Każdego roku pożary pochłaniają tysiące ofiar na całym świecie. Rannych i osób zatrutych w wyniku pożaru jest wiele więcej. Pożary wywołane bezpośrednio przez kable zdarzają się niezwykle rzadko, a ich przyczyną jest niewłaściwa eksploatacja kabli. Większość pożarów wywołana jest przez inne czynniki. Jednak pożary mają często miejsce w pomieszczeniach, w których przebiegają trasy kabli. Istotna staje się wtedy znajomość zachowania się kabli w warunkach pożaru. W większości przypadków nie wymaga się ciągłego działania kabli podczas pożaru. Jednak niektóre obwody muszą być czynne przez pewien czas od jego wybuchu i zasilać oświetlenie awaryjne lub umożliwić bezpieczne wyłączenie urządzeń.
Za niepalne uważa się tylko kable o izolacji mineralnej. Pozostałe kable podczas pożaru palą się. Palą się oczywiście elementy kabli wykonane z szeroko stosowanych tworzyw sztucznych, bo w praktyce, każde tworzywo sztuczne pali się podczas pożaru. Palące się kable wydzielają zarówno dym jak i agresywne często gazy. Kable mogą podsycać pożar, jeśli zawierają dużo materiałów palnych, i mogą powodować jego rozprzestrzenianie się wzdłuż trasy ich ułożenia.
Opracowano wiele metod badania zachowania się kabli w warunkach pożaru i prace te trwają nadal. Wystarczy przejrzeć publikacje IEC, aby zauważyć rozwój tych prób i kolejne ich modyfikacje. Powszechna jest jednak opinia, że prawdziwe pożary nie mogą być odtworzone przez próby laboratoryjne na małą skalę. Coraz więcej badań symuluje warunki „prawdziwego” pożaru, co wymaga drogich, obszernych komór i kosztownego wyposażenia.
Laboratoryjnie badane są materiały wchodzących w skład kabla, a na podstawie wyników tych badań szacuje się zachowanie kabli w warunkach pożaru. Bada się trzy cechy decydujące o palności materiałów:
ü wskaźnik tlenowy, nazywany też indeksem tlenowym,
ü wskaźnik temperaturowy,
ü ciepło spalania (kaloryczność).
Celem innej grupą badań jest określenie skutków, jakie wywołują palące się kable. Badania te obejmują trzy zagrożenia:
ü rozprzestrzenianie płomienia,
ü wydzielanie szkodliwych gazów,
ü emisję dymu.
Oddzielną grupę badań stanowią próby polegające na określeniu czasu funkcjonowania kabla w warunkach pożaru, symulowanego przez zdefiniowane źródło ognia. Najostrzejsze próby obejmują nie tylko kable, ale również systemy ich instalowania (mocowania). Takim próbom, w odpowiednio dużych komorach i przy zastosowaniu źródeł ognia dużej mocy, poddawane są kable bezpieczeństwa, nazywane też kablami przeżywającymi, które charakteryzuje określony czas funkcjonowania w warunkach pożaru.
Wskaźnik (indeks) tlenowy
Wskaźnik tlenowy określa podatność tworzywa na zapalenie się. Podatność ta oznaczana jest przez minimalne stężeniem tlenu w atmosferze azotu, przy którym tworzywo ulega zapłonowi (w powietrzu atmosferycznym stężenie tlenu wynosi 21%). Im wyższa wartość tego indeksu (procentowe stężenie tlenu) tym materiał jest trudniej zapalny. Indeks tlenowy jest określany za pomocą znormalizowanej metody w temperaturze otoczenia (25°C). Zaletą tej próby jest powtarzalność uzyskiwanych wyników.
Przyjmuje się, że wskaźnik tlenowy materiałów samogasnących (gasnących po odstawieniu źródła płomienia) jest większy od 26. Dużo trudniej powiązać wskaźnik tlenowy materiału z rozprzestrzenianiem płomienia, szczególnie wtedy, gdy różne są polimery tworzywa bazowego lub zastosowane dodatki. W Tablicy 1 zestawiono wskaźniki tlenowe wybranych materiałów.
Wskaźnik temperaturowy
Badania wskaźnika tlenowego wykazały, że jego wartość zależy od temperatury próby i maleje wraz z jej wzrostem. W próbie wskaźnika tlenowego utrzymywana temperatura wynosi 25°C, podczas gdy na rozwój palenia się materiału może mieć znaczny wpływ temperatura faktycznie występująca. Uznano zatem, że należy określić temperaturę, przy której wskaźnik tlenowy wyniesie 21 (taka jest procentowa zawartość tlenu w powietrzu atmosferycznym).
Początkowo mierzono indeks tlenowy w różnych temperaturach, a następnie, przez ekstrapolację uzyskanych wyników, określano temperaturę, przy której indeks tlenowy wynosi 21. Okazało się jednak, że z powodu braku liniowości, ekstrapolacja może prowadzić do błędnych wyników.
Stosowana obecnie metoda określania wskaźnika temperaturowego polega na utrzymywaniu 21% zawartości tlenu w komorze, w której odbywa się próba, i stopniowym podwyższaniu panującej w niej temperatury. Wskaźnikiem temperaturowym jest wówczas minimalna temperatura, w której materiał po zapłonie podtrzymuje palenie.
Tablica 1. Wskaźniki tlenowe wybranych materiałów
|
Materiał |
Wskaźnik tlenowy |
|
Politetrafluoroetylen
Węgiel kamienny
Polichlorek winyly nieplastyfikowany (winidur)
Polichloropren (PCP)
Polietylen chlorosulfonowany (CSP)
Polichlorek winyly plastyfikowany (polwinit, PVC) - zależnie od składu domieszek
Wełna
Poliamid (PA)
Bawełna
Polipropylen (PP)
Polietylen (PE)
Polietylen usieciowany (XLPE)
Guma etylenowo-propylenowa (EPR)
Polistyren |
95
60
47
40
27
około 25
24
20
18
18
18
18
18
18 |
Ciepło spalania
Ilość ciepła jaką jednostka masy tworzywa wydziela podczas palenia, nazwana jest ciepłem spalania, albo kalorycznościa. Im więcej ciepła wydziela materiał podczas spalania, tym łatwiej podtrzymuje pożar. Tworzywa wypełnione substancjami mineralnymi wydzielają mniej ciepła. W Tablicy 2 zestawiono ciepła spalania niektórych materiałów.
Tablica 2. Ciepło spalania wybranych materiałów
|
Materiał |
Ciepło spalania MJ/kg |
|
Poliizobutylen
Polipropylen (PP)
Polietylen (PE)
Polistyren
Poliamid (PA)
Polietylen chlorosulfonowany (CSP)
Poliuretan (PU)
Polichloropren (PCP)
Wełna
Polichlorek winyly nieplastyfikowany (winidur)
Drewno
Bawełna |
47
46
46
40
33
28
28
24
20
19
19
17 |
Rozprzestrzenianie płomienia - kategorie odporności
Jeśli podczas pożaru płomień łatwo rozprzestrzenia się wzdłuż kabla, wówczas kabel może być przyczyną rozszerzania się pożaru. Zjawisko rozprzestrzeniania płomienia wiąże się zwykle z palnością - łatwopalne tworzywa szybko rozprzestrzeniają pożar. Pewne tworzywa (np. polietylen) topią się podczas palenia i spływają z nich palące się krople, ułatwiając rozprzestrzenianie się ognia.
Zupełnie inaczej przebiega rozprzestrzenianie pożaru wzdłuż trasy kabli ułożonych poziomo, niż wzdłuż trasy pionowej. gdzie występuje zjawisko ciągu kominowego. Szczególnie szybko rozprzestrzenia się ogień wzdłuż kabli ułożonych w szybach i pionowych odcinkach tuneli oraz kanałów kablowych.
Powszechnie stosowaną metodę badania rozprzestrzeniania płomienia opisuje PN-EN 50265-2-1, zgodna również z normą PN-IEC 60332, Część 1. Metoda dotyczy pojedynczych kabli jednożyłowych i wielożyłowych ułożonych pionowo. Zalecana jest do badania kabli z żyłami o przekroju powyżej 0,5 mm2 (żyły o mniejszych przekrojach mogą ulec stopieniu podczas próby i dla nich opracowano inną metodę opisaną dalej). Próbka kabla o długości 600 mm umieszczona jest pionowo, w znormalizowanej komorze, a pod kątem 45° do niej znajduje się znormalizowany palnik gazowy o mocy 1 kW. Płomień palnika skierowany jest na próbkę przez określony czas, tym większy, im większa jest średnica badanego kabla (np. 1 minuta dla średnicy mniejszej niż 25 mm). Po odsunięciu palnika płomień na próbce powinien sam zgasnąć. Próbkę czyści się i mierzy zasięg uszkodzeń spowodowanych ogniem na powierzchni kabla. Obszar uszkodzeń nie powinien przekroczyć określonej granicy powyżej miejsca działania palnika.
Metoda opisana w normie PN-EN 50265-2-2, zgodnej z Częścią 2 normy PN-IEC 60332, zalecana jest do badania tych samych pojedynczych kabli, ale z żyłami o przekroju poniżej 0,5 mm2. Istotną różnicą między metodami jest zastosowanie palnika o płomieniu świecącym, który powinien otulać próbkę, oraz niewielkiego obciążenia próbki (5 N/mm2), a czas działania płomienia jest stały i wynosi 20 sekund.
Metodę badania rozprzestrzenianie płomienia wzdłuż pionowej wiązki kabli opisuje PN-EN 50266-2. Metoda ta jest zgodna z PN-IEC 60332, Części 3. Badanie przeprowadza się w znormalizowanej pionowej komorze ze sterowanym przepływem powietrza. Wiązka kabli o długości co najmniej 3,5 m mocowana jest, w określonym normą układzie, do pionowo ustawionej drabinki kablowej. Dolną części wiązki poddaje się działaniu płomienia gazowego palnika liniowego. Czas działania palnika zależy od objętości materiału palnego wiązki. Po wyłączeniu palnika płomień na wiązce kabli musi sam zgasnąć, a zniszczenia wywołane ogniem nie mogą zwykle przekroczyć poziomu 2,5 m powyżej palnika. Na podstawie próby określa się spełnienie wymagań normy dla kategorii A, B, C lub D kabla, przy czym kategorie informują o objętości materiałów niemetalicznych przypadających na metr badanego kabla.
Wydzielanie dymów
Wydzielające się w czasie pożaru kabli duże ilości gęstego dymu ograniczają widoczność. Jeśli w pomieszczeniach objętych pożarem znajdują się ludzie, gęsty dym utrudnia lub wręcz uniemożliwia ich ewakuację i prowadzenie akcji ratowniczej.
Metodę badania gęstości wydzielanych dymów, polegającą na pomiarze absorpcji światła przez dym podaje norma PN-EN 50268-2, zgodna także z PN-IEC 61034-2. Za pomocą układu fotometrycznego rejestruje się minimalną przepuszczalność światła przez dym emitowany przez próbkę kabla, spalaną w specjalnej komorze. Wynik próby jest pozytywny, jeśli przepuszczalność światła przekracza 70% dla pojedynczego kabla, a 60% dla grupy kabli.
Wydzielanie gazów
Podczas palenia się kabli, oprócz dymu, wydzielają się gazy, będące wynikiem rozpadu (pyrolizy) materiałów niemetalicznych, głównie tworzyw. Gazy te są na ogół szkodliwe dla człowieka. Najgroźniejszymi są związki chloru, fluoru, rzadziej bromu, które mogą wchodzić w skład tworzyw używanych w przemyśle kablowym. W czasie pożaru wydzielają się z nich podobne w działaniu: chlorowodoru, fluorowodoru i bromowodoru.
Najczęściej spotykanym jest chlorowodór, wydzielający się przy spalaniu polwinitów (PVC) - tworzyw na bazie polichlorku winylu. Chlorowodór jest niebezpieczny dla ludzi, bo nawet w małym stężeniu poraża układ oddechowy i uniemożliwia oddychanie. Jeśli pożar ma miejsce np. na dworcu, w budynku biurowym lub banku, niewidoczny chlorowodór może łatwo przedostać się również do pomieszczeń nie objętych pożarem i wywołać zatrucie ludzi. W połączeniu z wodą lub wilgocią, chlorowodór natychmiast tworzy kwas solny, który powoduje poparzenia skóry u ludzi oraz degradację i korozję wielu materiałów, szczególnie metali. Najbardziej niebezpieczny jest dla bardzo drogich urządzeń elektronicznych, jakie są np. instalowane w centralach telefonicznych i serwerowniach komputerowych.
Poziom emisji korozyjnych gazów podczas spalania określa się w przeliczeniu na jednostkę masy badanego materiału (tworzywa). Materiały zawierające poniżej 0,2% chloru i 0,1% fluoru uważa się za bez-halogenowe.
Jedną z metod ilościowego oznaczania gazów powstałych podczas spalania materiałów stosowanych w kablach podaje norma PN-EN 50267-2-1, zgodna również z PN-IEC 60754-1. Niewielką (1 g) rozdrobnioną próbkę umieszcza się w rurze kwarcowej i stopniowo ogrzewa w piecu rurowym do temperatury 800°C, a następnie utrzymuje się tę temperaturę przez 20 minut. Do rury wprowadza się powietrze o określonym natężeniu przepływu, które po wyjściu z rury kieruje się do płuczek. Dla wodnych roztworów gazów powstałych podczas spalania próbki materiału i zgromadzonych w płuczkach oznacza się zawartość kwasu halogenowego metodą analityczną. Nie jest to jednak metoda dokładna i nie stosuje się jej do materiałów nazywanych bezhalogenowymi.
Lepszą dokładność uzyskuje się przez pomiar pH (kwasowości) lub przewodnictwa (konduktywności) wodnych roztworów z płuczek. Metoda takiego badania podana jest w normie PN-EN 50267-2-2. Próbkę materiału podgrzewa się w piecu rurowym do temperatury co najmniej 935°C i utrzymuje się ją przez 30 min. Mierzy się kwasowość i przewodnictwo wodnych roztworów gazów. Przyjmuje się, że dla kabli bezhalogenowych, dla każdego materiału zastosowanego w kablu, wartość pH nie powinna być mniejsza niż 4,3, a kon-duktywność nie większe niż 10 μS/mm.
Odmianą tej metody jest procedura określenia kwasowości gazów, jakie powstają podczas spalania gotowego kabla lub przewodu, podana w PN-EN 50627-2-3 i w PN-IEC 60754-2. Polega ona na określeniu pH i konduktywności każdego z niemetalicznych materiałów, wchodzących w skład kabla, na obliczeniu masy tych materiałów na metr kabla, a następnie, na wyznaczeniu średniej ważonej pH i konduktywności dla kabla. I w tym przypadku wartość pH nie powinna być mniejsza niż 4,3, a konduktywność nie powinna być większe niż 10 μS/mm.
Odporność na długotrwałe działanie ognia – klasy przeżycia
W większości przypadków nie wymaga się ciągłego działania wszystkich kabli w czasie pożaru. Jednakże pewne obwody muszą pozostać czynne przez pewien czas, licząc od chwili wybuchu pożaru. Należą do nich oświetlenie awaryjne, systemy zabezpieczeń i łączności, pompy wodne urządzeń do gaszenia pożaru i zasilające kurtyny wodne, pompy substancji chemicznych w zakładach chemicznych, instalacje sygnalizacyjne i alarmowe, instalacje bezpiecznego wyłączenia urządzeń (np. instalacji chemicznych i turbogeneratorów w elektrowni). Czasy funkcjonowania tych obwodów w warunkach pożaru, nazywane również czasami przeżycia, określone są przez przepisy budowlane i przyjmuje się jako równe 15, 30, 60 lub 90 minut.
Należy zwrócić uwagę, że wymagania te mogą spełnić tylko kable o specjalnych konstrukcjach, nazywane kablami bezpieczeństwa albo kablami przeżywającymi. Odpowiednie próby odporności tych kabli na długotrwałe działanie ognia mają potwierdzić ich funkcjonalność w czasie pożaru.
Metoda badań opisana w normie PN-EN 50200 dotyczy kabli o średnicy zewnętrznej nie większej niż 20 mm. Próbkę kabla o długości co najmniej 1200 mm należy wygiąć w kształcie litery U, której oba promie-nie gięcia są równe minimalnemu dopuszczalnemu promieniowi gięcia kabla, i przymocować do ciepło-odpornej płyty, zawieszonej elastycznie na metalowej konstrukcji wsporczej. Do żył kabla przykłada się napięcie równe napięciu znamionowemu, a w przypadku kabli telekomunikacyjnych, równe 110 V. Próbkę poddaje się działaniu liniowego palnika gazowego o długości 500 mm i temperaturze płomienia równej co najmniej 830°C oraz zdefiniowanym udarom mechanicznym co 5 minut. Mierzony jest czas pracy kabla do zwarcia. Klasy odporności kabli oznaczane są symbolem PH i odpowiadają czasom funkcjonowania wyrobów budowlanych, podanym w dyrektywie nr 89/106/ECC, które wynoszą 15, 30, 60 lub 90 minut.
Inną metodę podaje norma PN-IEC 60331, której Część 21 dotyczy kabli energetycznych niskiego napięcia, a Część 23 - kabli teleinformatycznych. Próbkę kabla o długości 1200 mm podtrzymują dwa metalowe pierścienie. Do żył kabla przykłada się napięcie równe napięciu znamionowemu, a w przypadku kabli telekomunikacyjnych, równe 110 V. Próbkę poddaje się działaniu liniowego palnika gazowego o długości 500 mm i temperaturze płomienia równej 750°C do 800°C. Czas trwania próby według zaleceń normy wynosi 90 minut.
Odmienne podejście do badania przeżycia kabli w warunkach pożaru reprezentuje norma niemiecka DIN 4102, Część 12. Warunki badania opisane w tej normie uważa się za najostrzejsze z dotychczas omówionych, ale z drugiej strony, za najbardziej zbliżone do warunków rzeczywistego pożaru. Norma definiuje badanie funkcjonalności tzw. zespołu kablowego, który składa się z grupy przewidzianych do zainstalowania w warunkach rzeczywistych kabli energetycznych, telekomunikacyjnych, do transmisji danych itd., umocowanych do przewidzianej do zastosowania konstrukcji wsporczej, składającej się z kanałów, drabinek, elementów do podwieszania, uchwytów itp.
Przymocowane do tej konstrukcji kable są zasilane napięciem ich pracy, a podczas próby nie może powstać ani zwarcie izolacji ani przerwa ciągłości którejkolwiek żyły. O zakwalifikowaniu zespołu kablowego jako całości do jednej z trzech klas decyduje czas funkcjonowania kabli w temperaturze przewidzianej warunkami próby: klasa E30 - 30 minut w 820°C, klasa E60 - 60 minut w 870°C, klasa E90 - 90 minut w 980°C. Warto zwrócić uwagę, że o czasie funkcjonowania kabla w warunkach próby decyduje nie tylko konstrukcja i dobór zastosowanych materiałów kabla, ale również, a często przede wszystkim, budowa i dobór zastosowanych materiałów konstrukcji wsporczej, która w wysokich temperaturach ulega odkształceniom, a one z kolei naprężają przymocowane do niej kable.
Podsumowanie
Nie ma idealnego tworzywa sztucznego, które źle się pali, nie rozprzestrzenia płomienia, nie wydziela dymów i gazów. Jednak w ostatnich latach producenci tworzyw opracowali wiele materiałów o ulepszonych własnościach, łączących omówione wyżej cechy. Opracowano receptury tworzyw wypełnionych odpowiednio dobranymi wodorotlenkami metali, które w czasie palenia wydzielają wodę. Kable wykonane z takich tworzyw w niewielkim stopniu rozprzestrzeniają płomień, szczególnie w początkowej fazie pożaru.
Coraz ostrzejsze przepisy bezpieczeństwa wykluczają stosowanie kabli wydzielających duże ilości dymu oraz gazów z grupy chlorowców (halogenów) w miejscach, gdzie gromadzą się ludzie (biurowce, banki, sale widowiskowe, dworce, centra handlowe, centra medyczne itp.). Dopuszcza się tam stosowanie wyłącznie kabli o niskiej emisji dymu, oznaczanych LS (ang. low smoke) lub LF (ang. low fume) i bezhalogenowych HF (ang. halogen free) lub ZH (ang. zero halogen). Kable o niskiej emisji dymów i nie zawierające związków halogenowych oznaczane są LSHF (ang. Low Smoke Halogen Free). Dodatkową cechą kabli bezhalogenowych i o niskiej emisji dymów może być również niewielkie rozprzestrzenianie płomienia. Kable takie oznaczane są FRHF (ang. Flame Retardant Halogen Free).
Wszystkie podstawowe typy kabli niskiego napięcia mają już swoje odpowiedniki FRHF, wykonane z tworzyw bezhalogenowych, nierozprzestrzeniających płomienia i wydzielających niewielkie ilości dymów. Kable te w istotny sposób poprawiają bezpieczeństwo pożarowe obiektów, bezpieczeństwo przebywających w nim ludzi, a w czasie pożaru, nie utrudniają akcji ratowania ludzi i gaszenia pożaru.
