Нераспространяющие горение и огнестойкие силовые кабели

В современных кабельных коммуникациях объем и концентрация электрических кабелей значительно возрастают, что приводит к увеличению риска пожара. По данным США, ежегодный ущерб от пожаров, вызванных загоранием кабелей, составляет около 6 млрд. дол. Поэтому одной из актуальнейших проблем в настоящее время является создание не распространяющих горение огнестойких кабелей.
Для оценки пожарной безопасности кабелей используют следующие основные показатели:
• нераспространение горения;

1. оптическая плотность дымообразования;
2. коррозионная активность продуктов газовыделения;
3. токсичность продуктов газовыделения;
4. огнестойкость.

Нераспространение горения характеризует способность кабеля к самозатуханию после прекращения воздействия источника пламени. Количественно этот показатель оценивают по длине поврежденного участка кабеля после прекращения его горения.
Дымообразование при горении кабеля характеризуется максимальной удельной оптической плотностью среды в камере при сгорании образца. Этот показатель характеризует развитие во времени задымленности в помещении при пожаре и в значительной степени определяет условия тушения пожара.
Коррозионная активность продуктов газовыделения приводит к разрушению электрооборудования в помещениях, и, таким образом, увеличивается ущерб от пожара. Количественно этот показатель характеризуется количеством выделения таких активных продуктов, как хлористый водород (НС1), бромистый водород (НВг), диоксид серы (SO2) и т.п.
Токсичность продуктов газовыделения, как правило, является одной из причин несчастных случаев при пожарах. К токсичным продуктам прежде всего относят: цианистый водород (HCN), аммиак (NH3), диоксид серы (SO2), сероводород (H2S). оксид углерода (СО) и некоторые другие соединения.
Огнестойкость кабеля характеризуется сохранением его работоспособности при воздействии открытого пламени в течение установленного времени (от 15 мин до 3 ч).
Показатели пожарной безопасности кабелей определяют в основном правильным выбором материалов изоляции и защитных покровов, а также зависят от конструктивного исполнения кабелей.
Для полимерных материалов, используемых для изоляции или шланга, установлены такие показатели пожарной безопасности, как горючесть, кислородный индекс, коэффициент дымообразования, токсичность продуктов горения.
Горючесть в соответствии с ГОСТ 12.1.044-89 (Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения) характеризует способность материала к горению.
При этом выделяются материалы: негорючие — не способные к горению в воздухе; трудногорючие — способные возгораться в воздухе, не способные самостоятельно гореть после удаления источника зажигания; горючие — способные самовозгораться, а также самостоятельно гореть после удаления источника зажигания.
Следует отметить, что существующие количественные показатели горючести материалов часто не могут быть увязаны с показателями пожарной безопасности
кабеля и поэтому не находят широкого применения при их конструировании.
Наибольшее распространение для оценки горючести получил показатель «кислородный индекс» (КИ). КИ материала равен минимальному объему кислорода в кислородно-азотной смеси, при котором возможно устойчивое горение материала в условиях испытаний.
Как показывает опыт, можно утверждать, что все материалы с КИ < 21 являются горючими материалами, т.е. могут самостоятельно гореть на воздухе после удаления источника зажигания. Ниже приведены значения КИ материалов, применяемых для производства кабелей:
Полиэтилен.......................................................................................................... 18
Полиэтилен самозатухающий...................................................................... 24—27
Поливинилхлоридный (ПВХ) пластикат.................................................. 24
ПВХ-пластикат пониженной горючести................................................... 32—40
ПВХ (смола)......................................................................................................... 45
Резина на основе бутилкаучука..................................................................... 16
Резина на основе хлоропренового каучука.............................................. 26
Полиэтиленвинил ацетат................................................................................. 52
Этиленпропиленовый каучук........................................................................ 18—22
Полиамид............................................................................................................. 25
Полиимид............................................................................................................. 36
Фторопласт-4....................................................................................................... 95—96
Фторопласт-4МБ................................................................................. :............. 95
Фторопласт-2М................................................................................................... 43—44
Фторопласт-40.................................................................................................... 30—31
Коэффициент дымообразования характеризует оптическую плотность дыма, образующегося при сгорании материала в помещении. Определение коэффициента дымообразования основано на фотометрической регистрации ослабления освещенности при прохождении света через задымленное пространство.
В зарубежной практике наибольшее распространение получил метод камеры NBS (Национальное бюро стандартов).
Коэффициент дымообразования при испытаниях по методу NBS — безразмерная величина и определяется для двух режимов: тления и пламенного горения материала.
Максимальная оптическая плотность дыма для различных материалов по методу NBS приведена в табл. 6.
Коррозионная активность продуктов газовыделения, в соответствии с рекомендациями МЭК, оценивается по содержанию, НС1, НВг, S02 и HF, определяемому известными аналитическими методами, в камере сгорания, где образец нагревается до температуры 800 °С в течение 20 мин.
Токсичность продуктов горения также оценивается по количеству выделяемых токсичных газов (СО, С02, НС1, HCN, НВг, HF, S02, NO) при нагревании материалов до температуры 800 °С.
В кабельной промышленности, как известно, основными материалами, применяемыми для изоляции и оболочек кабелей, являются ПВХ-пластикаты, полиэтилен и различные резины.

Максимальная оптическая плотность дыма

Наименее горючий из этих материалов — ПВХ-пластикат, что можно объяснить его химической структурой (наличие атомов хлора и отсутствие двойных связей). При пожаре происходит разложение пластиката с выделением НС1. Это препятствует распространению пламени, однако при контакте с водой или водяными парами НС1 образует соляную кислоту, обладающую сильными коррозионными свойствами. Газообразный НС1 оказывает отрицательное действие на организм человека. Высокое дымо- и газовыделение ограничивает применение обычных изоляционных и шланговых рецептур ПВХ-пластиката для огнестойких и нераспространяющих горение кабелей.
Стойкость ПВХ к действию пламени можно увеличить специальным подбором ингредиентов. Так, в ПВХ-пластикаты пониженной горючести вводят антипирены (вещества, снижающие горючесть), фосфатные пластификаторы, специальные наполнители. Эти ингредиенты не только снижают горючесть пластиката, но и уменьшают дымо- и газовыделение при пожаре благодаря тому, что они вступают в химическую реакцию с НС1, связывают его и переводят в негорючие продукты, остающиеся в золе.
Полиэтилен обладает повышенной горючестью, поэтому для негорючих кабелей применяют композиции самозатухающего полиэтилена, в которую вводят антипирены. Чаще всего это смесь хлорированного парафина и триоксида сурьмы. Одним из преимуществ самозатухающего полиэтилена перед ПВХ-пластикатом является пониженное дымо- и газовыделение, а также низкие показатели вредности и токсичности. Шланговые рецептуры самозатухающего полиэтилена известны под названием «касполон».
Наименьшей горючестью из традиционных резин обладают резины на основе полихлоропренового каучука, которые используют для оболочек кабельных изделий. Повышенной стойкостью к горению обладают также резины на основе кремнийорганических каучуков, а также таких каучукоподобных полимеров, как хлорированный или хлорсульфированный полиэтилен (Hypolon).
Высокой огнестойкостью обладают полимеры на основе тетрафторэтилена и другие фторполимеры. Эти материалы обладают одним из самых высоких кислородных индексов и низким дымо- и газовыделением. Тем не менее, следует иметь в виду, что при температуре выше 300 °С эти материалы выделяют высокотоксичные продукты, которые поражающе действуют на человеческий организм и выводят из строя электрооборудование.
Первые нераспространяющие горение силовые кабели у нас были созданы на основе традиционных конструкций кабелей с бумажной пропитанной изоляцией в алюминиевой оболочке.
Кабели на 1-10 кВ марок ААБнлГ и ЦААБнлГ не распространяют горение при испытаниях в пучках, кроме того, кабели выдерживают воздействие открытого пламени в течение 20 мин при испытаниях на огнестойкость. Повышенная пожаростойкость в этих кабелях достигается применением специального защитного покрова, содержащего две стальные оцинкованные ленты и подушку под броней из стеклопряжи. Наличие различных металлических экранов, оболочек и брони повышает огнестойкость кабелей, поэтому эти элементы используют также для создания пожаростойких кабелей с пластмассовой изоляцией.
Для передачи и распределения электроэнергии при напряжении 6 кВ в тех случаях, когда предъявляются требования по нераспространению горения, применяют специальные бронированные силовые кабели с поливинилхлоридной изоляцией с алюминиевыми и медными токопроводящими жилами Номинальное сечение жил 25...150 мм². Форма жил в основном секторная, допускается круглая форма жил сечением 25...50 мм². Поверх сердечника из скрученных жил и заполнения накладывают скрепляющую обмотку из полипропиленовых и полиэтилентерефталатных лент, причем ленты накладывают с зазором. Затем методом экструзии накладывают поясную изоляцию из самозатухающего полиэтилена.
Поверх поясной изоляции обмоткой с перекрытием накладываются ленты из полупроводящей кабельной бумаги и обмоткой с зазором две стальные ленты, образующие бронепокров. Верхняя стальная лента должна перекрывать зазоры между кромками нижней ленты. Толщина стальных лент 0,3—0,5 мм. Защитная оболочка имеет толщину 2,2...2,4 мм и изготовляется из поливинилхлоридного пластиката пониженной горючести. Именно эта оболочка в комбинации со стальными лентами обеспечивает удовлетворение требований по нераспространению горения при прокладке в пучках, несмотря на то что изоляция кабелей выполнена из обычного поливинилхлоридного пластиката. Кабели имеют марки ВБВнг и АВБВнг.
В России освоен промышленный выпуск таких кабелей. Эти кабели имеют в маркировке индекс «нг» и используются преимущественно для АЭС.
Анализ известных технических решений по созданию огнестойких кабелей показывает, что хорошие результаты дает применение огнезащитных барьеров из стеклослюдинитовых лент поверх токопроводящей жилы, которые в сочетании с поливинилхлоридным пластикатом обеспечивают изоляционные свойства слоя в течение длительного времени при воздействии пламени. Огнезащитный барьер может быть размещен и поверх сердечника огнестойких кабелей на напряжение 1-6 кВ.
В качестве изоляции пожаростойких кабелей предпочтительнее использовать полимерные композиции, не выделяющие при горении галогеноводородов. Это преимущественно сшитый полиэтилен или его композиции со специальными типами минеральных наполнителей и антипиренов
В мировой практике и в России используют также ряд мастик и красок, наносимых на поверхность проложенных в коммуникациях кабелей в качестве дополнительной меры по их огнезащиты. Эти покрытия наносят обычно либо кистью, либо распылением.
Толщина образующегося покрытия около 1,5 мм. В состав покрытий, как правило, входят негорючие компоненты, волокнистые наполнители и водно- эмульсионные связующие. Однако следует иметь в виду, что при использовании огнезащитных покрытий токовые нагрузки кабелей снижаются на 3...7%.
Кабели нагревостойкие с минеральной изоляцией (ТУ 16-505.564-75) широко распространены. Приведём основные марки такого кабеля с минеральной изоляцией в стальных оболочках: КНМСС, КНМСпС, КНМСН, КНМСпН, КНМСНХ-Н, КНМСпНХ-Н, КНМС2С, КНМСп2С, КНМСЗС, КНМСпЗС. Такой кабель состоит из токопроводящих жил, которые заключены в одну, две или три соостные оболочки из нержавеющей стали или сплава. Токопроводящие жилы и оболочки изолированы друг от друга периклазом или окисью магния марки «Чда». Токопроводящие жилы кабелей однопроволочные из нержавеющей стали, нихрома или никеля.
Кабели изготавливают одно- двух- и четырёхжильные. Наружный диаметр кабелей от 0,9 до 6 мм, сечение жил 0,07...1,31мм².
Кабели предназначены для работы при напряжении от 115 до 500 В постоянного или переменного тока с частотой до 1000 Гц при температурах от -60 до +600°С.
Эти кабели могут применяться на атомных электростанциях т.к. могут работать в нейтронных потоках 1 х 1014 нейтрон /см² х с и при мощности дозы гамма потока 1 х 109 р/ч.
Применяют также отечественные кабели марок: КТМС (ХА), КТМСп (ХА), КТМС (ХК), КТМСп (ХК) ( по ТУ 16-505.757-75).