Возгораемость кабеля

Как различаются по пожаростойкости широко распространенные коммуникационные кабели и кабели электропитания?

 

  B Северной Америке для соответствия требованиям нашего сложного, быстро меняющегося мира применяются тысячи различных конструкций кабеля. В основном эти электрические кабели выполняют две задачи: обеспечение коммуникаций и электропитание.

  Между тем многочисленные разновидности кабелей появились не только вследствие различия потребностей в передаче электрического тока. Применяемые в кабелях изолирующие материалы играют второстепенную роль в выполнении главной задачи, но тем не менее очень важны. Отдельные проводники кабеля необходимо изолировать друг от друга, а после этого они должны быть заключены в общую оболочку, назначение которой многогранно. Она должна защищать кабель от механических повреждений, обеспечивать дополнительную изоляцию, предохранять проводники от влияния внешней среды (влажность, вода, ультрафиолет), а иногда и от потенциально опасного химического воздействия. Наконец (и это далеко не последнее), изоляция и оболочка будут определять стойкость кабеля в пожароопасной ситуации. В этом плане представляют интерес два свойства: сопротивляемость кабеля возгоранию и способность горящего кабеля препятствовать распространению огня.

  То, что кабели могут быть пожароопасными, не удивительно. Первоначально для производства оболочки использовалась резина или резиноподобные составляющие. Позднее были разработаны другие материалы, по большей части синтетические полимеры (пластик), их применение позволяет повысить сопротивляемость кабеля к воздействию экстремальных температур, химических веществ, воды и масел, а также обеспечивает более высокую гибкость. Подобно нефти и другим видам топлива, полимеры образуются длинными цепочками атомов углерода, и то, что они оказываются горючими, не удивительно. Тем не менее с помощью различных методов их способность к воспламенению можно уменьшить. Например, такие материалы, как тефлон, обладают хорошими диэлектрическими характеристиками и приближаются по своим свойствам к негорючим веществам. К сожалению, наименее горючие полимеры с приемлемыми диэлектрическими свойствами, как правило, самые дорогие. Как следствие, изолирующее покрытие и оболочка кабеля изготавливаются обычно из таких материалов, применение которых позволяет обеспечить минимально допустимую степень пожаростойкости и при этом соответствовать требованиям целевых приложений.

  Действующие в Северной Америке Национальные электрические нормы (National Electrical Code, NEC), а также строительные нормы и правила (СНиП) позволяют определить соответствие кабелей требованиям пожаростойкости при строительстве новых электрических или коммуникационных сетей или модернизации существующих. В этих документах перечислены протестированные и сертифицированные типы кабелей. Рейтинг кажд ого типа определяется в процессе испытания с целью принятия согласованных стандартов. Эти стандарты предназначены для определения ожидаемой эффективности кабелей в трех классах типовых приложений. Речь идет о следующих классах (см. Рисунок 1).

  Кабели для воздуховодов (plenum rated). Их разрешается прокладывать в пространстве, используемом для вентиляции здания.

 Кабели для стояков (riser rated). Они разрешены для прокладки в вертикальных шахтах, проходящих через пожарозащищенные конструкции межэтажных перекрытий.

  Кабели общего назначения. Не классифицированы для прокладки в вентиляционных шахтах или стояках и предназначены для общего применения в изолированных помещениях или гражданских зданиях.

  Признанные тестовые лаборатории, к примеру Underwriters Laboratories (UL), предлагают услуги тестирования для отнесения кабеля к той или иной категории. Названные стандарты используются для классификации кабелей согласно перечисленным выше трем категориям — UL 910, UL 1661 и UL 1581, соответственно. После тестирования на оболочку кабеля наносится необходимая маркировка.

 

ЗАЧЕМ НУЖНО УЧИТЫВАТЬ ГОРЮЧЕСТЬ КАБЕЛЯ?

  Сосредоточие кабелей в одном месте (в кабелепроводах, в ограниченных пространствах наподобие центров управления электродвигателями или в распределительных коробках) в случае воспламенения может привести к серьезному ущербу при пожаре. Например, по данным компании FM Global, при подобных инцидентах причиной воспламенения обычно служит повреждение изоляции и, как результат, искрение и перегрев проводников. После этого, как правило, начинается распространение огня по горючей изоляции кабеля и внешней оболочке, а также по оболочкам других кабелей, когда они находятся в непосредственном контакте или недалеко от места возгорания.

  Изоляция кабеля может ухудшиться по многим причинам. К этому ведут механическое повреждение, вибрация, влажность, перегрев, попадание масел, вызывающих коррозию жидкостей и различных растворителей. Такое случается, если за кабельным хозяйством плохо следят. Когда на кабеле накапливаются невозгораемые материалы, перегрев проводника может вызвать преждевременный выход из строя изоляции, что приведет к возгоранию. Если же отложения на кабеле оказываются горючими (например, опилки, промасленная ветошь или что-то бумажное), то при воспламенении или искрении огонь легко переходит на возгораемые материалы, что способствует быстрому распространению пожара.

  Исследование, проведенное компанией FM Globals, где изучалось 36 инцидентов за трехлетний период, связанных с возгоранием кабелей, позволило выявить некоторые интересные факты. В 35% случаев более качественная изоляция или более высокая пожаростойкость могли бы предотвратить значительное число инцидентов за счет уменьшения горючести. В 30% случаев наличие кабеля повышало риск распространения огня на воспламеняющиеся материалы в смежном пространстве. С другой стороны, ряд инцидентов дает основания предположить, что кабели подчас повреждаются в результате действия огня. Таким образом, не способствующие самораспространению пламени кабели могли бы исключить или существенно уменьшить потери в 64% исследованных случаев.

  В сравнении с объемом горючих материалов, накапливающихся в жилых помещениях, офисах, на заводах и складах, количество воспламеняемых материалов в одном кабеле или даже в связке весьма невелико. Риск реальной угрозы пожара увеличивается в связи с тем, что кабели обычно находятся в скрытом от глаз пространстве. Во многих помещениях они прокладываются в кабельных коробах, кабелепроводах или других доступных, но закрытых местах — в вентиляционных пустотах или за подвесным потолком. Подобные скрытые полости часто трудно оборудовать автоматическими средствами пожаротушения (разбрызгивателями). Даже когда разбрызгиватели устанавливаются, незначительный объем таких ограниченных пространств снижает их эффективность.

 

ТО, ЧТО ДОЛЖНО СЛУЧИТЬСЯ, СЛУЧИТСЯ

  Пожар 11 апреля 1996 г. в аэровокзале г. Дюссельдорфа (Германия) можно назвать как пример возгорания кабеля, приведшего к серьезным последствиям. Сварщик, работавший с металлическими конструкциями, соединяющими подъезд с гаражным комплексом, случайно поджег изоляцию из поливинилхлорида (PVC). Кабель был проложен в закрытом пространстве над потолком нижнего этажа. Горение происходило незаметно, а выделяющийся при этом газ накапливался в замкнутых служебных полостях. Это способствовало созданию условий для его воспламенения, после чего началось стремительное распространение огня по кабелям. Ситуация осложнялась тем, что данное пространство не использовалось для вентиляции, иначе оно было бы оборудовано детекторами дыма. Оставаясь незамеченным, огонь распространялся, пока не вырвался из закрытого пространства и не перешел на смежные уровни через незащищенные лестничные пролеты и эскалаторы.

  Пламя полыхало примерно 6,5 ч. Из здания были эвакуированы более 2 тыс. человек. К сожалению, 17 человек, хотя им удалось избежать огня, задохнулись от дыма.

  Средства безопасности, включая три важнейших элемента полной стратегии защиты от пожара: обнаружение, подавление и ограничение распространения огня, должны закладываться в конструкцию здания. Между тем в отчете Национальной ассоциации пожарной защиты (National Fire Protection Association, NFPA) отмечается, что в ходе расследования была выявлена возможность повышения мер безопасности во всех трех перечисленных областях. В отчете утверждается, что трагедии можно было бы избежать при наличии у кабеля и окружающих конструкций изоляции с более низкой горючестью или использовании специальных технологий — защитного покрытия кабеля для снижения риска, создаваемого его горючей оболочкой.

  Кроме человеческих жизней этот пожар нанес значительный ущерб зданию аэровокзала. Его ремонт потребовал нескольких миллионов долларов, а закрытие аэропорта нанесло ущерб местной экономике на сумму около 100 млн долларов.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ КАБЕЛЕЙ

  Выбор подходящего кабеля для того или иного применения требует знания классификации. Это не так просто, как разбираться в тех или иных цветовых обозначениях, но маркировка, обязательно наносимая на кабель, позволяет легко идентифицировать его. Чтобы освоиться с данными обозначениями, достаточно прочитать небольшое руководство.

  Underwriters Laboratories. Для проверки горизонтального распространения пламени по кабелям, предназначенным для прокладки в вентиляционных пустотах, в документах National Electrical Code определяется стандарт UL 910. Поскольку силовые кабели в таких случаях, как правило, заключаются в кабелепроводы, тест UL 910 обычно предназначается для коммуникационных кабелей и кабелей для сетей передачи данных. Тестирование выполняется с помощью специального аппарата под названием «туннель Штейнера». Он позволяет определить параметры распространения огня по горизонтальным кабелям, находящимся в ограниченном пространстве. Измерение скорости распространения пламени по кабелям при стандартных условиях показывает, отвечает ли кабель установленным требованиям.

  Условия тестирования таковы. Туннель Штейнера имеет длину 7,6 м, высоту 305 мм и ширину 450 мм. Он обкладывается огнеупорным кирпичом. Касающиеся друг друга кабели проходят по всей длине туннеля и подвешиваются в нем в кабельном лотке. В одном конце туннеля размещается газовая горелка мощностью 87,9 кВт. Она поджигается и нагревает кабель, создавая зону возгорания на расстоянии до 1,4 м от горелки. При тесте определяется, насколько далеко пламя распространится от зоны возгорания через 20 мин. Проводимые измерения позволяют установить это расстояние, скорость распространения фронта огня и оптическую плотность выделившихся продуктов горения.

  Чтобы электрические кабели можно было применять в жилых помещениях, они должны удовлетворять следующим критериям:

• максимальному расстоянию распространения пламени (фронт обугливания) — не более 1,5 м от основания горелки через 20 мин после ее зажигания;
• пиковой оптической плотности — не более 0,50 (32% пропускания света);
• средней оптической плотности дыма — 0,15 или менее.

  Прошедшие данный тест кабели идентифицируются одним из следующих кодов на оболочке: MPP, MRP, CMP, CL3P, CL2P, FPLP, OFNP, OFCP. Последняя буква «P» показывает, что кабель может прокладываться в воздуховодах (plenum rated), а другие буквы говорят о назначении кабеля. На примере кабеля для воздуховодов и стояков предложим образец такой номенклатуры:

  CMP: коммуникационный, многоцелевой, для воздуховодов (Communication, Multipurpose, Plenum Rated);

  CMR: коммуникационный, многоцелевой, для стояков (Communication, Multipurpose, Riser Rated);

  CM: коммуникационный, многоцелевой, общего назначения (Communication, Multipurpose, General Purpose);

  MPP: многоцелевой, для воздуховодов (Multipurpose, Plenum Rated);

  MR: многоцелевой, для стояков (Multipurpose, Riser Rated);

  FPLR: слаботочный пожарозащищенный сигнальный кабель (Power Limiting Fire Protective Signaling Cable);

  FPLR: слаботочный пожарозащищенный сигнальный кабель для стояков (Power Limiting Fire Protective Signaling Cable, Riser Rated);

  FPLP: слаботочный пожарозащищенный сигнальный кабель для воздуховодов (Power Limiting Fire Protective Signaling Cable, Plenum Rated);

  CL2R/CL3R: кабель ограниченного применения для удаленного управления, передачи сигналов и питания, для стояков (Class 2 & Class3 Remote; Control, Signaling & Power Limited Cable).

  Factory Mutual Researching. В тесте UL 910 кабели испытываются в одной конкретной конфигурации (горизонтальные, проложенные рядом кабели заданной длины на одинаковой глубине и с одинаковым касанием и т. д.). Результаты тестов даются в виде «прошел/не прошел». При тестировании кабелей для стояков или кабелей общего назначения применяются другие конфигурации и процедуры тестирования. Результат также интерпретируется как «прошел/не прошел». События в реальной ситуации редко совпадают с условиями стандартных тестов, если совпадают вообще. Таким образом, реальное распространение огня может значительно отличаться от того, что наблюдается в стандартизированных эталонных тестах UL 910.

  В природе свойства многих вещей распределены в некотором континууме. Например, рост разных людей существенно различается — от роста новорожденного до роста самого высокого человека. Между тем он не изменяется с шагом в 1 м. То же самое можно сказать о большинстве свойств объектов реального мира. Не нужно иметь богатого воображения, чтобы понять, что параметры горючести кабеля для большой группы образцов будут сильно варьироваться — от легко воспламеняемых до почти негорючих. Организация Factory Mutual Researching (FMR) разработала процедуру тестирования, позволяющую градуировать воспламеняемость кабеля по континууму значений. Для этого измеряются некоторые физические и химические свойства кабеля.

  Исследования проводились FMR в 70-е и 80-е гг. Эти работы были нацелены на определение воспламеняемости кабелей. Степень воспламеняемости характеризуется параметрами критического удельного теплового потока (Critical Heal Flux, CHF) и тепловой реакции (Thermal Response Parameter, TRP). CHF — это минимальный тепловой поток, при котором изоляция кабеля начинает выделять горючие газы. TRP характеризует сопротивляемость горению воспламеняемого материала. Горючие материалы с большими значениями CHF и TRP генерируют мало тепла и хорошо сопротивляются распространению огня. Они обычно проходят большинство тестов на распространение пламени.

После тестов на воспламенение теоретически было просчитано соотношение между скоростью распространения огня (Flame Spread Rate, FSR) и такими параметрами, как CHF, скорость тепловыделения (Heat Release Rate, HRR) и TRP. Заметим, что скорость распространения огня — обычный конечный результат, который и интересует людей, например, при анализе результатов теста UL 910. Комбинация данных результатов составляет индекс распространения огня (Flame Propagation Index, FPI). Организация FMR использует FPI для классификации кабелей и группирует результаты FPI в три категории.

  Группа 1: FPI имеет значение меньшее или равное 10. FSR показывает затухание пламени — пламя нестабильно и не поддерживается само по себе. Самораспространение огня не ожидается.

  Группа 2: FPI меньше или равно 20, но больше 10. Значение FSR таково, что пламя не разрастается. Самораспространение огня происходит медленно.

  Группа 3: FPI больше 20 — скорость распространения пламени увеличивается. Самораспространение огня происходит быстро.

  Критерий скорости распространения огня в тесте UL 910 соответствует результатам тестов FM на основе параметра FPI. Кабели группы 1 классифицируются согласно FPI ё 10, что соответствует средней скорости распространения пламени (менее 2,4 мм/с). Некоторые распространенные типы изоляции кабелей с FPI < 10 — это предназначенные для прокладки в воздуховодах кабели с переплетенной полиэтиленовой оболочкой и проводниками с неопреновым покрытием (XLPE/neoprene), кабели XLPE/XLPE или с внешней оболочкой из фторированного этиленпропилена (FEP) и проводниками с покрытием FEP (известным также как «тефлон» компании DuPont). Можно ожидать, что кабели группы 1 с большим значением TRP и малым химическим тепловыделением на единицу толщины отвечают критериям тестов IEEE 1002, CSA FT-4, UL 1581 и IEEE 383.

  Группа 2 классифицируется FM согласно 10 < FPI ё 20. Кабели PVC/ PVC имеют рейтинг FPI от умеренного до высокого и, таким образом, могут относиться как к группе 2, так и к группе 3. Можно ожидать, что кабели группы 2 с умеренным TRP и химическим тепловыделением будут отвечать критериям тестов UL 1666, SCA FT-4 и IEEE 1202.

  При FPI > 20 FM относит кабели к группе 3. Кабели PE/PVC имеют FPI выше 30 и относятся к группе 3, которая обычно соответствует классификации кабелей общего назначения по тестам UL. Данные кабели, как правило, имеют более высокое значение параметра TRP, что говорит об экспоненциальном разрастании пламени и высокой скорости тепловыделения. Обычно они не проходят тесты SCA FT4 и UL 1581, но некоторые кабели соответствуют этим тестам, благодаря достаточно низкому тепловыделению. Рисунок 2 показывает некоторые репрезентативные значения TRP и HRR для распространенных видов коммуникационных кабелей и кабелей электропитания.

  Параметры FPI опубликованы лишь для нескольких десятков кабелей. Все их можно найти в руководстве «Factory Mutual Research Specification Tested Products Guide». Из-за небольшой доли доступных кабелей с опубликованными результатами FPI в случаях, когда желателен анализ риска, кабели чаще передаются на специальное тестирование в FMR. Представители FMR уже предлагали методологию для принятия национальных и международных норм и комитетов стандартов. Похоже, эти предложения энтузиазма не вызвали.

 

ВОЗМОЖНОСТИ СНИЖЕНИЯ РИСКА ПОЖАРА

  Для строительства новых зданий строительные и электрические нормативы достаточно четко определяют классификацию кабелей, которые должны прокладываться в вентиляционных полостях (plenum rated) или вертикальных стояках через этажи (riser rated).

  При ремонте, реконструкции зданий или установке оборудования без строительных работ новые кабели, отвечающие требованиям использования в воздуховодах или вертикальных стояках, часто прокладываются рядом с уже существующими, смонтированными еще при строительстве здания. В подобной ситуации нередко возникают споры между официальными лицами и владельцами здания. Нормы касаются опасности, исходящей от кабелей, и специфицируют их на пожаростойкость в новых зданиях. Между тем от владельцев нередко требуют применения более дорогих пожаростойких материалов там, где раньше использовались несертифицированные кабели. Прокладка пожаростойких кабелей, составляющих лишь небольшую долю от всего кабельного хозяйства, подчас кажется напрасной тратой денег. Некоторые официальные правила могут требовать даже полной замены кабелей — извлечения старых и прокладки пожаростойких. Что же делать?

  Сомнительно, чтобы официальные лица ослабили требования норм пожаробезопасности, не оставляющие владельцам большого выбора. Самое простое и, вместе с тем, нелегкое решение состоит во взятии на себя значительных расходов на извлечение и замену существующих кабелей и прокладку, вместо них, одобренных для данного применения кабелей. Другой путь (в некоторых случаях приемлемый) предполагает заключение кабелей в пожаростойкие шахты. Оба этих решения могут не подойти для конкретного владельца, но пожаростойкость, не рассчитанных на данную категорию кабелей, несложно повысить с помощью специальной технологии. Она позволяет уменьшить коэффициент FSR (скорость распространения пламени) и выделение дыма (Smoke Development Classification, SDC).

  Обратившись к тестам UL 910, отметим, что кабели классифицируются как кабели для воздуховодов, если скорость распространения пламени у них меньше или равна 2,4 мм/с. В настоящее время используются различные покрытия и оболочки для уменьшения значения FSR и SDC. Как сообщается, в некоторых случаях только за счет материала покрытия эти значения удается снизить до нуля. Располагая такими данными, можно обоснованно предположить, что применение покрытий или оболочек для не соответствующих рейтингу кабелей уменьшит их FSR и повысит сопротивляемость возгоранию. Во многих нормативах указывается также, что кабели для воздуховодов должны иметь коэффициент SDC менее 50.

  Улучшить значения FSR и SDC кабелей — оболочки и покрытия — можно двумя способами.

Оболочки. Как следует из названия, оболочка охватывает связку кабелей или даже кабельный лоток. Это эффективное решение для уменьшения возгораемости. Для него характерны легкая инсталляция, простой доступ и пожаростойкость до 2 ч (согласно рейтингу). Между тем данная технология имеет свою цену. Оболочка значительно увеличивает вес кабельного лотка, а потому, скорее всего, потребуются дополнительные крепления и фиксаторы. Кроме того, оболочка действует как теплоизолятор, ухудшая вентиляцию и рассеивание выделяемого кабелями тепла. Это особенно важно для силовых кабелей. Оболочка может повысить их температуру, что ведет к пропорциональному росту сопротивления, и потребители тока будут получать меньшую мощность. Возросший нагрев способен привести к необходимости сертифицировать кабель заново — его параметры станут ниже расчетных.

  Покрытия. Покрытие может быть абляционным (эндотермическим) или вспучивающимся. Этот наносимый кистью или распылителем на кабель тонкий слой эффективно уменьшает значения FSR и SDC. Он не увеличивает существенно вес кабеля, и его можно наносить повторно. Маловероятно, что потребуется дополнительное крепление или поддержка. Кроме того, при нормальных рабочих температурах покрытие почти не действует как теплоизолятор. Таким образом, параметры рассеивания кабелями тепла и их внутреннее электрическое сопротивление остаются практически неизменными. Организация Factory Mutual Researching, тестирующая такие покрытия и составляющая их перечни, предусматривает специальный тест, гарантирующий, что свойства кабеля с покрытием не ухудшатся настолько, что он не будет соответствовать прежней категории.

  К недостаткам покрытия относятся возможности его растрескивания или стирания при добавлении или удалении кабелей. Если это происходит, отдельные участки кабеля можно покрыть заново, тем самым восстановив первоначальную защиту. При выборе формы защиты предпочтительнее продукты, обеспечивающие лучшие (минимальные) значения FSR и IDC. Кроме того, как и при работе с любым химическим продуктом, следует выяснить по таблице MSDS, насколько покрытие безопасно для человека.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

  Кабели — горючие материалы, и это не промах производителей. Их воспламеняемость ставит сложную задачу обеспечения безопасности жизни людей и защиты имущества. В конечном счете развитие химии полимеров может привести к созданию полностью безопасных кабелей с требуемыми электрическими характеристиками. Не исключено, что когда-нибудь подобные кабели будут применяться во всех приложениях. Пока же приходится полагаться на информацию тестирующих кабели организаций, таких, как UL и FM, создающих рейтинги и классифицирующих их для использования в вентиляционных пустотах зданий, вертикальных стояках и шахтах. В ситуациях, требующих уменьшения риска возгорания кабелей, доступен ряд возможностей, о которых и рассказывалось в данной статье.

 

Статья опубликована с разрешения журнала  

№04 2002 г