Überprüfung der Tests, Eigenschaften der Flamme

Elektrische Verkabelungssysteme sind meist versteckt und in die Konstruktion, Deckenräume, Steigschächte oder Wandhohlräume eingebettet. Kabel werden in Gebäuden von vielen verschiedenen Gewerken für unterschiedliche Anwendungen und häufig in Polymerrohren und Kanalsystemen installiert. Was nicht oft erkannt wird, ist, dass die vielen Kilometer Kabel und viele Tonnen Kunststoffpolymere, aus denen das Verkabelungssystem besteht, eine große feste Brandlast in einem Gebäude darstellen können.

Die meisten gängigen flexiblen Kabel bestehen aus Polymeren auf Kohlenwasserstoffbasis (Öl). Diese Basispolymere sind normalerweise nicht flammhemmend und haben einen hohen Heizwert. Daher fügen Kabelhersteller Chemikalien hinzu, um sie für den Einsatz in Elektrokabeln besser geeignet zu machen.

Halogenzusätze

Halogenierte Polymere haben einen negativen Nebeneffekt, da sie im Feuer Halogene als giftige Halogenide freisetzen

Halogene wie Chlor sind besonders gute Zusatzstoffe, die dazu beitragen, die Flammenausbreitung zu verzögern und die dielektrischen Eigenschaften des Polymers nicht wesentlich zu beeinträchtigen. Daher werden Halogene sowohl in Kabelisolierungen als auch in Kabelmänteln verwendet.

Diese halogenierten Polymere (Beispiel: PVC) haben auch einen negativen Nebeneffekt, da sie im Brandfall die Halogene als äußerst giftige Halogenide freisetzen und in Verbindung mit der Feuchtigkeit in Augen, Mund und Lunge sehr reizend wirken. Oftmals setzen Standard-PVC-Kabel auch große Mengen beißenden Rauch frei.

Nichthalogenierte Materialien

Konstrukteure sind sich häufig der Gefahren der Brandausbreitung, von Halogen und giftigen Gasen sowie des Rauchs bewusst, der im Brandfall von Kabeln freigesetzt wird, und spezifizieren daher Kabel mit den Eigenschaften „Halogenfrei“, „Flammhemmend“ und „Geringe Rauchentwicklung“.

In diesen Fällen müssen Kabelhersteller andere nichthalogenierte Materialien verwenden, meist mit flammhemmenden Füllstoffen wie Aluminiumoxidtrihydrat (ATH).

Elektrische und mechanische Eigenschaften

Halogenfreie flammhemmende Kabel verwenden meist ein ungefülltes oder weniger gefülltes Polymer wie Polyethylen

Obwohl diese Füllstoffe die Flammenausbreitung wirksam verzögern, wirken sie sich häufig negativ auf das Polymer aus, indem sie die dielektrische Leistung verringern oder die mechanische und Wasserbeständigkeit beeinträchtigen.

Aus diesem Grund werden Additive wie ATH meist nur in Kabelmänteln eingesetzt. Halogenfreie flammhemmende Kabel verwenden meist ein ungefülltes oder weniger gefülltes Polymer wie Polyethylen (PE oder XLPE) oder EPR für die Isolierung, das gute elektrische und mechanische Eigenschaften aufweist, aber möglicherweise nicht sehr flammhemmend ist.

Oft sind die besten flammhemmenden Kabel halogeniert, da sowohl die Isolierung als auch der Außenmantel flammhemmend sind. Wenn wir jedoch halogenfreie Kabel benötigen, stellen wir fest, dass oft nur der Außenmantel flammhemmend ist, die Innenisolierung jedoch nicht.

Testen unter Überlastbedingungen

Dies ist von Bedeutung, da Kabel mit einem flammhemmenden Außenmantel zwar Flammschutztests mit einer externen Flammenquelle bestehen können (BS EN 60332-1, BS EN 60332-3), die gleichen Kabel jedoch auch bei starker Überlastung oder längeren Kurzschlüssen bestehen In universitären Tests wurde nachgewiesen, dass es leicht entflammbar ist und sogar unter ungeklärten Kurzschluss- oder Überlastbedingungen einen Brand auslösen kann.

Dieser Effekt ist bekannt und wurde von Nexans/Olex Cables Australia auf der 8. Internationalen Konferenz über isolierte Stromkabel (Jicable'11, 19.-23. Juni 2011, Versailles, Frankreich) veröffentlicht. Dies bedeutet, dass Ihre flammhemmenden Kabel unter ungeklärten Kurzschluss- oder Überlastbedingungen möglicherweise nicht flammhemmend sind.

Eigene Temperaturänderung

BS 7671 und IEC 60364-5-52 verfügen über Bewertungstabellen, die den Betrieb einiger Kabelkonstruktionen bei bis zu 90 °C ermöglichen

In Großbritannien, der EU und vielen anderen Ländern verfügen BS 7671 und IEC 60364-5-52 über aktuelle Nennstromtabellen, die den Betrieb einiger Kabelkonstruktionen bei Leitertemperaturen von bis zu 90 °C ermöglichen.

Auch wenn dies für die Kabel technisch akzeptabel ist, wurde nicht vollständig berücksichtigt, welche inhärenten Auswirkungen diese Kabelbetriebstemperatur auf die Entflammbarkeit des Kabels haben kann.

Durchführung von Tests bei Betriebstemperatur

Wo Kabel gemäß IEC 60332-3-22/23/24 flammhemmend sein müssen, ist es von Bedeutung, dass diese Tests nicht an Kabelproben durchgeführt werden, die auf die Nennbetriebstemperatur des Kabels vorkonditioniert wurden, sondern bei Raumtemperatur beginnen.

Es ist allgemein bekannt, dass ein Material umso leichter brennt, je heißer es ist. Daher werden Entwickler und Benutzer von Kabeln, die behaupten, diese Standards zu erfüllen, möglicherweise überrascht sein, wenn sie erfahren, dass ihre Kabel möglicherweise überhaupt nicht flammhemmend sind, wenn sie bei der Nennbetriebstemperatur installiert und verwendet werden .

Viele Länder auf der ganzen Welt setzen im Streben nach erhöhter Gebäudesicherheit verstärkt auf den Einsatz von halogenfreien und flammhemmenden Kabeln (HFFR).

Obwohl dies ein bewundernswertes Motiv ist, kann die Realität ganz anders aussehen: Wenn Kabelhersteller sowohl flammhemmende als auch halogenfreie Eigenschaften fordern, müssen sie oft einen Kompromiss zwischen hoher Flammhemmung mit Halogenen oder reduzierter Flammhemmung ohne Halogene eingehen.

Polymere

Kabelhersteller entscheiden sich häufig für Polyethylen, weil es leicht zu verarbeiten und günstig ist, jedoch eine hohe Brandlast aufweist

Um halogenfreie Kabel bereitzustellen, wählen Kabelhersteller am häufigsten Polymere wie Polyethylen (PE und XLPE), da diese einfach zu verarbeiten und kostengünstig sind. Polyethylen ist jedoch zwar halogenfrei, weist jedoch von Natur aus eine hohe Brandlast auf.

Die folgende Tabelle vergleicht die Brandlast in MJ/kg für gängige Kabelisoliermaterialien mit einigen gängigen Brennstoffen. Die Wärmefreisetzungsrate und die Flüchtigkeit dieser Materialien in der Luft sind unterschiedlich, aber der Brennstoff, der einem Feuer pro kg zugeführt wird, und die daraus resultierende Menge an erzeugter Wärme und verbrauchtem Sauerstoff sind relativ.

Brandschutz

Wenn wir den Brandschutz bei der Kabelkonstruktion berücksichtigen, müssen wir die wichtigsten Faktoren verstehen: Brandexperten sagen uns, dass die meisten feuerbedingten Todesfälle in Gebäuden durch Rauchvergiftung, Temperaturanstieg und Sauerstoffmangel oder durch Traumata durch Hineinspringen bei Fluchtversuchen verursacht werden diese Effekte.

Die häufigste Todesursache bei Gebäudebränden ist insbesondere das Einatmen von Rauch mit Erstickungsgefahr aufgrund von CO (Kohlenmonoxid), obwohl HCN (Blausäure) mit der zunehmenden Verwendung künstlicher und leichter synthetischer Baumaterialien immer häufiger vorkommt. Bemerkenswert ist, dass es sich auch nicht um ein Halogengas handelt.

Hier helfen schwer entflammbare Kabel mit einem hohen Sauerstoffindex, da sie die Brandausbreitung begrenzen können

Der erste und wichtigste Aspekt von Rauch ist: Wie viel Rauch? Je größer das Feuer, desto mehr Rauch wird normalerweise erzeugt. Daher wird alles, was wir tun können, um die Ausbreitung des Feuers zu reduzieren, auch die Rauchmenge entsprechend reduzieren.

Hier helfen schwer entflammbare Kabel mit einem hohen Sauerstoffindex, da sie die Brandausbreitung begrenzen können.

Brennbare Gase

Rauch enthält Partikel aus Kohlenstoff, Asche und anderen Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen, von denen viele giftig und brennbar sind.

Insbesondere Brände in geschlossenen Bereichen wie Gebäuden, Tunneln und unterirdischen Umgebungen führen dazu, dass der Sauerstoffgehalt in der Nähe des Brandherdes sinkt, was zu unvollständiger Verbrennung und Schwelen führt, wodurch erhöhte Mengen an Rauch und giftigen Nebenprodukten wie CO (Kohlenmonoxid) entstehen können. . Wie wir wissen, werden durch die Anwesenheit von halogenierten Materialien giftige Halogenide wie Chlorwasserstoff zusammen mit vielen anderen giftigen und brennbaren Gasen im Rauch freigesetzt.

IEC-Rauchtests

Aus diesem Grund werden übliche britische und IEC-Rauchtests (BS EN 61034-2) durchgeführt, indem Kabelproben in großen 3-Meter-Kammern mit einem Alkoholbrennstoff und viel Luft verbrannt werden.

Dies kann zu sehr irreführenden Rauchzahlen führen, da bei vollständiger Flammenverbrennung häufig weitaus weniger Rauch freigesetzt wird als bei teilweise unvollständiger Verbrennung oder Schwelen, was in der Praxis wahrscheinlich ist.

Raucharme Kabel

An Kabeln, die einer Erwärmung unter Kurzschluss- oder Überlastbedingungen ausgesetzt sind, werden keine Rauchtests durchgeführt

Es werden keine Rauchtests an Kabeln durchgeführt, die einer Erwärmung unter Kurzschluss- oder Überlastbedingungen ausgesetzt sind, wobei bei einigen gängigen „halogenfreien“ Isoliermaterialien deutlich mehr Rauch entsteht als in Flammen.

Die bloße Spezifizierung von Kabeln mit geringer Rauchentwicklung, die den gängigen britischen und IEC-Normen entsprechen, und die anschließende Annahme, dass dadurch während eines echten Brandes eine Umgebung mit geringer Rauchentwicklung geschaffen wird, mag den Planern und Behörden zwar Trost spenden, ist aber in der Praxis für die beteiligten Personen leider nur von geringem Nutzen.

Es ist besorgniserregend, dass das Vereinigte Königreich, Europa und viele andere Länder das Konzept halogenfreier Materialien übernehmen, ohne sich angemessen mit dem Thema Toxizität zu befassen. Bei der Verbrennung freigesetzte Halogene sind äußerst giftig, aber auch Kohlenmonoxid ist äußerst giftig, und dies ist kein Halogengas.

In Spezifikationen werden häufig halogenfreie Kabel gefordert und daher die Verwendung von Polyethylen empfohlen, da es halogenfrei ist.

Polyethylen und Kohlenmonoxid

Das Verbrennen von Polyethylen erzeugt nicht nur fast dreimal mehr Wärme, sondern verbraucht auch fast dreimal mehr Sauerstoff

Beim Verbrennen von Polyethylen entsteht fast dreimal mehr Wärme als bei einem entsprechenden PVC-Kabel. Das bedeutet, dass beim Verbrennen von Polyethylen nicht nur fast dreimal mehr Wärme erzeugt wird, sondern auch fast dreimal mehr Sauerstoff verbraucht wird und große Mengen Kohlenmonoxid entstehen können, insbesondere bei teilweiser oder unvollständiger Verbrennung.

Angesichts der Tatsache, dass Kohlenmonoxid statistisch für die meisten toxischen Todesfälle bei Bränden verantwortlich ist, ist diese Situation bestenfalls alarmierend. (Kohlenmonoxid ist ein farb- und geruchloses giftiges Gas, das die Sauerstoffaufnahme des Hämoglobins im Blut verhindert. Längere Exposition führt zur Erstickung.)

Verbrennungswärme

Die in der Tabelle aufgeführten Brennelemente geben die Wärmemenge an, die bei der Verbrennung von 1 kg der aufgeführten gängigen Kabelisolierungen entsteht. Sicherlich beschleunigt diese Wärmemenge die Verbrennung anderer angrenzender Materialien und kann zur Ausbreitung des Feuers in einem Gebäude beitragen. Wichtig ist jedoch, dass zur Erzeugung der Wärmeenergie Sauerstoff verbraucht werden muss.

Je höher die Verbrennungswärme (MJ/kg), desto mehr Sauerstoff wird benötigt. Daher erhöht die Wahl von Isolierungen (auch wenn diese frei von Halogenen sind) mit hohen Brennelementen eine erhebliche Erhöhung von mindestens vier der Hauptgefahren von Bränden für den Menschen: Temperaturanstieg, Sauerstoff Erschöpfung, Emission giftiger Gase und Flammenausbreitung.

Die Beliebtheit „halogenfreier“ Eigenschaften bei gleichzeitiger Vernachlässigung der anderen toxischen Elemente von Feuer und der Zusammenhang mit Rauch, Hitze und Sauerstoffmangel ist ein klares Eingeständnis, dass wir das Thema nicht gut verstehen und auch die Gefahren kombinierter toxischer Elemente nicht einfach definieren können Elemente oder die physiologische Reaktion des Menschen auf sie.

Es ist jedoch wichtig, dass wir nicht weiter entwerfen, wenn wir das Problem nur halb verstanden haben. Auch wenn es für Elektrokabel auf organischer Basis möglicherweise keine perfekte Lösung gibt, können wir diese äußerst wichtigen Auswirkungen des Brandrisikos mit einem ganzheitlicheren Verständnis auf jeden Fall minimieren. Zu diesem Zweck können im Handel erhältliche anorganische Kabelsysteme eine ganzheitlichere Lösung für das Polymer-HFFR-Kabelparadoxon bieten.