Fire properties of electric cables used in buildings

Właściwości ogniowe kabli elektrycznych stosowanych w budynkach

W obiektach budowlanych stosuje się kable wykonane z użyciem różnych materiałów konstrukcyjnych polimerowych, co zwiększa ich obciążenie ogniowe, a zatem znacząco wpływa na bezpieczeństwo pożarowe budynków. Kable elektryczne i wykonane z nich instalacje elektryczne, pomimo że są istotnymi elementami bezpieczeństwa pożarowego obiektów budowlanych, nie są brane pod uwagę w ogólnej analizie bezpieczeństwa pożarowego i zwykle nie podlegają ocenie pod kątem potencjalnego zagrożenia pożarem.

Tymczasem jednym z zadań w zakresie przeciwdziałania zagrożeniom pożarowym w budynkach powinno być zmniejszenie ryzyka pożarów wywołanych zwarciami w instalacjach elektrycznych. Natomiast, w przypadku wystąpienia pożaru, należy mieć na uwadze proces rozprzestrzeniania się ognia z udziałem kabli elektrycznych, który - ze względu na sposób instalacji kabli w budynkach - może przenosić ogień na duże odległości od miejsca zainicjowania pożaru oraz pomiędzy kondygnacjami budynku (poprzez szyby instalacyjne).

Problem naukowy niniejszej rozprawy stanowi określenie wpływu istotnych parametrów konstrukcyjno-materiałowych kabli na ich właściwości ogniowe poprzez ustalenie zależności jakościowych, a w miarę możliwości również ilościowych, między tymi wielkościami.

Celem niniejszej monografii jest wyodrębnienie istotnych czynników związanych z konstrukcją kabli elektrycznych, wpływających na określone właściwości pożarowe, takie jak: wydzielanie ciepła, wytwarzanie dymu, długość zniszczenia i ilość toksycznych produktów spalania w różnych warunkach wentylacji pomieszczeń. Zgodnie z najlepszą wiedzą autorki takie systematyczne badania nie zostały dotychczas opublikowane. Przedstawione badania są oryginalne i wypełniają lukę badawczą w aspekcie rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych kabli i przewodów elektrycznych, wpływających na ich właściwości ogniowe.

W celu wyodrębnienia parametrów konstrukcyjnych kabli, które istotnie zmieniają ich właściwości ogniowe, poddano analizie osiemdziesiąt trzy kable elektryczne (osiemdziesiąt dziewięć próbek kabli) o różnej konstrukcji i zastosowanych materiałach. Zbadano je, stosując między innymi standardową metodę badawczą opisaną w normie EN 50399. Dobór próbek kabli uwzględniał obecność jednej determinującej cechy konstrukcyjno-materiałowej. Wnioski z wykonanych badań były następujące: (1) konstrukcja, liczba żył roboczych i obecność pancerza lub metalicznej żyły koncentrycznej poprawiają właściwości ogniowe przez wytworzenie bariery przed przenikaniem płomienia w głąb wewnętrznych warstw kabla; (2) zastosowanie żył roboczych miedzianych powoduje obniżenie parametrów ogniowych w porównaniu z kablami z żyłami aluminiowymi (uzyskano do czterech razy niższą wartość maksymalnej średniej szybkości wydzielania ciepła dla kabla z żyłami miedzianymi); (3) materiał konstrukcyjny na bazie plastyfikowanego poli(chlorku winylu) znacznie pogarsza właściwości ogniowe kabli w stosunku do materiałów bezhalogenowych (maksymalna średnia szybkość wydzielania ciepła była ponad siedemnaście razy wyższa dla kabla na bazie materiałów halogenowych), co wynika z procesu dekompozycji termicznej tworzywa; (4) nie stwierdzono wyraźnego związku między parametrami związanymi z właściwościami ogniowymi kabli elektrycznych a standardowym parametrem kablowym c, poprawiającym monotoniczność uzyskanych wyników badań ogniowych kabli i stosowanym dotychczas w doborze próbek do badań w obrębie tej samej rodziny kablowej.

W związku z faktem, iż przeprowadzone badania wykazały znaczny wpływ liczby żył roboczych, jako barier metalicznych dla penetracji płomienia do warstw wewnętrznych kabli elektrycznych i objętości części niemetalicznych na właściwości ogniowe kabli, zaproponowano parametr Omega związany z efektywną objętością elementów niemetalicznych palnych. Parametr Omega zależy od stosunku objętości elementów niepalnych niemetalicznych do objętości elementów palnych niemetalicznych kabla oraz efektywnej powierzchni wymiany ciepła w obrębie budowy kabla. Znacznie wyższe bezwzględne współczynniki korelacji Pearsona (bliskie -1) uzyskano dla całkowitego wydzielonego ciepła i całkowitego wytworzonego dymu w funkcji parametru Omega niż parametru X.

W celu ilościowego oznaczenia ilości gazów uzyskanych w warunkach kontrolowanych wentylacją, badaniom poddano prosty przewód elektryczny z izolacją na bazie poli(chlorku winylu) stosowany powszechnie w budownictwie oraz - jako próbkę referencyjną - czysty nieplastyfikowany poli(chlorek winylu) oraz polietylen o niskiej gęstości (najprostszy z polimerów) zgodnie z metodą badawczą o nazwie Steady State Tube Furnace. Trzykrotnie niższe wydajności dwutlenku węgla w różnych warunkach wentylacji uzyskano dla badanego kabla w porównaniu z referencyjnym czystym nieplastyfikowanym poli(chlorkiem winylu) oraz dwukrotnie niższe w zestawieniu z czystym polietylenem, co potwierdza nieznaczny wpływ efektu hiperwentylacji na człowieka podczas palenia się kabli. Natomiast w przypadku wydzielania tlenku węgla, uzyskano czterokrotnie wyższe wartości wydajności dla badanego kabla w porównaniu z czystymi polimerami. Maksymalną wartość wydajności powstawania tlenku węgla (0,57 g/g) uzyskano w przypadku przepływu powietrza wynoszącego 5 l/min i wartość ta zmniejszała się wraz ze wzrostem stopnia wentylacji. Zmierzone wydajności węglowodorów były podobne do wartości referencyjnych, z wyjątkiem współczynnika równoważności f = 0,27. Wydzielanie żrącego i toksycznego chlorowodoru podczas spalania kabla elektrycznego jest niezależne od warunków wentylacyjnych. Reakcja korozji między miedzią i chlorowodorem oraz między wypełniaczami nieorganicznymi i chlorowodorem zmniejszyła zawartość tego gazu w wydzielanym dymie.

Analiza z wykorzystaniem teorii Quintiere'a wykazała, iż metoda kalorymetru stożkowego może być użyta w modelowaniu numerycznym procesu spalania kabli, a jej zastosowanie może znacznie ułatwić i zmniejszyć liczbę badań ogniowych kabli, bez negatywnego wpływu na wyniki końcowe. Jednakże kable w tym przypadku należy traktować jako materiały stałe kompozytowe.

Reasumując, analiza wpływu budowy kabli jest istotnym elementem z punktu widzenia bezpieczeństwa pożarowego obiektów budowlanych. W toku pracy nad monografią stwierdzono, iż: czynniki, takie jak ilość, kształt i materiał, z którego wykonane są żyły robocze oraz rodzaje materiałów, z których wykonane są elementy niemetaliczne kabli, a także obecność pancerza lub żyły koncentrycznej w kablach, istotnie wpływają na właściwości ogniowe, na przykład wydzielanie ciepła, wytwarzanie dymu, długość zniszczenia oraz wydzielanie toksycznych produktów spalania. Przeprowadzone eksperymenty umożliwiły opracowanie nowego parametru Omega, który okazał się być lepszym wskaźnikiem predykcyjnym palności kabli niż znormalizowany i szeroko stosowany obecnie parametr X. Ponadto ustalono, iż możliwe jest zastąpienie metod badawczych prowadzonych w dużej skali geometrycznej prostszą metodą kalorymetru stożkowego poprzez zastosowanie teorii Quintiere'a dla kabli elektrycznych.