Consideraciones y Recomendaciones para la Selección de Retardantes de Llama en Cables de Alta Tensión

1. Normas de Clasificación de Cables Retardantes al Fuego

El sistema de normas retardantes al fuego se divide en dos categorías principales. La primera categoría sigue la "Clasificación del Comportamiento al Fuego para Cables Eléctricos y de Fibra Óptica" GB 31247. Los cables que cumplen con este sistema de normas se utilizan ampliamente en áreas densamente pobladas como ferrocarriles de alta velocidad y subterráneos. Esta norma impone requisitos estrictos sobre parámetros como la densidad de humo, la liberación de calor y la producción total de humo, y los cables generalmente utilizan materiales de bajo humo y sin halógenos.

La segunda categoría es la "Reglas Generales para Cables Eléctricos o de Fibra Óptica Retardantes al Fuego o Resistentes al Fuego" GB/T 19666. Antes de la introducción de GB 31247, esta norma se aplicaba ampliamente en todo tipo de instalaciones en China. El sistema GB/T 19666 también especifica valores para parámetros como la densidad de humo, y durante las licitaciones, a menudo se especifican prefijos adicionales, como WD (bajo humo, sin halógenos). Las normas de prueba correspondientes para las clasificaciones de cables retardantes al fuego se muestran en la tabla a continuación:

Norma de Clasificación para el Ítem 1: La norma "Reglas Generales para Cables Eléctricos o de Fibra Óptica Retardantes al Fuego o Resistentes al Fuego" GB/T 19666 utiliza las clasificaciones ZA, ZB, ZC conocidas por los institutos de diseño de energía. Sin embargo, su método de prueba referenciado, "Prueba de propagación vertical de llamas para haces de cables o conductores bajo condiciones de incendio – Parte 3: Métodos de prueba para haces de cables o conductores" GB 18380.3-2001, ha sido retirado. Esta norma de prueba se basaba en IEC 60332-3-25:2000, "Pruebas de cables eléctricos y de fibra óptica bajo condiciones de incendio – Parte 3-25: Prueba de propagación vertical de llamas de cables agrupados montados verticalmente – Categoría D."

Norma de Clasificación para el Ítem 2: La norma "Cables Retardantes al Fuego y Resistentes al Fuego – Parte 1: Cables Retardantes al Fuego" GA 306.1-2007, clasifica los cables según los métodos de prueba actualizados GB 18380.31~36-2008, que reemplazaron GB 18380.3-2001. Su principal distinción es la inclusión de criterios adicionales como toxicidad del humo (GB 20285), transmisión de luz y resistencia a la corrosión, subdividiendo las clases A, B y C en cinco grados distintos.

Norma de Clasificación para el Ítem 3: La "Clasificación del Comportamiento al Fuego para Cables Eléctricos y de Fibra Óptica" GB 31247 es la norma más reciente. Su método de prueba correspondiente es "Características de propagación de llamas, liberación de calor y producción de humo de cables o cables de fibra óptica bajo condiciones de incendio" GB 31248, que hace referencia a EN 50399:2011, "Métodos de prueba comunes para cables bajo condiciones de incendio – Procedimientos de medición de liberación de calor y producción de humo para la prueba de propagación vertical de llamas de haces de cables y conductores – Equipo, procedimiento y resultados generales." La diferencia clave es que evalúa la propagación de llamas, la liberación total de calor, la tasa máxima de liberación de calor y la producción total de humo. Los criterios entre estos dos sistemas de clasificación difieren significativamente. El sistema GB 31247 (clase B1) enfatiza las características de bajo contenido de halógenos y bajo humo, lo que significa que las clasificaciones no son directamente equivalentes. Incluso la clase "B" dentro del sistema ZA/ZB/ZC no cumple con los requisitos de la clase B1.

2. Razones por las que la Clase B1 No Está Disponible para Cables de Alta Tensión

2.1 Falta de Materiales de Bajo Humo y Resistente a la Corrosión

Lograr un rendimiento de bajo humo generalmente requiere el uso de pintura asfáltica. Sin embargo, la pintura asfáltica no cumple con los requisitos de resistencia a la corrosión, y su uso también está prohibido por las normas europeas. Por lo tanto, el criterio de rendimiento de bajo humo no puede cumplirse. Los cables de alta tensión usan una cubierta metálica de aluminio con una estructura anticorrosiva asfáltica, que genera un humo significativo durante la combustión. Mientras que en el extranjero, generalmente se usa pintura asfáltica o adhesivo termofusible, esta estructura no ha sido fabricada por ningún fabricante nacional ni se ha utilizado en ningún proyecto de ingeniería. En consecuencia, el campo de materiales para las cubiertas exteriores de los cables de alta tensión restringe la capacidad de lograr el rendimiento de bajo humo requerido para la clase B1.

2.2 Reducción de la Resistencia a la Insulación en Cables de Bajo Contenido de Halógenos

Una diferencia significativa entre los cables de alta y media tensión radica en la elección del material de la cubierta exterior. Debido a la alta capacidad de corriente, el alto sobretensión y el diseño de un solo núcleo de los cables de alta tensión, la cubierta exterior debe tener excelentes propiedades de aislamiento para la seguridad operativa. Por lo tanto, la cubierta exterior de los cables de alta tensión se especifica como "de grado de aislamiento", mientras que los cables de media tensión usan material "de grado de cubierta".

Sin embargo, los compuestos de cubierta de bajo humo y sin halógenos contienen grandes cantidades de retardantes de llama inorgánicos, lo que resulta en una resistencia a la insulación relativamente pobre para la cubierta. El rendimiento de aislamiento del material de cubierta actual sigue el orden: PE ≥ PE retardante al fuego ≥ PVC ≥ Serie de bajo humo y sin halógenos. Debido a esto, las normas actuales de cables de alta tensión como GB/T 11017 y GB/T 18890 no han incorporado compuestos de cubierta de bajo humo y sin halógenos en sus sistemas de normas. En contraste, para los cables de media tensión, donde los requisitos de rendimiento de aislamiento de la cubierta son menos estrictos, los compuestos de cubierta de bajo humo y sin halógenos ya se han incluido en el sistema de normas.

Las compañías de redes eléctricas han organizado múltiples conferencias de la industria de cables, principalmente debido al mal rendimiento de dos indicadores clave: la tasa de absorción de agua de las cubiertas exteriores en condiciones de absorción de agua saturada y la resistividad de aislamiento en condiciones de absorción de agua saturada.

La situación de prevención de incendios en túneles de cables de alta tensión es grave. Actualmente, los cables de alta tensión se compran principalmente en modelos retardantes al fuego. Como su nombre indica, los materiales retardantes al fuego son materiales de cubierta convencionales con adiciones de formulaciones como retardantes de llama, dotando a los materiales de propiedades retardantes al fuego. El rendimiento retardante al fuego de las cubiertas comunes se muestra en la Tabla 3.

Tomando como ejemplo una cubierta de PE, el PE retardante al fuego es el material de cubierta de PE estándar con adición de retardantes de llama. Los retardantes de llama se dividen en orgánicos e inorgánicos. Actualmente, la mayoría de los productos en el mercado utilizan principalmente retardantes inorgánicos, con tipos comunes que incluyen óxido de magnesio y óxido de aluminio. Estos materiales absorben fácilmente la humedad y experimentan reacciones de hidratación en condiciones normales. Por lo tanto, los materiales de cubierta generalmente se ponen en producción inmediatamente después de la adquisición; de lo contrario, la absorción de humedad puede ocurrir fácilmente, lo que lleva a defectos como vacíos durante la extrusión. Solo después de que las partículas de retardante de llama se micronizan, se modifican superficialmente y se mejora su compatibilidad con el material, los compuestos de cubierta retardantes al fuego pueden lograr una buena procesabilidad.

Los cables impermeables generalmente se refieren a cables con una cubierta metálica completa y sellada. Si se usa una cubierta plástica como capa impermeable, la humedad puede penetrar en el cable a través del plástico. La infiltración de humedad es un proceso relativamente lento. Durante la operación real del cable, la temperatura superficial de la cubierta puede alcanzar hasta 60°C, lo que acelera la penetración de humedad. Por lo tanto, para las cubiertas de cables recién puestas en servicio, la resistencia a la insulación generalmente cumple con los requisitos. Sin embargo, después de un período de operación, la resistencia a la insulación de la cubierta de muchas líneas disminuye drásticamente, y este problema generalmente se descubre dentro de varios meses a aproximadamente un año. Una vez que la resistencia a la insulación de la cubierta disminuye a cierto nivel, la tasa de disminución tiende a estabilizarse y ralentizarse.

2.4 Pobre Resistencia a Grietas en Cables de Bajo Contenido de Halógenos

En la Tabla 5, ST2 se refiere a PVC, ST7 a PE y ST8 a material sin halógenos y de bajo humo. Desde la perspectiva de las propiedades mecánicas de la cubierta, la resistencia a la tracción y la elongación a la rotura de los materiales sin halógenos y de bajo humo son significativamente inferiores. La instalación de cables sin halógenos y de bajo humo tiene requisitos estrictos, especialmente en áreas al aire libre en regiones del norte, porque estas cubiertas son propensas a agrietarse a bajas temperaturas y pueden incluso desarrollar grietas durante la operación. Numerosos incidentes de calidad similares ya han ocurrido con cables de media y baja tensión en China. Algunos proyectos de construcción utilizan cables sin halógenos y de bajo humo durante el invierno, en parte porque el trabajo se realiza en interiores donde las temperaturas son más altas.

Los cables sin halógenos y de bajo humo se utilizan principalmente en interiores de edificios y áreas densamente pobladas como estaciones, subterráneos y edificios públicos. El compartimento de energía de un túnel de utilidad no pertenece a un área densamente poblada.

3 Conclusión

Basado en el análisis anterior, los materiales sin halógenos y de bajo humo tienen un rendimiento peor que los materiales de cubierta retardantes al fuego de grado de aislamiento actuales y son más propensos a problemas. Por esta razón, las normas actuales de cables de alta tensión como GB/T 11017 y GB/T 18890 no han incorporado materiales de cubierta sin halógenos y de bajo humo en sus sistemas de normas.

La "Clasificación del Comportamiento al Fuego para Cables Eléctricos y de Fibra Óptica" GB 31247 fortalece el control del comportamiento al fuego. Esto es apropiado para áreas densamente pobladas como subterráneos y estaciones de ferrocarril de alta velocidad, donde hay muchos materiales combustibles, debido a consideraciones de seguridad para la vida y la propiedad. La mayoría de los cables utilizados en estas áreas son de media o baja tensión, para los cuales los requisitos de rendimiento eléctrico no son tan estrictos como para los cables de alta tensión.

Es particularmente importante notar que la Clase B en "Reglas Generales para Cables Eléctricos o de Fibra Óptica Retardantes al Fuego o Resistentes al Fuego" GB/T 19666 no es equivalente a la Clase B1 en "Clasificación del Comportamiento al Fuego para Cables Eléctricos y de Fibra Óptica" GB 31247. Las dos normas tienen criterios de rendimiento al fuego completamente diferentes y áreas de aplicación intencionadas. No deben usarse indistintamente. Se recomienda usar cables de alta tensión que cumplan con la Clase B de GB/T 19666, y no se recomienda usar cables de alta tensión que cumplan con las calificaciones B1 o B2 de GB 31247. Aunque ambos están etiquetados como "B", pertenecen a sistemas de normas diferentes, lo que resulta en resultados de rendimiento completamente diferentes. Usar cables de alta tensión que cumplan con las calificaciones B1 o B2 de GB 31247 pondría una gran presión en los departamentos de construcción y operación y mantenimiento.

Dado los estrictos requisitos de protección contra incendios en túneles de energía, después de actualizar la clasificación retardante al fuego a Clase B:

• Para tuberías o instalaciones enterradas directamente donde no se requiere retardancia al fuego, se pueden seleccionar cubiertas exteriores de PE (sin aditivos retardantes al fuego, proporcionando resistencia a la insulación estable).

• Para cables de alta tensión instalados en túneles, se recomiendan cubiertas exteriores de PVC (la desventaja es la emisión de gases tóxicos durante la combustión; la ventaja es que la formulación puede mejorar la resistencia al agua, y la resistencia a la insulación es más estable en comparación con los cables de PE retardantes al fuego de Clase B).

Además, se recomienda iniciar de inmediato investigaciones conjuntas sobre materiales y estructuras de cubiertas para resolver fundamentalmente el conflicto entre la resistencia a la insulación y la retardancia al fuego.