Jak dobrać przewody i kable do instalacji funkcjonujących w czasie pożaru?

W instalacjach elektrycznych obiektów budowlanych są powszechnie stosowane przewody w izolacji i powłokach z tworzyw sztucznych, zwłaszcza z polichlorku winylu (PCW).

Pod wpływem temperatury (płomieni lub nagrzanego powietrza) polichlorek winylu ulega rozkładowi, co powoduje powstawanie toksycznych związków. Obok tych toksycznych związków, tzw. halogenków, powstaje chlorowodór i gęste trujące dymy utrudniające akcję gaśniczą. Po usunięciu ognia polichlorek winylu gaśnie, co oznacza, że nie przenosi płomieni.

W celu uniknięcia szkodliwego działania na organizmy ludzkie produktów rozkładu tworzyw sztucznych stosuje się obok PCW wiele innych polimerów elektroizolacyjnych, tzw. ekologicznych. W skład tych materiałów nie wchodzą związki szkodliwe dla ludzi.

Tworzywa bezhalogenkowe są stabilne termicznie w czasie pożaru. Pod wpływem podwyższonej temperatury nie ulegają rozkładowi z wydzielaniem związków toksycznych, dymów i chlorowodoru. Działanie płomienia na te materiały izolacyjne nie powoduje zanieczyszczenia środowiska halogenkami i innymi związkami toksycznymi.

Najczęściej stosowane materiały izolacyjne to:

• PE – polietylen izolacyjny spieniony powłokowy,
• VPE – polietylen usieciowany,
• LDPE – polietylen wysoko ciśnieniowy,
• PP – polipropylen,
• TPEO – termoplastyczny elastomer poliolefinowy, teflon, guma silikonowa.

W zależności od wymaganego minimalnego czasu zasilania urządzeń elektrycznych czynnych w czasie akcji gaśniczej (funkcjonowania w czasie pożaru) kable i przewody są zaliczane do jednej z trzech klas odporności na działanie ognia – 30 minut, 60 minut i 90 minut i oznakowane E30, E60 i E90 zgodnie z normą niemiecką DIN VDE 4102-12 lub równorzędnych klas odporności ogniowej PH30, PH60 i PH90 według Polskich Norm:

• klasa PH(E) 30 – czas funkcjonowania ≥ 30 minut odpowiada wzrostowi temperatury do 830^oC,
• klasa PH(E) 60 – czas funkcjonowania ≥ 60 minut odpowiada wzrostowi temperatury do 870^oC,
• klasa PH(90) – czas funkcjonowania ≥ 90 minut odpowiada wzrostowi temperatury do 980^oC (rys. 5)

Przewody przeznaczone do instalacji podtrzymania funkcji można podzielić na trzy grupy w zależności od ich konstrukcji i zastosowanych materiałów:

• przewody w izolacji polwinitowej (PCW) lub polietylenowej PE w powłoce polwinitowej uniepalnionej;
•  przewody w izolacji i powłoce z samogasnących materiałów bezhalogenkowych, wydzielających w czasie pożaru małe ilości dymów i niewydzielające gazów trujących ani korozyjnych (niszczących elektronikę);
• przewody w izolacji i powłoce z taśmy mikowej i tworzywa bezhalogenkowego gwarantujące działanie wybranych instalacji (służących do podtrzymania funkcji) w określonym czasie.

W celu spełnienia podstawowych wymagań normatywnych trzeba przy doborze przewodów i ich instalowaniu m.in. uwzględnić:

• znamionowe napięcia i częstotliwości,
• miejsca i sposoby układania przewodów,
• liczbę przewodów (żył) pod wspólną osłoną, odległości między przewodami lub wiązkami,
• przewidywane obciążenia – wartości prądów, czas trwania i zmian w czasie,
• wartości prądu w przewodzie neutralnym przy niesymetrycznym obciążeniu obwodów trójfazowych,
• wartości prądów zwarciowych i czasów ich trwania,
• wartości dopuszczalnych spadków napięcia,
• zagrożenie pożarowe.

Przy doborze przewodów zasilających urządzenia elektryczne funkcjonujące w czasie pożaru przeznaczone do prowadzenia akcji gaśniczej i ewakuacji ludzi, oprócz odpowiedniej klasy podtrzymania funkcji (PH/E30, PH60/E lub PH/E90), decydujące znaczenie ma określenie przekrojów żył z punktu widzenia obciążalności prądowej, spadku napięcia i ochrony przeciwporażeniowej.

W przypadku powstania pożaru w bardzo krótkim czasie wzrasta temperatura powietrza otaczającego przewody zasilające i pogarszają się warunki ich chłodzenia; przewody, nagrzewające się pod wpływem przepływającego prądu, zamiast być chłodzone przez otaczające powietrze, są przez nie nagrzewane. Rezystancja czystych metali zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury. A zatem w wyniku działania wysokiej temperatury wzrasta rezystancja żył przewodów miedzianych i aluminiowych. Można założyć, że temperatura żył przewodu pod koniec jego funkcjonowania będzie równa temperaturze w palącym się pomieszczeniu.

Nie zawsze jednak przewód na całej długości przebiega przez strefę objętą pożarem. Zazwyczaj tylko część trasy przewodu przechodzi przez przestrzeńobjętą pożarem, przez tzw. strefę gorącą, reszta zaś znajduje się w tzw. strefie zimnej, czyli w pomieszczeniach nieobjętych pożarem.

W strefach zimnych temperatura żył przewodu jest równa temperaturze otoczenia lub najwyżej maksymalnej dopuszczalnej temperaturze pracy przewodu.

Zasady doboru przewodów do zasilania urządzeń przeciwpożarowych czynnych w czasie pożaru określone są w normie N SEP-E-005 „Dobór przewodów elektrycznych do zasilania urządzeń przeciwpożarowych , których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru”, wydanej przez Stowarzyszenie Elektryków Polskich.

W normie rozpatrywane są dwa aspekty doboru przewodów elektrycznych do warunków pożaru:

• dobór przekroju przewodów zasilających urządzenia funkcjonujące w czasie akcji gaśniczej z uwzględnieniem wzrostu rezystancji żył pod wpływem podwyższonej temperatury,
• sprawdzenia wyznaczonego przekroju przewodów zasilających pod kątem skuteczności samoczynnego wyłączenia napięcia zasilającego w wymaganym czasie.

Wzrost rezystancji żył przewodów funkcjonujących w warunkach pożaru pod wpływem temperatury musi być uwzględniony przy doborze przekroju żył przewodów ze względu na ograniczenie maksymalnego dopuszczalnego spadku napięcia oraz wymaganie samoczynnego wyłączenia napięcia zasilającego w wymaganym czasie w przypadku pojawienia się napięcia uszkodzeniowego na częściach przewodzących dostępnych. Przyrost temperatury otoczenia w czasie pożaru odczytuje się z pożarowej krzywej celulozowej zdefiniowanej w normie PN-EN 1363-2 Badanie odporności ogniowej. Część 2: Procedury alternatywne i dodatkowe przytoczonej również w załączniku A omawianej normy (patrz rys.).

Spodziewana wartość temperatury otoczenia występująca w czasie pożaru jest uzależniona od wymaganego czasu pracy zasilanych urządzeń. Czas ten powinien być określony w „scenariuszu zdarzeń pożarowych” albo przez rzeczoznawcę ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych.

Rys. Celulozowa krzywa pożarowa T = f(t) opisująca zmienność temperatury w funkcji czasu trwania pożaru. Badania odporności ogniowej przewodów są wykonywane zgodnie z krzywą celulozową. Zaznaczono temperatury przewodów po czasie 30 minut, 60 minut i 90 minut ich pracy w warunkach pożaru

Jak określić rezystancję żył przewodów zasilających urządzenia pracującego w czasie pożaru?

Rezystancję żył przewodów zasilających urządzenia pracującego w czasie pożaru określa się z podanego w normie wzoru:

R_o = R₂₀ ∙ k_x            (1)

gdzie:

R_o – rezystancja żyły przewodu w temperaturze pożaru [Ω],

R₂₀ – rezystancja żyły przewodu w temperaturze 20^oC,

k_x – współczynnik uwzględniający udział odcinka l_x , obwodu zasilającego, narażonego na działanie wysokiej temperatury w długości obwodu l określony wzorem (2),

T_o – spodziewana temperatura otoczenia przewodów zasilających w warunkach pożaru [K].

gdzie:

l – długość przewodów obwodu zasilającego [m],

l_x – długość odcinka przewodu obwodu zasilającego narażonego na działanie wysokiej temperatury [m].

W tablicy 1. podana jest obliczeniowa temperatura żył miedzianych i krotność zwiększenia rezystywności miedzi w warunkach pożaru.

Tablica 1. Obliczeniowa temperatura żył miedzianych i krotność zwiększenia rezystywności miedzi w warunkach pożaru

Gdy trasa przewodu zasilającego urządzenia funkcjonujące w czasie pożaru znajduje się w całości w jednej strefie pożarowej, to trzeba przyjąć, że przewód ten narażony jest na działanie wysokiej temperatury na całej długości i założyć wartość współczynnika k_x = 1.

Gdy trasa obwodu zasilającego przechodzi przez różne strefy pożarowe, wówczas do obliczenia współczynnika k_x przyjmuje się największą długość l_x w strefie pożarowej.

Przy wyznaczaniu przekroju przewodów zasilających urządzenia pracujące w czasie pożaru ze względu na maksymalny dopuszczalny spadek napięcia trzeba uwzględnić wzrost ich rezystancji pod wpływem wysokiej temperatury zgodnie z wzorami (3) w obwodzie trójfazowym i (4) w obwodzie jednofazowym, jest to również ważne ze względu na skuteczność ochrony przeciwporażeniowej:

• przekrój żył przewodów w obwodach trójfazowych:

• przekrój żył przewodów w obwodach jednofazowych:

gdzie:

l – długość trasy przewodów [m],

∆U_dop – dopuszczalny spadek napięcia [%] określony w normie N SEP-E 002,

U_n – napięcie znamionowe [V],

U_{n f} – napięcie znamionowe fazowe [V],

X – reaktancja przewodów linii zasilającej [Ω],

I_B – spodziewany prąd obciążenia [A],

γ – konduktywność żyły przewodu zasilającego [m/(Ω ▪ mm²)],

k_p – współczynnik przyrostu rezystancji żyły przewodu wg wzoru (5).

Zgodnie z wymaganiami określonymi w rozporządzeniu ministra spraw wewnętrznych i administracji z 20 czerwca 2007 r. w sprawie wykazu wyrobów służących zapewnieniu bezpieczeństwa publicznego lub ochronie zdrowia i życia oraz mienia, a także zasad wydawania dopuszczenia tych wyrobów do użytkowania (Dz.U. z 2007 r. nr 143, poz. 1002 z późn. zm.) przewody i ich zamocowania przeznaczone do instalacji alarmu pożarowego, oświetlenia awaryjnego i podtrzymujące funkcje w czasie akcji gaśniczej powinny mieć certyfikaty wydane przez Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej jako upoważnionej jednostki notyfikowanej.