Überlegungen und Empfehlungen zur Auswahl von feuerhemmenden Materialien für Hochspannungskabel
1. Klassifikationsstandards für feuerhemmende Kabel
Das System der feuerhemmenden Standards ist in zwei Hauptkategorien unterteilt. Die erste Kategorie folgt dem Standard "Klassifikation des Brandverhaltens von elektrischen und Glasfaserkabeln" GB 31247. Kabel, die diesem Standard entsprechen, werden weit verbreitet in dicht besiedelten Gebieten wie Hochgeschwindigkeitszügen und U-Bahnen eingesetzt. Dieser Standard legt strenge Anforderungen an Parameter wie Rauchdichte, Wärmeerzeugung und Gesamtrauchbildung fest, und die Kabel verwenden in der Regel Materialien mit niedriger Rauchentwicklung und ohne Halogen.
Die zweite Kategorie ist die "Allgemeinen Regeln für feuerhemmende oder feuerbeständige elektrische Leitungen, Kabel oder Glasfaserkabel" GB/T 19666. Vor der Einführung von GB 31247 wurde dieser Standard in China in allen Arten von Einrichtungen weit verbreitet angewendet. Das GB/T 19666-System legt auch Werte für Parameter wie Rauchdichte fest, und bei Ausschreibungen werden oft zusätzliche Präfixe angegeben, wie WD (niedrige Rauchentwicklung, halogenfrei). Die entsprechenden Prüfnormen für die feuerhemmende Klassifizierung von Kabeln sind in der unten stehenden Tabelle aufgeführt:
Klassifikationsstandard für Punkt 1: Der Standard "Allgemeine Regeln für feuerhemmende oder feuerbeständige elektrische Leitungen, Kabel oder Glasfaserkabel" GB/T 19666 verwendet die bekannten ZA, ZB, ZC-Klassifizierungen, die den Elektroplanungsämtern vertraut sind. Allerdings wurde die verwendete Prüfmethode, "Prüfung der vertikalen Flammenausbreitung von gebündelten Leitungen oder Kabeln unter Feuerbedingungen – Teil 3: Prüfmethoden für gebündelte Leitungen oder Kabel" GB 18380.3-2001, zurückgezogen. Diese Prüfnorm basierte auf IEC 60332-3-25:2000, "Prüfungen an elektrischen und Glasfaserkabeln unter Feuerbedingungen – Teil 3-25: Prüfung der vertikalen Flammenausbreitung von vertikal montierten gebündelten Kabeln – Kategorie D."
Klassifikationsstandard für Punkt 2: Der Standard "Feuerhemmende und feuerbeständige Kabel – Teil 1: Feuerhemmende Kabel" GA 306.1-2007 klassifiziert Kabel nach den aktualisierten Prüfmethoden GB 18380.31~36-2008, die GB 18380.3-2001 ersetzten. Sein Hauptunterschied besteht in der Einbeziehung zusätzlicher Kriterien wie Rauchtoxizität (GB 20285), Lichtdurchlässigkeit und Korrosionsbeständigkeit, wodurch die A-, B- und C-Klassen weiter in fünf verschiedene Grade unterteilt werden.
Klassifikationsstandard für Punkt 3: Die "Klassifikation des Brandverhaltens von elektrischen und Glasfaserkabeln" GB 31247 ist der neueste Standard. Die zugehörige Prüfmethode ist "Flammenausbreitung, Wärmeerzeugung und Rauchbildungseigenschaften von Kabeln oder Glasfaserkabeln unter Feuerbedingungen" GB 31248, die sich auf EN 50399:2011 bezieht, "Gemeinsame Prüfmethoden für Kabel unter Feuerbedingungen – Messverfahren zur Wärmeerzeugung und Rauchbildung für die Prüfung der vertikalen Flammenausbreitung von gebündelten Leitungen und Kabeln – Geräte, Verfahren und allgemeine Ergebnisse." Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass es die Flammenausbreitung, die gesamte Wärmeerzeugung, die maximale Wärmeerzeugungsrate und die gesamte Rauchbildung bewertet. Die Kriterien zwischen diesen beiden Klassifikationssystemen unterscheiden sich erheblich. Das GB 31247-System (Klasse B1) betont niedrige Halogen- und Rauchentwicklung, was bedeutet, dass die Klassifizierungen nicht direkt äquivalent sind. Selbst die "B"-Klasse im ZA/ZB/ZC-System entspricht nicht den Anforderungen der Klasse B1.
2. Gründe, warum die Klasse B1 für Hochspannungskabel nicht verfügbar ist
2.1 Mangel an Materialien mit niedriger Rauchentwicklung und Korrosionsbeständigkeit
Um eine niedrige Rauchentwicklung zu erreichen, wird in der Regel Bitumenfarbe verwendet. Allerdings entspricht Bitumenfarbe nicht den Anforderungen an Korrosionsbeständigkeit, und ihre Verwendung wird auch durch europäische Normen verboten. Daher kann das Kriterium der niedrigen Rauchentwicklung nicht erfüllt werden. Hochspannungsstromkabel verwenden eine metallische Aluminiumhülle mit einer bitumenbasierten Korrosionsschutzstruktur, die während der Verbrennung erheblichen Rauch erzeugt. Im Ausland wird in der Regel Bitumenfarbe oder thermoplastischer Kleber verwendet, aber diese Struktur wird weder von einem inländischen Hersteller hergestellt noch in irgendeinem Ingenieurprojekt verwendet. Folglich beschränkt das Materialfeld für die Außenhüllen von Hochspannungsstromkabeln die Fähigkeit, die niedrige Rauchentwicklung zu erreichen, die für die Klasse B1 erforderlich ist.
2.2 Reduzierte Isolationswiderstände bei niederhalogenen Kabeln
Ein wesentlicher Unterschied zwischen Hoch- und Mittelspannungsstromkabeln liegt in der Wahl des Materials für die Außenhülle. Aufgrund des hohen Stroms, hoher Überspannungen und des einphasigen Designs von Hochspannungskabeln muss die Außenhülle ausgezeichnete Isolierungseigenschaften für den Betriebsschutz aufweisen. Daher wird die Außenhülle von Hochspannungskabeln als "Isolierklasse" spezifiziert, während Mittelspannungskabel "Hüllenklasse"-Material verwenden.
Niederhalogene Hüllematerialien enthalten jedoch große Mengen anorganischer Flammschutzmittel, was zu relativ schlechten Isolationswiderständen der Hülle führt. Die aktuelle Isolationsleistung von Hüllenmaterialien folgt der Reihenfolge: PE ≥ Flammschutz-PE ≥ PVC ≥ Niederhalogene, niedrig rauchende Serie. Aus diesem Grund haben aktuelle Hochspannungskabelnormen wie GB/T 11017 und GB/T 18890 niederhalogene, niedrig rauchende Hüllematerialien noch nicht in ihre Normensysteme aufgenommen. Im Gegensatz dazu, bei Mittelspannungskabeln, bei denen die Anforderungen an die Isolationsleistung der Hülle weniger streng sind, wurden niederhalogene, niedrig rauchende Hüllematerialien bereits in das Normensystem aufgenommen.
Energieversorgungsunternehmen haben mehrere Kabelindustrie-Konferenzen organisiert, hauptsächlich aufgrund der mangelhaften Leistung zweier wichtiger Indikatoren: der Wasseraufnahmerate der Außenhüllen unter Sättigungswasserabsorption und der Isolationswiderstandsrate unter Sättigungswasserabsorption.
Die Brandschutzsituation in Hochspannungsstromkabel-Tunneln ist ernst. Derzeit werden Hochspannungskabel hauptsächlich in feuerhemmenden Modellen gekauft. Wie der Name schon sagt, sind feuerhemmende Materialien herkömmliche Hüllematerialien mit hinzugefügten Zusätzen wie Flammschutzmitteln, die den Materialien feuerhemmende Eigenschaften verleihen. Die feuerhemmende Leistung herkömmlicher Hüllen ist in Tabelle 3 dargestellt.
Am Beispiel einer PE-Hülle: Flammschutz-PE ist standardmäßiges PE-Hüllenmaterial mit hinzugefügten Flammschutzmitteln. Flammschutzmittel teilen sich in anorganische und organische Typen. Derzeit verwenden die meisten Produkte auf dem Markt hauptsächlich anorganische Flammschutzmittel, wobei gängige Arten Magnesiumoxid und Aluminiumoxid umfassen. Diese Materialien absorbieren bei normalen Bedingungen leicht Feuchtigkeit und unterliegen Hydrationsreaktionen. Daher werden Hüllenmaterialien in der Regel unmittelbar nach Beschaffung in Produktion gebracht; andernfalls tritt Feuchtigkeitsaufnahme auf, was zu Mängeln wie Hohlräumen bei der Extrusion führen kann. Nur wenn die Flammschutzteilchen mikronisiert, an der Oberfläche modifiziert und die Materialverträglichkeit verbessert wird, können flammschutzfähige Hüllenmaterialien gute Bearbeitbarkeit erreichen.
Wasserdichte Kabel beziehen sich in der Regel auf Kabel mit einer vollständigen, verschlossenen metallischen Hülle. Wenn eine Kunststoffhülle als wasserdichte Schicht verwendet wird, kann Feuchtigkeit durch den Kunststoff in das Kabel eindringen. Die Feuchtigkeitseintrittsprozesse sind relativ langsam. Während des tatsächlichen Kabelbetriebs kann die Oberflächentemperatur der Hülle bis zu 60°C erreichen, was die Feuchtigkeitseintritte beschleunigt. Daher erfüllt die Isolationswiderstandsrate der Hülle neu in Betrieb genommener Kabel in der Regel die Anforderungen. Nach einer gewissen Betriebsdauer fällt die Hülle-Isolationswiderstandsrate vieler Leitungen jedoch stark, und dieses Problem wird in der Regel innerhalb weniger Monate bis etwa ein Jahr entdeckt. Sobald die Hülle-Isolationswiderstandsrate einen bestimmten Wert erreicht hat, tendiert die Abnahmerate zu stabilisieren und abzuschwächen.
2.4 Geringe Rissbeständigkeit von niederhalogenen Kabeln
In Tabelle 5 steht ST2 für PVC, ST7 für PE und ST8 für halogenfreies, niedrig rauchendes Material. Aus der Perspektive der mechanischen Eigenschaften der Hülle sind die Zugfestigkeit und die Dehnung bei Bruch von halogenfreiem, niedrig rauchendem Material erheblich schlechter. Die Installation von halogenfreien, niedrig rauchenden Kabeln hat strenge Anforderungen, insbesondere in Außengebieten in nördlichen Regionen, da diese Hüllen bei tiefen Temperaturen leicht rissig werden und sogar während des Betriebs Risse bilden können. In China sind bereits zahlreiche ähnliche Qualitätsvorfälle mit Mittel- und Niederspannungskabeln aufgetreten. Einige Bauvorhaben verwenden halogenfreie, niedrig rauchende Kabel im Winter, teilweise, weil die Arbeit in Innenräumen mit höheren Temperaturen durchgeführt wird.
Halogenfreie, niedrig rauchende Kabel werden hauptsächlich in Gebäuden und dicht besiedelten Bereichen wie Bahnhöfen, U-Bahnen und öffentlichen Gebäuden verwendet. Der Energiebereich eines Versorgungstunnels gehört nicht zu einem dicht besiedelten Bereich.
3. Schlussfolgerung
Basierend auf der obigen Analyse weisen halogenfreie, niedrig rauchende Materialien eine schlechtere Leistung als die aktuellen Isolierklasse-flammschutzfähigen Hüllenmaterialien auf und sind anfälliger für Probleme. Aus diesem Grund haben aktuelle Hochspannungskabelnormen wie GB/T 11017 und GB/T 18890 halogenfreie, niedrig rauchende Hüllenmaterialien noch nicht in ihre Normensysteme aufgenommen.
Die "Klassifikation des Brandverhaltens von elektrischen und Glasfaserkabeln" GB 31247 verstärkt die Kontrolle des Brandverhaltens. Dies ist angemessen für dicht besiedelte Bereiche wie U-Bahnen und Hochgeschwindigkeitszugstationen, in denen viele brennbare Materialien vorhanden sind, aus Sicherheitsgründen für Leben und Vermögen. Die meisten in diesen Bereichen verwendeten Kabel sind mittel- oder niedrigspannungs, für die die elektrischen Leistungsanforderungen nicht so streng sind wie für Hochspannungskabel.
Es ist besonders wichtig zu beachten, dass die Klasse B in den "Allgemeinen Regeln für feuerhemmende oder feuerbeständige elektrische Leitungen, Kabel oder Glasfaserkabel" GB/T 19666 nicht äquivalent zur B1-Klasse in der "Klassifikation des Brandverhaltens von elektrischen und Glasfaserkabeln" GB 31247 ist. Die beiden Standards haben völlig unterschiedliche Feuerleistungskriterien und vorgesehene Anwendungsgebiete. Sie sollten nicht austauschbar verwendet werden. Es wird empfohlen, Hochspannungskabel gemäß GB/T 19666 Klasse B zu verwenden, und nicht empfohlen, Hochspannungskabel gemäß GB 31247 B1 oder B2 zu verwenden. Obwohl beide als "B" bezeichnet sind, gehören sie zu verschiedenen Normensystemen, was zu völlig unterschiedlichen Leistungsresultaten führt. Die Verwendung von Hochspannungskabeln gemäß GB 31247 B1 oder B2 würde enorme Druck auf die Bau- und Betriebsabteilungen ausüben.
Angesichts der strengen Brandschutzanforderungen in Energieversorgungstunneln, nachdem die feuerhemmende Klassifizierung auf Klasse B hochgestuft wurde:
Für Rohrleitungen oder direkte Verlegung, bei denen keine Feuerhemmung erforderlich ist, können PE-Außenhüllen (ohne Flammschutzzusätze, die eine stabile Isolationswiderstandsrate bieten) ausgewählt werden.
Für Hochspannungskabel, die in Tunneln installiert werden, wird empfohlen, PVC-Außenhüllen zu verwenden (der Nachteil ist die Freisetzung giftiger Gase bei der Verbrennung; der Vorteil ist, dass die Formulierung die Wasserdichtigkeit verbessern kann und die Isolationswiderstandsrate im Vergleich zu feuerhemmendem PE-Kabel der Klasse B stabiler ist).
Darüber hinaus wird empfohlen, gemeinsame Forschungen zu Hüllenmaterialien und -strukturen schnellstmöglich einzuleiten, um den Konflikt zwischen Isolationswiderstand und Feuerhemmung grundsätzlich zu lösen.
