 r.) przyjęto normę PN-EN 13501-6:2014-04 [4], która opisuje klasyfikację kabli elektrycznych pod kątem ich reakcji na ogień. Zgodnie z tą normą stosowany jest system tzw. Euroklas, charakteryzujący kable 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.).
Analiza normy PN EN 13501-6:2014-4 [4] i tab. 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 pod względem palności koncentrowały się na zachowaniu pojedynczego kabla lub wiązek kabli poddanych oddziaływaniu płomienia po 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 13501-6:2014-4 [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 1716:2010 (fot. 1.) [5].
Badanie to umożliwia określenie ciepła spalania składowych części kabla. 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 elektrycznego. Z kryteriów klasyfikacyjnych (tab. 1.) wynika, że aby kabel spełnił 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 normę 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 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 450±20 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 IEC 60695-11-2014-07 [11], zasilany propanem technicznym o czystości 95%. W badaniu tym dokonuje się pomiaru wysokości H zniszczenia (zwęglenia) próbki.
W PN-EN 50399:2011 (rys. 2.) [7] określono aparaturę i opis metod badawczych, które umożliwiają ocenę kabli 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.
Badanie polega na poddaniu wiązki kabli 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 zostały ściśle określone i uzależnione od ich średnicy oraz klasy, dla której przeprowadzane jest badanie. Liczbę kabli 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 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). Do badania dobiera się odpowiednią liczbę odcinków przewodu uzależnioną od średnicy zewnętrznej 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% alkohol, który w ilości 1 dm3 znajduje się w metalowym pojemniku o wymiarach: dno 21x11 cm, góra 24x14 cm i wysokości 8 cm. Miarą zdolności kabli 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 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).
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.
Próbkę do badań stanowi 1000 mg każdego materiału pobranego z reprezentatywnego odcinka. Próbka umieszczona na „łódeczce” podlega ogrzewaniu w temperaturze nie niższej niż 9350C 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:
c – konduktywność każdego niemetalowego materiału.
Podsumowanie
Niektóre z metod badawczych wykorzystywanych do określania klas reakcji na ogień dla kabli 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 ze wprowadzeniem normy PN-EN 13501-6:2014-4 [4] inwestorzy otrzymali „narzędzie” do formułowania szerszych wymagań producentom kabli i przewodów elektrycznych.
Literatura
- Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 dnia kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.
- PN-IEC 60364-3:2000 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ustalanie ogólnych charakterystyk.
- PN-IEC 60364-4-482:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Dobór środków ochrony w zależności od wpływów zewnętrznych. Ochrona przeciwpożarowa.
- PN-EN 13501-6:2014-04 Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków. Część 6: Klasyfikacja na podstawie wyników badań reakcji na ogień kabli elektrycznych.
- PN-EN ISO 1716:2010 Badania reakcji na ogień wyrobów. Określanie ciepła spalania brutto (wartości kalorycznej).
- PN-EN 50399:2011 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.
- PN-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 IEC 60695-11-2014-07 Badanie zagrożenia ogniowego. Część 11-2: Płomienie probiercze. Znamionowy płomień probierczy mieszankowy 1 kW. Urządzenia, układ do próby sprawdzającej i wytyczne.