注意事项 והמלצות לבחירת חומרים עמידים באש עבור כבלים בלחץ גבוה

1. תקני סיווג כבלים עמידים ללהבות

מערכת התקנים העמידה ללהבות מפוצלת לשני קטגוריות עיקריות. הקטגוריה הראשונה נוקטת בעקבות "סיווג התנהגות הדלקה עבור כבלים חשמליים וסיבים אופטיים" GB 31247. כבלים המצייתים למערכת תקנים זו נמצאים בשימוש רחב באזורים מאוכלסים בצפיפות כמו רכבות מהירות ומטרו. תקן זה מציב דרישות קפדניות לפרמטרים כגון צפיפות עשן, שחרור חום וסה"כ יצור עשן, וכבלים משתמשים בדרך כלל בחומרים בעלי מעט עשן ללא הלוגנים.

הקטגוריה השנייה היא "כללים כלליים לכבלים חשמליים או אופטיים עמידים ללהבות או עמידים באש" GB/T 19666. לפני הצגת GB 31247, תקן זה היה בשימוש רחב בכל סוגי המתקנים בסין. מערכת ה-GD/T 19666 גם מגדירה ערכים לפרמטרים כמו צפיפות עשן, ובמהלך תחרויות מכרזים מוסיפים לעתים קרובות קידומות כגון WD (מעט עשן ללא הלוגנים). התקנים המבוצעים לבדיקת דרגות עמידות ללהבות של כבלים מוצגים בטבלה להלן:

תקן סיווג עבור פריט 1: התקן "כללים כלליים לכבלים חשמליים או אופטיים עמידים ללהבות או עמידים באש" GB/T 19666 משתמש בקטגוריות מוכרות למכוני תכנון חשמל כגון ZA, ZB, ZC. עם זאת, השיטה המבוצעת המתייחסת אליו, "בדיקה על התפשטות להבה אנכית עבור כבלים מקובצים בתנאי אש – חלק 3: שיטות בדיקה עבור כבלים מקובצים" GB 18380.3-2001, הוסרה. תקן בדיקה זה התבסס על IEC 60332-3-25:2000, "בדיקות על כבלים חשמליים ואופטיים בתנאי אש – חלק 3-25: בדיקה להתפשטות להבה אנכית של כבלים מקובצים מותקנים אנכית – קטגוריה D."

תקן סיווג עבור פריט 2: התקן "כבלים עמידים ללהבות ואש – חלק 1: כבלים עמידים ללהבות" GA 306.1-2007, ממיין את הכבלים בהתאם לשיטות בדיקה מעודכנות GB 18380.31~36-2008, שהחליפו את GB 18380.3-2001. ההבדל העיקרי שלו כולל קריטריונים נוספים כגון רעילות עשן (GB 20285), חדירת אור ועמידות בפני שחיקה, שמפרידים את הקטגוריות A, B ו-C לחמש דרגות שונות.

תקן סיווג עבור פריט 3: "סיווג התנהגות הדלקה עבור כבלים חשמליים וסיבים אופטיים" GB 31247 הוא התקן המעודכן ביותר. השיטה המבוצעת המתאימה לו היא "התפשטות להבה, שחרור חום והפקת עשן מאפיינים של כבלים או סיבים אופטיים בתנאי אש" GB 31248, המתייחסת ל-EN 50399:2011, "שיטות בדיקה משותפות עבור כבלים בתנאי אש – תהליך מדידה של שחרור חום והפקת עשן עבור בדיקת התפשטות להבה אנכית של כבלים מקובצים – מכשור, תהליך ותוצאות כלליות." ההבדל העיקרי הוא שהוא מעריך התפשטות להבה, סה"כ שחרור חום, שיעור שחרור חום פיאקי וסה"כ הפקת עשן. הקריטריונים בין שתי מערכות הסיווג הללו שונים באופן משמעותי. מערכת ה-GB 31247 (דרגה B1) מדגישה את מאפייני הפחתת הלוגנים והעשן, כך שהסיווגים אינם שקולים ישירות. אפילו הדרגה "B" בתוך המערכת ZA/ZB/ZC לא עומדת בדרישות של דרגה B1.

2. סיבות מדוע דרגה B1 אינה זמינה עבור כבלים בלחץ גבוה

2.1 חוסר בחומרים בעלי מעט עשן ועמידים בפני שחיקה

הישג יכולת מעט עשן דורש בדרך כלל שימוש בנצפת. עם זאת, נצפת אינה עומדת בדרישות עמידות בפני שחיקה, ושימוש בה גם אסורה על פי תקני אירופה. לכן, קריטריון הביצועים עם מעט עשן אינו ניתן להשגה. כבלים חשמליים בלחץ גבוה משתמשים בכיסוי אלומיניום מתכתי עם מבנה נצפת עמידה לשחיקה, המשחררת כמות גדולה של עשן במהלך הדלקה. בעוד שנצפת או חומר מגעך חם משמשים באופן כללי בחו"ל, מבנה זה לא מיוצר על ידי יצרן מקומי ולא נמצא בשימוש בפרויקט הנדסי כלשהו. לפיכך, השדה החומרי עבור כיסויי חיצוניים של כבלים חשמליים בלחץ גבוה מגביל את האפשרות להשיג את הביצועים עם מעט עשן הנדרשים עבור דרגה B1.

2.2 הפחתת עמידות ההבודד בכבלי נמוך הלוגנים

ההבדל המשמעותי בין כבלים חשמליים בלחץ גבוה לבין כבלים בלחץ בינוני נמצאת בחומרים המשמשים עבור הכיסוי החיצוני. בשל יכולת הזרם הגבוהה, המתח הגבוה והעיצוב חד-ליבה של כבלים בלחץ גבוה, על הכיסוי החיצוני להיות בעל יכולות בידוד מצוינות לבטיחות פעולה. לכן, הכיסוי החיצוני של כבלים בלחץ גבוה מוגדר כ"דרג בידוד", בעוד שכבלים בלחץ בינוני משתמשים בחומרים מסוג "כיסוי".

עם זאת, חומרי כיסוי בעלי מעט עשן וללא הלוגנים מכילים כמויות גדולות של חומרי בליטה אי-אורגניים, המביאים לעמידות בידוד יחסית גרועה עבור הכיסוי. ביצועי הבידוד של חומרי הכיסוי הנוכחיים הם לפי הסדר הבא: PE ≥ PE עמיד ללהבות ≥ PVC ≥ סדרה של מעט עשן וללא הלוגנים. בגלל זה, תקני כבלים בלחץ גבוה נוכחיים כגון GB/T 11017 ו-GB/T 18890 לא כללו חומרים אלו במערכת התקנים שלהם. לעומת זאת, עבור כבלים בלחץ בינוני, שבהם דרישות הבידוד של הכיסוי פחות קפדניות, חומרים אלו כבר נכללו במערכת התקנים.

חברות רשת חשמל ארגנו מספר כנסים תעשייתיים של כבלים, בעיקר בשל ביצועים גרועים של שני מדדים עיקריים: קצב ספיגה של כיסויים חיצוניים בתנאי ספיגה מרבית ועמידות ההבודד בתנאי ספיגה מרבית.

מצב מניעת האש בטונלים של כבלים בלחץ גבוה קשה. כיום, כבלים בלחץ גבוה נרכשים בעיקר בדגמים עמידים ללהבות. כפי שאומר השם, חומרים עמידים ללהבות הם חומרים כיסוי סטנדרטיים עם תוספות כמו חומרים עמידים ללהבות, המאפשרים לחומרים להיות עמידים ללהבות. הביצועים העמידים ללהבות של כיסויים סטנדרטיים מוצגים בטבלה 3.

כדוגמה, כיסוי PE עמיד ללהבות הוא חומר כיסוי PE סטנדרטי עם תוספות של חומרים עמידים ללהבות. חומרים עמידים ללהבות מחולקים לסוגים אי-אורגניים ואורגניים. כיום, רוב המוצרים בשוק משתמשים בעיקר בחומרים אי-אורגניים, עם סוגים נפוצים כמו אוקסיד מגנזיום ואוקסיד אלומיניום. חומרים אלה סופגים בקלות לחות ומתרבים בתגובות הידרציה בתנאים נורמליים. לכן, חומרי כיסוי מכניסים לייצור מיד לאחר רכישה; אחרת, ספיגת לחות יכולה להתרחש בקלות, מה שגורם לפגמים כמו חלל במהלך השריפה. רק לאחר שהחלקיקים העמידים ללהבות מיקרוניזים, עברו שינוי פני שטח ונשפרה התאימות שלהם, יכולים חומרים עמידים ללהבות להשיג יכולת תהליך טובה.

כבלים מימtightness cables usually refer to cables with a complete, sealed metallic sheath. If a plastic sheath is used as the waterproof layer, moisture can penetrate into the cable through the plastic. Moisture ingress is a relatively slow process. During actual cable operation, the sheath surface temperature can reach as high as 60°C, which accelerates moisture penetration. Therefore, for newly commissioned cable sheaths, the insulation resistance generally meets requirements. However, after a period of operation, the sheath insulation resistance of many lines drops sharply, and this issue is typically discovered within several months to about a year. Once the sheath insulation resistance decreases to a certain level, the rate of decline tends to stabilize and slow down.

2.4 Poor Crack Resistance of Low-Halogen Cables

In Table 5, ST2 refers to PVC, ST7 to PE, and ST8 to halogen-free, low-smoke material. From the perspective of sheath mechanical properties, the tensile strength and elongation at break of halogen-free, low-smoke materials are significantly inferior. The installation of halogen-free, low-smoke cables has strict requirements, especially in outdoor areas in northern regions, because these sheaths are prone to cracking at low temperatures and may even develop cracking during operation. Numerous similar quality incidents have already occurred with medium- and low-voltage cables in China. Some construction projects use halogen-free, low-smoke cables during winter, partly because the work is conducted indoors where temperatures are higher.

Halogen-free, low-smoke cables are primarily used indoors in buildings and densely populated areas such as stations, subways, and public buildings. The power compartment of a utility tunnel does not belong to a densely populated area.

3 Conclusion

Based on the above analysis, halogen-free, low-smoke materials perform worse than the current insulation-grade flame-retardant sheathing materials and are more prone to problems. For this reason, current high-voltage cable standards such as GB/T 11017 and GB/T 18890 have not incorporated halogen-free, low-smoke sheathing materials into their standard systems.

The "Classification of Burning Behavior for Electric and Optical Fiber Cables" GB 31247 strengthens fire behavior control. This is appropriate for densely populated areas like subways and high-speed rail stations, where there are many combustible materials, due to safety considerations for life and property. Most cables used in these areas are medium- or low-voltage, for which electrical performance requirements are not as stringent as for high-voltage cables.

It is particularly important to note that the Class B rating in "General Rules for Flame-Retardant or Fire-Resistant Electric Wires, Cables, or Optical Cables" GB/T 19666 is not equivalent to the B1 rating in "Classification of Burning Behavior for Electric and Optical Fiber Cables" GB 31247. The two standards have completely different fire performance criteria and intended application areas. They should not be used interchangeably. It is recommended to use high-voltage cables meeting GB/T 19666 Class B, and not recommended to use high-voltage cables meeting GB 31247 B1 or B2 ratings. Although both are labeled "B," they belong to different standard systems, resulting in completely different performance outcomes. Using high-voltage cables meeting GB 31247 B1 or B2 ratings would place enormous pressure on construction and operation & maintenance departments.

Given the stringent fire protection requirements in power tunnels, after upgrading the flame-retardant rating to Class B:

• For conduits or direct burial installations where flame retardancy is not required, PE outer sheaths (without flame retardant additives, providing stable insulation resistance) can be selected.

• For high-voltage cables installed in tunnels, PVC outer sheaths are recommended (the disadvantage is the release of toxic gases during combustion; the advantage is that formulation can enhance water resistance, and the insulation resistance is more stable compared to Class B flame-retardant PE cables).

Furthermore, it is recommended to promptly initiate joint research on sheath materials and structures to fundamentally resolve the conflict between insulation resistance and flame retardancy.