Jednym z parametrów określających czy instalacja kablowa jest bezpieczna, jest palność przewodów i kabli. Badania związane z zachowaniem się kabli podczas pożaru sprawdzają różne własności materiałów użytych do produkcji kabli i gotowego produktu. Oprócz palności, która określa, czy kabel jest „samogasnący”, czy też będzie podtrzymywał palenie, sprawdzana jest również ilość wydzielanego podczas pożaru dymu, zawartość substancji szkodliwych w wydzielanym dymie, a także czas przez jaki kabel będzie mógł spełniać swoje funkcje elektryczne podczas pożaru.

Każde z badań jest opisane w normach. Opracowano kilka metod mających na celu określenie palności kabla, określa się wskaźnik tlenowy, wskaźnik temperaturowy i ciepło spalania dla różnego typu kabli. Badania opisują rozprzestrzenianie płomienia, emisję dymu, wydzielanie szkodliwych gazów. Znajomość tych własności pozwala na weryfikację kabli do systemów bezpieczeństwa, które wpływają na ograniczenie skutków pożaru i umożliwiają ewakuację ludzi ze strefy zagrożonej. Projektanci zajmujący się instalacjami elektrycznymi coraz częściej zwracają uwagę na palność kabli i zachowanie się instalacji podczas pożaru.

Izolacja samogasnąca

Podczas pożaru palą się części kabla wykonane z tworzyw sztucznych. Są to przede wszystkim materiały izolacyjne, z których wykonuje się izolację żył lub powłoki kabli. Najczęściej stosowanym materiałem jest polichlorek winylu (PVC).
Pojęcie izolacji samogasnącej opisuje izolację kabla, która sama zgaśnie podczas testu palności, nie podtrzymując płomienia. W celu określenia własności palnych izolacji i powłok, a co za tym idzie całego kabla, wprowadza się pojęcia indeksu tlenowego (wskaźnika tlenowego), wskaźnika temperaturowego oraz przeprowadza się badania palności kabla pojedynczego lub wiązki kabli (IEC 60332-1 i IEC 60332-3).

Rys. 1. Test palności według PN-EN 50266 (IEC60332-3)

Indeks tlenowy i wskaźnik temperaturowy

Bardzo szeroko stosowanym wskaźnikiem opisującym palność kabli jest indeks tlenowy, określający minimalną ilość tlenu w atmosferze azotu, przy której materiał ulega zapłonowi. Im większa wartość indeksu tlenowego, tym materiał jest trudniej zapalny – jeżeli wartość indeksu jest większa od 26 (26% tlenu) – materiał uważa się za samogasnący, czyli gasnący po odstawieniu źródła płomienia. W praktyce producenci kabli wprowadzają również pojęcie uniepalnionej powłoki kabla, dla której wartość indeksu tlenowego wynosi 29. W oznaczeniach kabli w powłoce uniepalnionej umieszczana jest litera „n” np. YnTKSY.
Polichlorek winylu w postaci nieuplastycznionej (tzw. twardy PVC) ma indeks tlenowy 45, niestety taka postać PVC nie nadaje się do wykorzystania w przemyśle kablowym. Natomiast postać uplastyczniona ma niższy indeks tlenowy. Indeks tlenowy dobrze opisuje własności zapalne, jednak nie opisuje rozprzestrzeniania się płomienia. Wskaźnik ten zależy od temperatury, maleje wraz z jej wzrostem. Podczas wykonywania próby temperatura powinna wynosić 25^oC, jednak jej utrzymanie jest trudne, ponieważ płomień palnika ogrzewa otoczenie badanego kabla.
Wprowadzono zatem pojęcie wskaźnika temperaturowego, czyli temperatury w której indeks tlenowy wynosi 21 (tyle, ile wynosi zawartość tlenu w powietrzu atmosferycznym). Pomiary wskaźnika temperaturowego były oparte na pomiarach indeksu tlenowego w różnych temperaturach i znajdowaniu na podstawie tych wyników temperatury, w której indeks tlenowy wyniesie 21. Niestety, nieliniowa zależność indeksu tlenowego od temperatury powodowała dużą rozbieżność otrzymywanych wyników. Dokładniejsze wyniki daje utrzymanie w komorze spalania zawartości tlenu na poziomie 21% i zmiana temperatury, aż do próby w której po odstawieniu palnika materiał podtrzymuje palenie.
Pojęcia indeksu tlenowego i wskaźnika temperaturowego są coraz rzadziej stosowane jako charakterystyka izolacji przez zakłady kablowe. Zastępuje się je badaniem rozprzestrzeniania płomienia opisanym w normach PN-EN 60332-1-2, PN-EN 50265-2-2 oraz PN-EN 50266-2. Metody te pełniej ilustrują przenoszenie ognia przez instalację kablową. Pojęcie wskaźnika tlenowego nie przyjęło się w przemyśle kablowym i nie jest stosowane przez producentów kabli. Niektórzy odbiorcy, opierając się na normach wewnątrzzakładowych, wymagają badań wartości indeksu tlenowego.

Ciepło spalania

Ciepłem spalania lub kalorycznością nazywana jest ilość ciepła, jaką wydziela jednostka masy materiału podczas spalania. Jeżeli materiał wydziela podczas palenia więcej energii – łatwiej podtrzymuje pożar. W przypadku kabli kaloryczność jest często określana na jednostkę masy lub jednostkę długości całego kabla. Nie rozdziela się tutaj materiałów palnych użytych do produkcji kabla od miedzi, aluminium czy stali. Takie podejście ułatwia projektowanie – projektant posługuje się jedynie masą lub długością kabla i nie musi zwracać uwagi na masę elementów, z których kabel się składa. Wartości ciepła spalania dla materiałów, z których zbudowany jest kabel, opisane są w normie DIN 51900. Dla typowych materiałów stosowanych w technice kablowej wartości te wynoszą: PVC – 19 MJ/kg, poliamid (PA) – 33 MJ/kg, polietylen (PE) – 46 MJ/kg. Norma DIN VDE 0108 określa natomiast łączną wartość ciepła spalania dla kabli bezhalogenowych (14 kWh/m²) i wykonanych z polichlorku winylu (7 kWh/m²) na metr kwadratowy wykonanej instalacji. Polskie normy dotychczas nie precyzują kaloryczności kabli, z których wykonana jest instalacja, mimo że czynnik ten z pewnością wpływa na rozprzestrzenianie się pożaru.

Rys. 2. Mocowanie próbki kabla w kształcie litery U na tablicy z materiałów izolacyjnych (PN-EN 50200)

Rozprzestrzenianie płomienia

Instalacje kablowe wykonuje się tak, aby nie rozprzestrzeniały pożaru i nie przenosiły płomienia. Niektóre tworzywa podczas pożaru topią się lub spływają z nich palące się krople (polietylen), inne palą się rozprzestrzeniając płomień. Tworzywa samogasnące nie rozprzestrzeniają pożaru, nie przenoszą płomienia.
Najczęściej stosowaną metodą badania rozprzestrzeniania się płomienia jest badanie opisane w normie PN-EN 60332-1-2 (badanie to jest zgodne z IEC 60332-1, norma zastąpiła PN EN 50265-2-1). Próba polega na sprawdzeniu palności pojedynczego przewodu o przekroju powyżej 0,5 mm², umieszczonego pionowo w komorze. Do próbki kabla o długości 600 mm przykładane jest źródło ognia – znormalizowany palnik gazowy – pod kątem 45^o. Czas działania palnika jest zależny od średnicy próbki kabla. Czas działania palnika jest większy dla próbek o większych średnicach. Jeżeli po odstawieniu palnika płomień na próbce sam zgaśnie nie powodując uszkodzeń próbki w odległości mniejszej niż 50 mm od górnego zacisku, to wynik badania uznaje się za pozytywny.
Dla próbek kabli z żyłami o przekrojach poniżej 0,5 mm², których żyły podczas testu zgodnego z PN-EN 60332-1-2 mogłyby ulec stopieniu, wprowadzono badanie według normy PN-EN 60332-2-2. Badanie przebiega bardzo podobnie do PN-EN 60332-1-2, a najbardziej istotne różnice dotyczą zastosowania palnika o mniejszej mocy działającego przez krótszy czas.
Bardziej rygorystycznym testem na rozprzestrzenianie się ognia jest badanie zgodnie z normą PN-EN 50266-2. Metoda ta jest zgodna z IEC 60332-3. W tym przypadku badaniu podlega wiązka kablowa o długości 3,6 m umieszczona na drabince kablowej w znormalizowanej pionowej komorze. Dolną część wiązki poddaje się działaniu palnika. Podobnie jak w przypadku poprzednich testów, po odstawieniu palnika płomień na wiązce powinien zgasnąć sam. Długość zwęglonych odcinków nie powinna przekroczyć 2,5 m. Czas działania palnika jest różny dla różnych kategorii palności. Najbardziej wymagająca jest kategoria A (40 minut), najlżejsza kategoria C – 20 min. Dla każdej kategorii wyznacza się również inne ilości kabli na drabince, na podstawie objętości materiałów palnych, które zawierają badane kable: dla kategorii A na każdy metr drabinki przypada 7 litrów materiałów palnych, dla kategorii B – 3,5 litra, dla kategorii C – 1,5 litra.

Gęstość dymu

Wydzielanie dużej ilości gęstego dymu przez palącą się instalację kablową utrudnia lub uniemożliwia ewakuację i prowadzenie akcji ratowniczej podczas pożaru. Dlatego wprowadzono metody pomiaru emisji dymu przez palący się kabel. Normy PN-EN 50268-2 oraz IEC 61034-2 opisują sposób badania gęstości wydzielanych dymów metodą pomiaru przepuszczalności światła. W specjalnej kabinie o objętości 3 m³, z zainstalowanym układem fotometrycznym spala się próbki kabla o długości 1 m – ilość próbek zależy od średnicy zewnętrznej kabla. Pomiarowy układ fotometryczny rejestruje przepuszczalność światła w kabinie – wynik próby uznaje się za pozytywny, jeżeli przepuszczalność (transmisja) światła podczas badania przekracza 60%.

Szkodliwe gazy korozyjne

Podczas pożaru materiały niemetaliczne użyte do budowy kabli ulegają rozkładowi tworząc gazy (spaliny) niebezpieczne dla człowieka. Najgroźniejsze z nich to związki chloru, fluoru i bromu wchodzące w skład tworzyw wykorzystywanych w przemyśle kablowym. Najczęściej spotykanym gazem jest chlorowodór, który wydziela się przy spalaniu polichlorku winylu (PVC). Chlorowodór nawet w małym stężeniu jest szkodliwy dla ludzi, jest żrący i może uniemożliwić oddychanie. W połączeniu z wodą lub wilgocią chlorowodór tworzy kwas solny, który powoduje poparzenia skóry u ludzi oraz korozję materiałów metalicznych i zniszczenia elementów elektronicznych w strefie wystąpienia pożaru (komputerów, elementów automatyki).
W przemyśle kablowym korozyjność gazów powstałych w wyniku spalania próbki (spalin) określa się na podstawie określenia kwasowości oraz konduktywności wodnego roztworu tych gazów. Badanie opisane w PN-EN 50267 (zgodne IEC 60754-2) polega na spaleniu w piecu rurowym określonej ilości materiałów niemetalicznych użytych do budowy kabla. Gazy powstałe w wyniku spalania kieruje się przedmuchem do płuczki z wodą destylowaną. Następnie dokonuje się pomiaru kwasowości i konduktywności otrzymanego w ten sposób roztworu.
Wynik badania jest pozytywny, jeżeli wartość pH otrzymanego roztworu jest nie mniejsza niż 4,3 a konduktywność nie większa niż 10 mS/mm.

Rys. 3. Komora przygotowana do testowania kabli według normy DIN 4102 cz. 12

Wytrzymałość ogniowa izolacji

Odporność izolacji na długotrwałe działanie ognia jest sprawdzana podczas próby wykonywanej według IEC 60331-11 oraz IEC 60331-21, -23. Próbkę kabla o długości 1200 mm umieszcza się poziomo, 75 mm ponad źródłem ognia, którym jest liniowy palnik gazowy o temperaturze 750 – 850^oC. Do żył kabla przykłada się napięcie 400 V w przypadku badania kabli energetycznych niskiego napięcia, natomiast dla kabli telekomunikacyjnych jest to 110 V. Czas działania ognia wynosi 180 minut. Wynik próby uznaje się za pozytywny, jeżeli pomiędzy żyłami kabla nie nastąpi zwarcie. Miarą zwarcia jest przepalenie bezpiecznika 3 A włączonego w obwód elektryczny.

Test na zachowanie funkcji podczas pożaru – klasa PH

Zachowanie funkcji elektrycznych kabla w trakcie pożaru można badać zgodnie z normą obowiązującą na terenie polski PN-EN 50200. Próbkę kabla o długości 120 cm w kształcie litery U (rys. 2), której oba promienie gięcia są równe minimalnemu dopuszczalnemu promieniowi gięcia dla badanego kabla, zamocowaną do tablicy z materiału niepalnego uchwytami co 30 cm, poddaje się działaniu ognia (temperatura 830 – 870^oC) oraz udarowi mechanicznemu przez określony czas.
Do żył kabla podłączone jest napięcie o wartości znamionowej. Czas trwania próby określa klasę PH badanego kabla, np. 30 min – PH30. Podczas próby na badanym odcinku kabla nie może nastąpić zwarcie ani przerwa (do próbki kabla przyłączone jest obciążenie). W praktyce spotyka się kable z klasą PH 30 lub PH 90.

Zachowanie funkcji zespołu kablowego: E30, E90

Najostrzejsze warunki badania zachowania funkcji elektrycznych podczas pożaru określa norma niemiecka DIN 4102 cz. 12. Warunki te są również najbardziej zbliżone do rzeczywistych – występujących podczas pożaru. W normie jest mowa o funkcjonalności zespołu kablowego, na który oprócz kabla składają się mocowania oraz konstrukcje wsporcze, na których kabel będzie w rzeczywistości ułożony.
Norma DIN 4102 cz. 12 wymaga, aby badane kable były zbudowane zgodnie z normami DIN VDE a zgodność ta powinna być potwierdzona przez aprobatę VDE. Taki wymóg pozwala na badanie jedynie tych kabli, które posiadają aprobatę VDE – inne kable powinny być badane zgodnie z normą PN-EN 50200.
Test przeprowadza się w specjalnej komorze o wymiarach 2 x 3 x 2,5 m. Temperatura narasta zgodnie z krzywą określoną w normie (jest niższa dla testu 30 min a wyższa dla testu 90 min). Trasy kablowe prowadzi się pod sufitem komory. Podczas próby kable energetyczne są zasilane napięciem 400 V, a kable telekomunikacyjne 100 V. Jeżeli w obwodzie elektrycznym podczas próby nie nastąpi przerwa lub zwarcie, to badany zespół kablowy otrzymuje specyfikację:
• E30 – dla testu trwającego 30 minut,
• E60 – dla testu trwającego 60 minut,
• E90 – dla testu trwającego 90 minut.
Z powodów ekonomicznych klasa E60 praktycznie nie jest stosowana w przemyśle kablowym – środki techniczne i materiały użyte do zaprojektowania i wyprodukowania kabla E60 z reguły wystarczają do osiągnięcia klasy E90.
Warto zwrócić uwagę na dużą rolę, jaką podczas badania ogrywa konstrukcja wsporcza, która w wysokich temperaturach ulega odkształceniom mogącym uszkodzić badaną linię kablową.
Badania przeprowadzane są w ułożeniu poziomym, ale przenoszą się na ułożenie pionowe i skośne pod warunkiem zabezpieczenia kabli przed osuwaniem (mocowanie).

Zjawiska towarzyszące pożarom
Aby zachować funkcjonalność trasy kablowej podczas pożaru, należy pamiętać o szeregu zjawisk, które mogą wpłynąć na zachowanie się zespołu kablowego.
Wśród zjawisk „mechanicznych” największe znaczenie mają ugięcia betonowego stropu oraz wydłużenia koryt i żył kabli. Sufit betonowy lub żelbetonowy podczas działania wysokich temperatur ulega ugięciu (podczas testu wykonywanego zgodnie z DIN 4102 cz. 12 zaobserwowano ugięcia do 10 cm w środku płyty podpartej w odstępie 3 m już w 40 minucie próby). Dodatkowo ugięciu ulegają koryta i drabinki kablowe pomiędzy wspornikami. Ponieważ jednocześnie wydłużeniu ulegają żyły kabli można uznać, że takie zachowanie się jest korzystne dla całego zespołu kablowego. Powłoki kablowe ulegają spaleniu podczas kilku pierwszych minut testu, natomiast wszelkie obciążenia mechaniczne związane z rozszerzalnością materiałów pojawiają się później i trwają przez długi czas, czyli w okresie kiedy izolacja kabli jest już „uformowana” – jest to jeden z większych problemów, z jakim musi poradzić sobie konstruktor i producent kabla.
Podczas pożaru kabel zmienia swoje parametry elektryczne. Pod wpływem temperatury wzrasta rezystancja żył kabli. Korzystając z EN 60742 można obliczyć rezystancję żył w temperaturze 950^oC.

R₉₅₀ = R₂₀ • 4,78

Temperatura żył kabla dodatkowo jest podnoszona przez przepływający prąd. W podwyższonej temperaturze maleje rezystancja izolacji, co powinno zostać uwzględnione przy doborze zabezpieczeń. W trakcie pożaru zmianie ulegają parametry transmisyjne kabli telekomunikacyjnych – wynika to ze zmiany parametrów izolacji oraz zmian odległości pomiędzy żyłami. W końcowej fazie testu temperatura w komorze zbliża się do temperatury topnienia miedzi. Dodatkowo gazy emitowane podczas spalania izolacji powodują degradację powierzchni żył kabli, co dodatkowo zmniejsza ich przekrój – to zjawisko ma znaczenie szczególnie przy małych przekrojach żył.

Podsumowanie

Stosowane metody badawcze mają za zadanie opis własności kabla pod względem jego zachowania się w trakcie pożaru. Najważniejszymi własnościami są: przenoszenie płomienia, bezhalogenowość i podtrzymanie funkcjonalności zespołu kablowego. Znajomość wyników tych testów pozwala na dobór właściwego kabla na etapie projektu instalacji.
Dobór właściwego kabla w instalacjach zasilających, sterujących czy transmisji sygnałów bardzo często jest dokonywany jedynie na podstawie przesłanek ekonomicznych. Wyjątkiem są jedynie instalacje, w których konieczne jest działanie części urządzeń podczas pożaru, co wymusza zastosowanie kabli z podtrzymaniem funkcjonalności, które są produkowane jako bezhalogenowe i dedykowane do instalacji bezpieczeństwa.
Osiągnięcie przez izolację bezhalogenową palności mniejszej niż izolacji PVC (ogólnie uznawanej za samogasnącą i płomienioodporną) powoduje coraz większe zainteresowanie kablami bezhalogenowymi ze strony projektantów.
Istotnym elementem byłoby również wprowadzenie odpowiednich regulacji prawnych nakazujących stosowanie kabli bezhalogenowych w miejscach, gdzie pożary instalacji elektrycznej stanowią bezpośrednie zagrożenie dla ludzi. Taka sytuacja z pewnością wpłynęłaby na podniesienie ogólnego bezpieczeństwa pożarowego.

dr inż. Ireneusz Sosnowski
Autor jest dyrektorem
ds. rozwoju i jakości
w Zakładach Kablowych Bitner