Revisión de pruebas, propiedades de la llama

Los sistemas de cableado eléctrico en su mayoría están ocultos e integrados en la construcción, los espacios del techo, los pozos de elevación o las cavidades de las paredes. Muchos oficios diferentes instalan cables en edificios para diferentes aplicaciones y, a menudo, en conductos poliméricos y sistemas de conductos. Lo que no suele darse cuenta es que los muchos kilómetros de cables y las muchas toneladas de polímeros plásticos que componen el sistema de cableado pueden representar una gran carga fija de incendio en un edificio.

Los cables flexibles más comunes están hechos de polímeros a base de hidrocarburos (aceite). Estos polímeros base no suelen ser retardadores de llama y tienen valores caloríficos altos, por lo que los fabricantes de cables agregan productos químicos para hacerlos más adecuados para el uso de cables eléctricos.

Aditivos halógenos

Los polímeros halogenados tienen un efecto secundario negativo porque en el fuego liberan halógenos como haluros tóxicos.

Los halógenos como el cloro son aditivos particularmente buenos que ayudan a retardar la propagación de la llama y no afectan significativamente las propiedades dieléctricas del polímero, por lo que los halógenos se utilizan tanto en el aislamiento como en el revestimiento de los cables.

Estos polímeros halogenados (ejemplo: PVC) también tienen un efecto secundario negativo porque en el fuego liberarán los halógenos como haluros extremadamente tóxicos y cuando se combinan con la humedad en los ojos, la boca y los pulmones son muy irritantes. A menudo, los cables de PVC estándar también emiten grandes cantidades de humo acre.

Materiales no halogenados

A menudo, los diseñadores se dan cuenta de los peligros de la propagación del fuego, los halógenos y los gases tóxicos, además del humo liberado de los cables en el fuego, por lo que especifican que los cables tengan propiedades 'Libre de halógenos', 'Retardante de llama' y 'Bajo humo'.

Para estos casos, los fabricantes de cables deben utilizar otros materiales no halogenados, principalmente con rellenos retardadores de llama como el trihidrato de alúmina (ATH).

Propiedades eléctricas y mecánicas

Los cables ignífugos libres de halógenos suelen utilizar un polímero sin relleno o con menos relleno, como el polietileno.

Si bien son efectivos para retardar la propagación de la llama, estos rellenos a menudo afectan negativamente al polímero al reducir el rendimiento dieléctrico o afectar la resistencia mecánica y al agua.

Por esta razón, los aditivos como ATH se usan principalmente solo en cubiertas de cables. Los cables ignífugos libres de halógenos suelen utilizar un polímero sin carga o con menos carga como el polietileno (PE o XLPE) o EPR para el aislamiento que tiene buenas propiedades eléctricas y mecánicas, pero puede que no sea muy ignífugo.

A menudo, los mejores cables ignífugos son los halogenados porque tanto el aislamiento como la cubierta exterior son ignífugos, pero cuando necesitamos cables libres de halógenos, a menudo encontramos que solo la cubierta exterior es ignífuga y el aislamiento interior no lo es.

Pruebas en condiciones de sobrecarga

Esto tiene importancia porque, si bien los cables con una cubierta exterior ignífuga pueden pasar las pruebas de ignición con una fuente de llama externa (BS EN 60332-1, BS EN 60332-3), los mismos cables cuando se someten a una sobrecarga alta o a cortocircuitos prolongados tienen demostrado en pruebas universitarias que es altamente inflamable e incluso puede iniciar el fuego en condiciones de cortocircuito o sobrecarga no aclaradas.

Este efecto es conocido y fue publicado por Nexans/Olex Cables Australia en la 8ª Conferencia Internacional sobre Cables Eléctricos Aislados (Jicable'11, 19-23 de junio de 2011, Versalles, Francia). Lo que esto significa es que sus cables ignífugos pueden no ser ignífugos en condiciones de cortocircuito o sobrecarga no aclaradas.

Cambio de temperatura intrínseco

BS 7671 e IEC 60364-5-52 tienen tablas de clasificación que permiten que algunos diseños de cable funcionen hasta 90 °C

En el Reino Unido, la UE y muchos otros países, BS 7671 e IEC 60364-5-52 tienen tablas de clasificación de corriente que permiten que algunos diseños de cable funcionen a temperaturas del conductor de hasta 90 °C.

Si bien es técnicamente aceptable para los cables, lo que no se ha considerado completamente es el cambio intrínseco que la temperatura de funcionamiento de este cable puede tener en la inflamabilidad del cable.

Realización de pruebas a la temperatura de funcionamiento

Cuando se requiere que los cables sean ignífugos según IEC 60332-3-22/23/24, es importante que estas pruebas no se realicen en muestras de cable preacondicionadas a la temperatura de funcionamiento nominal del cable, sino que comiencen a temperatura ambiente.

Es bien sabido que cuanto más caliente esté un material, más fácilmente se quemará, por lo que los diseñadores y usuarios de cables que afirman cumplir con estos estándares pueden sorprenderse al saber que sus cables pueden no ser ignífugos en absoluto cuando se instalan y usan a su temperatura nominal de funcionamiento. .

Muchos países de todo el mundo se están moviendo hacia un mayor uso de cables libres de halógenos y retardantes de llama (HFFR) en la búsqueda de una mayor seguridad en los edificios.

Si bien es un motivo admirable, la realidad puede ser bastante diferente: al solicitar propiedades tanto ignífugas como libres de halógenos, los fabricantes de cables a menudo necesitan llegar a un compromiso entre una alta ignifugación con halógenos o una reducción de la ignición sin halógenos.

Polímeros

Los fabricantes de cables a menudo eligen el polietileno porque es fácil de procesar y económico, sin embargo, tiene una alta carga de fuego.

Para proporcionar cables sin halógenos, los fabricantes de cables suelen elegir polímeros como el polietileno (PE y XLPE) porque es fácil de procesar y económico; sin embargo, aunque el polietileno no contiene halógenos, tiene una carga de fuego naturalmente alta.

La siguiente tabla compara la carga de fuego en MJ/Kg para materiales comunes de aislamiento de cables contra algunos combustibles comunes. La tasa de liberación de calor y la volatilidad en el aire de estos materiales diferirán, pero el combustible que se agrega a un incendio por kg y el consiguiente volumen de calor generado y oxígeno consumido son relativos.

Seguridad contra incendios

Al considerar la seguridad contra incendios en el diseño de cables, debemos comprender los factores más importantes: Los expertos en incendios nos dicen que la mayoría de las muertes relacionadas con incendios en edificios son causadas por inhalación de humo, aumento de temperatura y agotamiento de oxígeno o por trauma causado por saltar tratando de escapar estos efectos

En particular, la causa más común de muerte en incendios de edificios es la inhalación de humo con asfixia debido al CO (monóxido de carbono), aunque el HCN (cianuro de hidrógeno) se está volviendo más común con el uso creciente de materiales de construcción sintéticos livianos y hechos por el hombre. En particular, tampoco lo es un gas halógeno.

Los cables altamente ignífugos con un alto índice de oxígeno ayudarán aquí porque pueden limitar la propagación del fuego.

El primer y más importante aspecto del humo es ¿cuánto humo? Por lo general, cuanto más grande es el fuego, más humo se genera, por lo que cualquier cosa que podamos hacer para reducir la propagación del fuego también reducirá la cantidad de humo.

Los cables altamente ignífugos con un alto índice de oxígeno ayudarán aquí porque pueden limitar la propagación del fuego.

Gases Inflamables

El humo contendrá partículas de carbono, cenizas y otros sólidos, líquidos y gases, muchos de los cuales son tóxicos y combustibles.

En particular, los incendios en áreas confinadas como edificios, túneles y ambientes subterráneos hacen que los niveles de oxígeno caigan cerca de la fuente del fuego y esto contribuye a una combustión y combustión incompletas que pueden producir mayores cantidades de humo y subproductos tóxicos, incluido el CO (monóxido de carbono). . Como sabemos, la presencia de materiales halogenados liberará haluros tóxicos como el cloruro de hidrógeno junto con muchos otros gases tóxicos e inflamables en el humo.

Pruebas de humo IEC

Por esta razón, las pruebas de humo estándar británicas e IEC (BS EN 61034-2) se realizan quemando muestras de cable en cámaras grandes de 3 metros3 con combustible de alcohol y mucho aire.

Esto puede proporcionar cifras de humo muy engañosas porque la quema completa en llamas a menudo libera mucho menos humo que la quema parcial incompleta o la combustión lenta que es probable en la práctica.

Cables de bajo humo

No se realizan pruebas de humo en cables sometidos a calentamiento en condiciones de cortocircuito o sobrecarga.

No se realizan pruebas de humo en cables sujetos a calentamiento en condiciones de cortocircuito o sobrecarga que, para algunos materiales de aislamiento comunes "libres de halógenos", emiten mucho más humo que en llamas.

Simplemente especificar cables de baja emisión de humos para cumplir con las normas IEC británicas comunes y luego pensar que esto proporcionará un entorno de baja emisión de humos durante un incendio real puede dar tranquilidad a los especificadores y autoridades, pero lamentablemente en la práctica será de poca ayuda para las personas involucradas.

Es preocupante que el Reino Unido, Europa y muchos otros países adopten el concepto de materiales libres de halógenos sin abordar adecuadamente el tema de la toxicidad. Los halógenos liberados durante la combustión son extremadamente tóxicos, pero también lo es el monóxido de carbono y no es un gas halógeno.

Es común que las especificaciones exijan cables libres de halógenos, por lo que se fomenta el uso de polietileno por ser libre de halógenos.

Polietileno y Monóxido de Carbono

Quemar polietileno no solo generará casi 3 veces más calor sino que también consumirá casi 3 veces más oxígeno

Quemar polietileno generará casi 3 veces más calor que un cable de PVC equivalente. Esto significa que quemar polietileno no solo generará casi 3 veces más calor, sino que también consumirá casi 3 veces más oxígeno y puede producir grandes cantidades de monóxido de carbono, especialmente con una combustión parcial o incompleta.

Dado que el monóxido de carbono es estadísticamente responsable de la mayoría de las muertes por toxicidad en incendios, esta situación es, en el mejor de los casos, alarmante. (El monóxido de carbono es un gas tóxico incoloro e inodoro que impide que la hemoglobina de la sangre absorba oxígeno. La exposición prolongada produce asfixia).

Calor de combustión

Los elementos combustibles que se muestran en la tabla indican la cantidad de calor que se generará al quemar 1 kg de los aislamientos de cables comunes indicados en la tabla. Ciertamente, este volumen de calor acelerará la quema de otros materiales adyacentes y puede ayudar a propagar el fuego en un edificio, pero lo más importante es que, para generar la energía térmica, se necesita consumir oxígeno.

Cuanto mayor sea el calor de combustión (MJ/Kg), más oxígeno se necesita, por lo que elegir aislamientos (incluso si son libres de halógenos) con muchos elementos combustibles aumenta significativamente al menos cuatro de los principales peligros de incendio para los humanos: aumento de temperatura, oxígeno agotamiento, emisión de gases tóxicos y propagación de llamas.

La popularidad de las propiedades "libres de halógenos" mientras se ignoran los otros elementos tóxicos del fuego y la correlación con el humo, el calor y el agotamiento del oxígeno es una clara admisión de que no entendemos bien el tema, ni podemos definir fácilmente los peligros de los tóxicos combinados. elementos o la respuesta fisiológica humana a ellos.

Es importante, sin embargo, que no sigamos diseñando con sólo la mitad de la comprensión del problema. Si bien es posible que no exista una solución perfecta para los cables eléctricos de base orgánica, sin duda podemos minimizar estos efectos de importancia crítica del riesgo de incendio con una comprensión más holística. Con este fin, los sistemas de cables no orgánicos disponibles comercialmente pueden proporcionar una solución más holística a la paradoja del cable polimérico HFFR.