Zvážení a doporučení pro výběr plamenoodolných materiálů pro vysokonapěťové kabely

1. Standardy klasifikace nízkého hořlavosti kabelů

Systém standardů pro nízkou hořlavost je rozdělen do dvou hlavních kategorií. První kategorie následuje "Klasifikace hořlavosti elektrických a optických kabelů" GB 31247. Kabely splňující tento standard jsou široce používány v hustě osídlených oblastech, jako jsou vysokorychlostní železnice a metra. Tento standard klade přísná požadavka na parametry, jako je hustota kouře, tepelné uvolnění a celková produkce kouře, a kabely obvykle používají materiály s nízkou produkci kouře a bez halogenů.

Druhá kategorie je "Obecné pravidlo pro nízkou hořlavost nebo odolnost proti ohni elektrických drátů, kabelů nebo optických kabelů" GB/T 19666. Před zavedením GB 31247 byl tento standard široce používán ve všech typech zařízení v Číně. Systém GB/T 19666 také specifikuje hodnoty parametrů, jako je hustota kouře, a během výběrových řízení se často specifikují dodatečné předpony, jako WD (nízká produkce kouře, bez halogenu). Příslušné testovací standardy pro klasifikaci nízké hořlavosti kabelů jsou uvedeny v níže uvedené tabulce:

Standard klasifikace položky 1: Standard "Obecné pravidlo pro nízkou hořlavost nebo odolnost proti ohni elektrických drátů, kabelů nebo optických kabelů" GB/T 19666 používá známé klasifikace ZA, ZB, ZC známé elektrotechnickým institutům. Avšak jeho odkazovaná testovací metoda, "Test na vertikální šíření plamene pro svázání drátů nebo kabelů pod vlivem ohně – Část 3: Testovací metody pro svázání drátů nebo kabelů" GB 18380.3-2001, byla stáhnuta. Tento testovací standard byl založen na IEC 60332-3-25:2000, "Testy elektrických a optických kabelů pod vlivem ohně – Část 3-25: Test na vertikální šíření plamene pro vertikálně umístěné svázání kabelů – Kategorie D."

Standard klasifikace položky 2: Standard "Nízkohořlavé a odolné kabely proti ohni – Část 1: Nízkohořlavé kabely" GA 306.1-2007, klasifikuje kabely podle aktualizovaných testovacích metod GB 18380.31~36-2008, které nahradily GB 18380.3-2001. Jeho hlavním rozdílem je zahrnutí dodatečných kritérií, jako je toxicita kouře (GB 20285), průsvitnost a odolnost proti korozi, což dále dělí třídy A, B a C na pět různých stupňů.

Standard klasifikace položky 3: "Klasifikace hořlavosti elektrických a optických kabelů" GB 31247 je nejnovější standard. Jeho odpovídající testovací metoda je "Šíření plamene, uvolnění tepla a produkce kouře kabelů nebo optických kabelů pod vlivem ohně" GB 31248, která odkazuje na EN 50399:2011, "Běžné testovací metody pro kabely pod vlivem ohně – Měřicí postupy pro uvolnění tepla a produkci kouře při testu vertikálního šíření plamene svázání drátů a kabelů – Zařízení, postup a obecné výsledky." Klíčovým rozdílem je, že vyhodnocuje šíření plamene, celkové uvolnění tepla, maximální rychlost uvolnění tepla a celkovou produkci kouře. Kritéria mezi těmito dvěma systémy klasifikace se liší značně. Systém GB 31247 (třída B1) zdůrazňuje nízkou obsah halogenu a nízkou produkci kouře, což znamená, že klasifikace nejsou přímo ekvivalentní. Dokonce i třída "B" v systému ZA/ZB/ZC nesplňuje požadavky třídy B1.

2. Důvody, proč třída B1 není dostupná pro vysokonapěťové kabely

2.1 Nedostatek materiálů s nízkou produkcí kouře a odolností proti korozi

Dosáhnutí nízké produkce kouře obvykle vyžaduje použití bitumového nátěru. Bitumový nátěr však nesplňuje požadavky na odolnost proti korozi a jeho použití je také zakázáno evropskými standardy. Proto nelze splnit kriterium nízké produkce kouře. Vysokonapěťové elektrické kabely používají hliníkovou kovovou obalovou vrstvu s bitumovou strukturou proti korozi, která při spalování produkuje značné množství kouře. Zahraničně se obvykle používá bitumový nátěr nebo horkotěkná lepidla, avšak tato struktura nebyla vyrobena žádným domácím výrobcem a nebyla použita v žádném inženýrském projektu. V důsledku toho omezuje oblast materiálů pro vnější obal vysokonapěťových kabelů možnost dosažení nízké produkce kouře požadované pro třídu B1.

2.2 Snížení odporu izolace u kabelů s nízkým obsahem halogenu

Zásadní rozdíl mezi vysokonapěťovými a středonapěťovými elektrickými kabely spočívá v volbě materiálu vnějšího obalu. Kvůli vysoké kapacitě proudů, vysoké přetěžovací schopnosti a jednokorové konstrukci vysokonapěťových kabelů musí vnější obal mít vynikající izolační vlastnosti pro operační bezpečnost. Proto je vnější obal vysokonapěťových kabelů specifikován jako "izolační třída", zatímco středonapěťové kabely používají materiál "obalové třídy".

Avšak obalové směsi s nízkou produkci kouře a bez halogenu obsahují velké množství anorganických hořlavostných látek, což vede k relativně špatnému odporu izolace obalu. Současný odpor izolace obalového materiálu následuje pořadí: PE ≥ Hořlavostná PE ≥ PVC ≥ Řada s nízkou produkci kouře a bez halogenu. Z tohoto důvodu aktuální standardy vysokonapěťových kabelů, jako jsou GB/T 11017 a GB/T 18890, nezahrnují obalové směsi s nízkou produkci kouře a bez halogenu do svých standardních systémů. Naopak pro středonapěťové kabely, kde jsou požadavky na izolační vlastnosti obalu méně přísné, již byly obalové směsi s nízkou produkci kouře a bez halogenu zahrnuty do standardního systému.

Elektrárny organizovaly několik konferencí pro kabelový průmysl, především kvůli špatnému výkonu dvou klíčových ukazatelů: absorpční schopnosti vnějších obalů v nasyceném stavu a odporu izolace v nasyceném stavu.

Požární situace v tunelích vysokonapěťových kabelů je vážná. Aktuálně jsou vysokonapěťové kabely především kupovány v hořlavostných modelech. Jak název napovídá, hořlavostné materiály jsou běžné obalové materiály s přidanými přísadami, jako jsou hořlavostné látky, což poskytuje materiálům hořlavostné vlastnosti. Hořlavostné vlastnosti běžných obalů jsou uvedeny v Tabulce 3.

Na příkladu obalu PE, hořlavostná PE je standardní obalový materiál PE s přidanými hořlavostnými látkami. Hořlavostné látky jsou rozděleny na anorganické a organické typy. V současné době většina produktů na trhu primárně používá anorganické hořlavostné látky, kdežto běžné typy zahrnují oxid hořčíku a oxid hliníku. Tyto materiály snadno absorbují vlhkost a podléhají hydratačním reakcím za normálních podmínek. Proto jsou obalové materiály obvykle ihned po nákupu vyráběny, jinak by mohlo dojít k absorpci vlhkosti, což vedlo by k vadám, jako jsou dutiny při extrudování. Pouze po micronizaci částic hořlavostných látek, povrchové modifikaci a zlepšení kompatibility materiálů lze hořlavostné obalové směsi dosáhnout dobré pracovnosti.

Vodotěsné kabely obvykle označují kabely s kompletním, uzavřeným kovovým obalem. Pokud se používá plastový obal jako vodotěsná vrstva, může vlhkost proniknout do kabelu skrz plast. Pronikání vlhkosti je poměrně pomalý proces. Během skutečného provozu kabelu může teplota povrchu obalu dosáhnout až 60°C, což urychluje pronikání vlhkosti. Proto obvykle odpovídá odpor izolace nově instalovaných obalů požadavkům. Nicméně po určitém období provozu odpor izolace obalu mnoha linek dramaticky klesne, a tento problém se obvykle objeví během několika měsíců až asi rok. Jakmile odpor izolace obalu klesne na určitou úroveň, rychlost poklesu se obvykle stabilizuje a zpomalí.

2.4 Špatná odolnost proti trhlinám u kabelů s nízkým obsahem halogenu

V Tabulce 5 ST2 odkazuje na PVC, ST7 na PE a ST8 na bezhalogenní, nízkokouřový materiál. Z hlediska mechanických vlastností obalu jsou tahová síla a prodloužení při zlomu bezhalogenních, nízkokouřových materiálů značně horší. Instalace bezhalogenních, nízkokouřových kabelů má přísné požadavky, zejména v venkovních oblastech severních regionů, protože tyto obaly jsou náchylné k trhlinám při nízkých teplotách a mohou se trhat i během provozu. V Číně se již vyskytlo mnoho podobných incidentů s kvalitou středonapěťových a nízkonapěťových kabelů. Některé stavební projekty používají bezhalogenní, nízkokouřové kabely během zimy, částečně proto, že práce se provádí uvnitř, kde jsou teploty vyšší.

Bezhalogenní, nízkokouřové kabely jsou především používány uvnitř budov a v hustě osídlených oblastech, jako jsou stanice, metra a veřejné budovy. Energetická sekce utilitového tunelu nepatří do hustě osídlené oblasti.

3 Závěr

Na základě výše uvedené analýzy mají bezhalogenní, nízkokouřové materiály horší výkon než současné izolační třídy hořlavostných obalových materiálů a jsou více náchylné k problémům. Z tohoto důvodu aktuální standardy vysokonapěťových kabelů, jako jsou GB/T 11017 a GB/T 18890, nezahrnují bezhalogenní, nízkokouřové obalové materiály do svých standardních systémů.

"Klasifikace hořlavosti elektrických a optických kabelů" GB 31247 posiluje kontrolu chování při požáru. To je vhodné pro hustě osídlené oblasti, jako jsou metra a vysokorychlostní železniční stanice, kde je mnoho hořlavých materiálů, z bezpečnostních důvodů pro životy a majetek. Většina kabelů používaných v těchto oblastech je středonapěťová nebo nízkonapěťová, kde požadavky na elektrické vlastnosti nejsou tak přísné jako u vysokonapěťových kabelů.

Je důležité poznamenat, že třída B v "Obecném pravidle pro nízkou hořlavost nebo odolnost proti ohni elektrických drátů, kabelů nebo optických kabelů" GB/T 19666 není ekvivalentní třídě B1 v "Klasifikaci hořlavosti elektrických a optických kabelů" GB 31247. Tyto dva standardy mají zcela odlišná kritéria požárního výkonu a určené oblasti použití. Byly by neměly být použity vzájemně zaměnitelně. Doporučuje se používat vysokonapěťové kabely splňující třídu B standardu GB/T 19666, a nedoporučuje se používat vysokonapěťové kabely splňující třídy B1 nebo B2 standardu GB 31247. Ačkoli obě jsou označeny jako "B", patří do různých standardních systémů, což vede k zcela odlišným výsledkům výkonu. Použití vysokonapěťových kabelů splňujících třídy B1 nebo B2 standardu GB 31247 by způsobilo obrovský tlak na stavební a provozní oddělení.

Vzhledem k přísným požadavkům na ochranu před požárem v energetických tunelech, po upgrade hořlavostné klasifikace na třídu B:

• Pro potrubí nebo přímé zanoření, kde není požadována hořlavost, lze vybrat vnější obaly PE (bez přísad hořlavostných látek, což poskytuje stabilní odpor izolace).

• Pro vysokonapěťové kabely instalované v tunelech se doporučují vnější obaly PVC (nevýhodou je uvolňování toxických plynů při spalování; výhodou je, že formulace mohou zlepšit vodotěsnost a odpor izolace je stabilnější než u hořlavostných kabelů PE třídy B).

Dále se doporučuje okamžitě zahájit společný výzkum materiálů a struktur obalů, aby byl základně vyřešen konflikt mezi odporu izolace a hořlavostí.