ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: GÓRNICTWO z. 156
________ 1987 Nr kol. 1025
Winicjuez BORON Wacława WAKSMAŃSKA
WYBRANE KRYTERIA OCENY PALNOŚCI GÓRNICZYCH KABLI I PRZEWODÓW OPONOWYCH
Streszczenie. V/ referacie omówiono metody określania trudnopalno- ści górniczych kabli i przewodów oponowych. Dokonano analizy trzech typów badań: badania symulujące wpływ rzeczywistych warunków eksploa
tacyjnych, badania laboratoryjne opisane w normie IEC Publikacja 332-1 oraz badania samych materiałów kablowych. Badania materiałów kablowych sprowadza się do określenia optycznej gęstości zadymienia oraz minimalnej koncentracji tlenu, niezbędnej do podtrzymania się palenia materiału. Omówiono konstrukcję stanowiska badawczego, apa
raturę pomiarową oraz sposób przeprowadzenia badan gęstości zadymie
nia (0Dm ) oraz indeksu tlenowego (01). W tablicy 1 podano wyniki ba
dań wartości 01 oraz 0Dm . Badania przeprowadzono na próbkach osłon zewnętrznych siedmiu typów kabli i przewodów oponowych, stosowanych w krajowych kopalniach węgla kamiennego. Dla celów porównawczych w tablicy 2 zestawiono wyniki bsdań indeksu tlenowego uzyskane z firmy British Insulated Callender's Cables (W. Brytania; oraz AEG-Kabel
(Republika Federalna Niemiec). Sformułowano wnioski końcowe, mające na celu opracowanie ujednoliconych metod badsń-^raz określenie jed
noznacznych kryteriów trudnopalności górniczych kabli i przewodów oponowych.
1. WSTĘP
Zgodnie z obowiązującymi w kraju przepisami [l, 2 ] kable i przewody oponowe instalowane w podziemiach kopalń powinny być wykonywane jako trud
no palne. W praktyce, wymóg ten sprowadza się do konieczności stosowania na osłony zewnętrzne specjalnych materiałów o ściśle określonych w zakre
sie palności własnościach.
Palność górniczych kabli i przewodów oponowych zdefiniować można Jako zdolność do wzdłużnego przenoszenia płomienia i do podtrzymywania pale-1 nia się przewodu po usunięciu źródła ognia. Tak rozumiane własności są w warunkach ruchu górniczego funkcją wielu zmiennych. Wymienić tu można prze
de wszystkim wpływ następujących czynników:
- rodzaj materiału użytego na izolację, powłoki i osłony,
- konstrukcja przewodu (sposób rozmieszczenia poszczególnych elementów), - zanieczyszczenie powierzchni zewnętrznych przewodów,
- szybkość przepływu powietrza (wentylacja), - temperatura otoczenia.
94 W. Boroń, W. Waksmańska
Dokonanie oceny palności kabli i przewodów oponowych z uwzględnieniem wszystkich ww. czynników, jest zagadnieniem o dużym stopniu trudności i wymaga stosowania specjalnych stanowisk badawczych oraz unikalnej apara
tury.
2. ANALIZA METOD BADAt)
Metodykę badań palności kabli i przewodów oponowych p.odzielić można na trzy zasadnicze grupy:
I. Badania symulacyjne w warunkach maksymalnie zbliżonych do rzeczywi
stych warunków eksploatacyjnych.
II. Badania próbek kabli i przewodów oponowych w warunkach wyidealizowa
nych .
III. Badania materiałów.
Zaletę badań zaliczonych do grupy I jest możliwość uzyskania obiektyw
nych informacji o zachowaniu się kabli i przewodów w warunkach rzeczywi
stego pożaru, z uwzględnieniem takich czynników jak, zanieczyszczenie po
wierzchni, szybkość przepływu powietrza, itp. Badania te charakteryzuje jednak szereg wad, powooujęcych że jak dotęd sę one dokonywane jedynie wyrywkowo i nie sę ujęte w aktach normatywnych. Wymienić tu należy głównie wysoki koszt badań zwięzany zarówno z koniećżnościę budowy specjalnych stanowisk badawczych (tuneli kablowych), jak i ze zniszczeniem odcinków kabli o stosunkowo dużej długości.
Najbardziej aktualnie rozpowszechnionymi w technice kablowej sę bada
nia zaliczone do II grupy. Wspólnymi cechami charakterystycznymi dla tych badań sę :
- prowadzenie badań na próbkach kabli lub przewodów o ściśle określonej , stosunkowo małej długości,
- poddawanie próbek działaniu płomienia o z góry zadanej temperaturze, - uzależnienie czasu działania ognia od masy próbki,
- dokonywanie badań w wyidealizowanych warunkach (komora lub rura elimi
nuj ęca ruch powietrza, zadana temperatura otoczenia, itp,).
W większości krajów przyjęto badania w tym zakresie zgodnie z IEC [3^.
Przyjęta w kraju, obowięzujęcę normę państwowę [ż], metoda badań również została opracowana w oparciu o ustalenia IEC. Głównymi zaletami metod ba
dań zaliczanych do grupy II sę przede wszystkim prostota i niski koszt badań oraz możliwość uzyskania wyników porównawczych dzięki założonym jed
noznacznym parametrom badania.
Do wad zaliczyć można natomiast przyjęcie jedynie jakościowego kryterium oceny.
Wybrane kryteria oceny. 95
W odróżnieniu od metod badań zaliczanych do grup X i II oceniających zachowanie się pod działaniem płomienia całych oocinków względnie próbek kabli, badania zaliczone do grupy III pozwalają na dokonanie oceny przy
datności różnych materiałów na izolację, powłoki lub osłony kabli. W kon
sekwencji możliwe staje się optymalizowanie doboru materiałów spełniają
cych ściśle określone wymaganie. Oednocześnie wyniki umożliwiają uszere
gowanie materiałów z uwzględnieniem liczbowych wartości wybranych parame
trów. W technice kablowej za parametry decydujące o orzydatnońci materia
łów (przy identycznej konstrukcji kabla lub przewodu oponowego) przyjęto uważać :
- wskaźnik tlenowy (Ol oxygen index), - gęstość zadymienia (ODm - smoke density).
Metodyka badań wskaźnika tlenowego Ol określona jest w obowiązującej normie państwowej [5 ] opartej w zasadniczych punktach o ustalenia normy USA [ł],
3. METCJOYKA BADAŃ 01 i 0D„
Oak Juź wspomniano badania zapalności metodą wskaźnika tlenowego należę do grupy III. Do badań wykorzystuje się niewielkie próbki materiałów (80x10x4 mm) w kształcie beleczek prostopadłościennych, które wycina się bezpośrednio z gotowych wyrobów.
Badanie polega na określeniu wskaźnika tlenowego tj. najmniejszej, obję
tościowej (wyrażonej w procentach) zawartości tlenu w mieszaninie tlenu i azotu, która w warunkach metody podtrzymuje stałe palenie się próbki ba
danego tworzywa.
Badanie przeprowadza się, stosując specjalistyczną aparaturę. Najbar
dziej w Europie znanym w tym zakresie producentem jest firma Stanton Red- croft - Wielka Brytania. Aparatura produkcji ww. firmy między innymi Jest stosowana w Gwarectwie Automatyzacji Górnictwa EMAG. Widok aparatury przedstawiono na rys. 1.
k skład aparatury wchodzą następujące podstawowe podzespoły:
- urządzenie FTA do badania 01 w temperaturze pokojowej [l],
- zestaw urządzeń FTA i HFTA do pomiaru 01 w zakresie temperatur 20-400°C [ 1 1 2 ] ,
- urządzenie FTB do pomiaru gęstości dymu wraz z komorą [3].
Do urządzenia FTA doprowadzony Jest z butli tlen i azot. System zaworów i zestaw przepływościomierzy tego urządzenia pozwala precyzyjnie określić zawartość tlenu w mieszaninie z azotem. Mieszanka obu tych gazów o znanym ilościowym składzie przepływa przez szklany cylinder, w którym znajduje się podpalona próbka. Spalenie próbki następuje tylko wówczas, gdy w cy-
96 W. 3oron, W. Wak9manska
CM V - C
■H 1 •H
CD U
N © X
TD ®
CM 5 C D
•H C
o r—ł -H
E CD >
© CD u co
L . 5 0 ©o
T3 O O © D O C C O X > 0
•H <1)0 *-> x^t
H H TÍ o 1 1-C o
O o +-■ ©CM
CD CM • H I N .X 5 *--©
•H CD
C i - E O lC
tH'N 3 © C ©
CD *-• P r l L
CD© Ł.
< CD L. > • 3 ©
H 5 © #« L
LL a © 3
3 E <0 4_>
© 1- © « H E ©
•H © *-* ^ L.
C H L. ©
0) E © < o a
N O H h~ *♦" E TD Q. © LL ©
©■ ©
N O i_ © ro
L. *0 -X ©
o I -
<
• ro • H
CM"— CM LL X
• < •
© ł— OTO
> U . H C
Oí X LL ©
u CM
*♦- ro
© *—
3 LL
* - X
© L. "O (0 C
a ©
<
cd I—
L. LL 3 X
© H
Wybrane kryteria oceny.. 97
lindrze będzie określona ilość tlenu, charakterystyczna dla tego materia
łu, podtrzymująca palenie.
Dla wyznaczenia wskaźnika tlenowego badanego materiału w temperaturze wyższej, należy zastosować zestaw urzędzeń FTA i HFTA wraz z cylindrem wyposażonym w system grzałek i termopar (rys. 2).
Dymy powstajęce w trakcie spalania, poprzez elastyczny łęcznik odprowadza
ne sę do zamkniętej komory przedstawionej na rys. 3.
Dymy przez przysłonięcie światła fo
tokomórki powoduję rejestrację pro
centowego zaciemnienia wywołanego za
dymieniem. Podłączenie rejestratora umożliwia zapis graficzny narastania zadymienia w trakcie spalania się próbki i proces osiadania dymu po spaleniu.
4. WYNIKI BADAŃ INDEKSU TLENOWEGO I ZADYMIENIA OSŁON ZEWNĘTRZNYCH WYBRANYCH PRZEWODÓW OPONOWYCH i KABLI
Wskaźnik tlenowy (Ol) określa się w procentach wg zależności:
0_
0 1 “ o + N • 1 0 °- 2 2
w którym:
02 - graniczna zawartość tlenu w mieszaninie z azotem wyzna
czona w cm^/s,
N 2 - zawartość azotu w mieszani
nie odpowiadajęca granicznej zawartości tlenu, cm3/e.
Zaznaczyć należy, że aparatura umożliwia odczyt bezpośrednio warto
ści Ol.
Za wynik przyjmuje się średnią arytmetyczną wyników pomiarów wykonanych na co najmniej trzech próbkach.
Przedmiotem badań były osłony zewnętrzne wybrenych kabli i przewodów oponowych produkcji krajowej oraz importowane - dopuezczone do stosowania w podziemiach polskich kopalń.
Rys. 3. Komora do badania zadymienia (1) połączona elastycznym łącznikiem (2 ) z cylindrem (3 ) urządzenia FTA
(4)
Fig. 3. The chamber for measuring of smoke density (l) connected by flexi
ble connector (2) to the cylinder (3 ) of FTA system (4 )
98 W. Boroń, W. Waksmańska
Ilość wydzielonego dymu w trakcie spalania wyznaczono przez określenie gę
stości optycznej zadymienia ODm (wyrażonej w gramach) według wzoru:
100 y—
100
/*i m ,
gdzie :
IV - początkowa masa próbki (g),
W - końcowa masa pozostałości po spalonej próbce Cg),
Tm ” minimalna transmisja dymu wyznaczona przez odjęcie od 100 maksy
malnego procentowego zaciemnienia komory odczytanego na mierniku FTi.
Maksymalne optyczne zadymienie wyznaczono spalajac próbkę w atmosfe
rze tlenu i azotu, przy procentowej zawartości tlenu nieco powyżej wyzna
czonego wskaźnika tlenowego. Badania takie przeprowadzono spalajęc próbkę przy stężeniu tlenu równym krotności 1,04 i 1,25 wyznaczonego uprzednio indeksu tlenowego.
Wyniki badań wskaźnika tlenowego oraz gęstości zadymienia zestawiono w tablicy 1.
Tablica 1 Wybrane wyniki badan wskaźnika tlenowego i gęstości zadymienia
materiałów kablowych
Lp.
Typ kabla lub prze
wodu oponowego
Rodzaj materiału powłoki zewnę Wartość
01
Gęs tość zadymienia ODm
trznej
dla 1,04 01
dla 1,25 01 1 Przewód spawalniczy
250 V YOSY PCV 22,5 0,79
2 Przewód oponowy ekra
nowany 1 kV YnOGYek
PCV (o zwiększo
nej odporno
ści )
29 ,5 0,42 1.2
3 Kabel ekranowany
1 kV YHKGXeky PCV 24,2 0.70 0,75
4 Kabel ekranowany 6 kV NYSEXFGY NOKIA
Finlandia PCV 23,0 0,57 0,62
5 Przewód oponowy ekra
nowany 1 kV OnGek polichloropren 32,2 0,39 0,49 6 Przewód oponowy ekra
nowany typu 7 -
W, Brytania polichloropren 30,5 0,29 0,50
7 Przewód oponowy ekra
nowany typu RKP - ¿Ju
gosławia polichloropren 33,8 0,30 0,38
Wybrane kryteria oceny.. 99
W t a b l i c y 2 d l a c e l ó w p o r ó w n a w c z y c h z e s t a w i o n o d a n e w z a k r e s i e w a r t o ś c i i n d e k s u t l e n o w e g o u z y s k a n e z f i r n B I C C - W. B r y t a n i a o r a z A E G - K a b e l - RFN.
[8. 9].
T a b l i c a 2 W y n i k i b a d a ń w s k a ź n i k a t l e n o w e g o m a t e r i a ł ó w k a b l o w y c h
w e d ł u g f i r m y 3I C C i A E G - K a b e l
Lp. R o d z a j m a t e r i a ł u W s k a ź n i k t l e n o w y
p o w ł o k i z e w n ę t r z n e j p r z e w o d u
wg B I C C w g A E G - K a b e l
1 P o l i c h l o r e k w i n y l u n o r m a l n y 2 5 2 3 - 2 8
- 2 P o l i c h l o r e k w i n y l u u o d p o r n i o n y 3 0 - 3 9 3 0 - 4 0
3 P o l i e t y l e n 1 7 - 2 6 2 2 - 2 7
4 K a u c z u k s i l i k o n o w y 2 6 2 5 - 3 5
5 K a u c z u k e t y l e n o w o - p r o p y l e n o w y (EPR) 2 2 - 3 0 22
6 K a u c z u k p o l i c h l o r o p r e n o w y 3 0 - 4 3 3 0 - 3 5
W N I O S K I I U W A G I K O Ń C O W E
Na p o d s t a w i e r o z w a ż a ń z a w a r t y c h w n i n i e j s z y m o p r a c o w a n i u , p r z e p r o w a d z o n y c h b a d a ń o r a z a n a l i z y ich wynikówf e f o r m u ł o w a ć m o ż n a n a s t ę p u j ą c e w n i o s k i i u w a g i k o ń c o w e :
1. D o k o n a n i e p r a w i d ł o w e j o c e n y p r z y d a t n o ś c i d o p r a c y w p o d z i e m i a c h k o p a l ń g ó r n i c z y c h p r z e w o d ó w o p o n o w y c h , z p u n k t u w i d z e n i a ich t r u d n o p a l n o ś c i , w y m a g a p r z e p r o w a d z e n i a b a d a ń r ó ż n y m i m e t o d a m i . Za n a j b a r d z i e j c e l o w e u z n a ć n a l e ż y b a d a n i a na p r ó b k a c h w w a r u n k a c h w y i d e a l i z o w a n y c h ( g r u p a II) o r a z b a d a n i a m a t e r i a ł ó w ( g r u p a III).
2. B a d a n i a n a p r ó b k a c h k a b l i u m o ż l i w i e j ę d o k o n a n i e o c e n y t r u d n o p a l n o ści, z j e d n o c z e s n y m u w z g l ę d n i e n i e m k o n s t r u k c j i k a b l i 1 z a s t o s o w a n y c h m a t e r i a ł ó w . N a p o d s t a w i e t e g o t y p u b a d a ń t r u d n o j e s t j e d n a k j e d n o z n a c z n i e u s z e r e g o w a ć m a t e r i a ł y k a b l o w e z p u n k t u w i d z e n i a ich o d p o r n o ś c i na d z i a ł a n i e o g n i a .
3. B a d a n i a m a t e r i a ł ó w z a l i c z o n e do g r u p y III t e s t ó w n a j k o r z y s t n i e j jest w y k o n a ć , o k r e ś l a j ę c w a r t o ś ć w s k a ź n i k a t l e n o w e g o O l o r a z g ę s t o ś c i z a d y m i e n i a OB,, O t r z y m a n e w y n i k i b a d a ń p o z w a l a j ę na d o k o n a n i e o p t y m a l n e g o d o b o r u m a t e r i a ł ó w , s z c z e g ó l n i e w z a k r e s i e o s ł o n z e w n ę t r z n y c h .
4. P r z e p r o w a d z o n e b a d a n i a l a b o r a t o r y j n e , z z a s t o s o w a n i e m a p a r a t u r y fir
m y S t a n t o n R e d c r o f t , w y k a z a ł y co n a s t ę p u j e :
a) m a t e r i a ł y k r a j o w e p o d w z g l ę d e m w s k a ź n i k a t l e n o w e g o 01 i g ę s t o ś c i z a d y m i e n i a 0 D n n i e r ó ż n i ę się w s p o s ó b z a s a d n i c z y o d m a t e r i a ł ó w z a g r a n i c z n y c h .
100 W. Boron, V I. Waksmańska
b w przypadku stosowania na osłony zewnętrzne polichlorku winylu koniecz
ne jest wykonywanie go jako materiału uodpornionego na działanie pło
mienia; minimalna wartość wskaźnika tlenowego w tym wypadku powinna wynosić 28t29,
C/ uwzględniając zmienność wartości wskaźnika tlenowego w funkcji począt
kowej temperatury próbki konieczne jest prowadzenie badań uwzględniają
cych temperaturę pracy badanych materiałów.
5. Wymacania w zakresie minimalnych wartości 01 powinny być uwzględnio
ne w obowiązujących normach na górnicze kable i przewody oponowe.
LITERATURA
[1] Rozporządzenia Prezesa Rady Ministrów z dnia 1.08.1969 w sprswie bez
pieczeństwa pożarowego w podziemnych zakładach górniczych. Dz.U. z dnia 18 sierpnia 1969 r. nr 24, poz. 176.
[2 ] Szczegółowe przepisy prowadzenia ruchu i gospodarki złożem w podziem
nych zakładach górniczych wydobywających węgiel kamienny i brunatny.
Katowice 1984.
[3 ] iEC. Publication 332-1.1979. Test on electric cablec under fire condi- t ions.
[4 ] PN-73/E-04160 arkusz 55 metoda A. Przewody elektryczne. Metody badań.
Sprawdzenie odporności na rozprzestrzenianie się płomienia.
Cs] PN-76/C-89020. Tworzywa sztuczne. Sadanie zapalności metodą wskaźnika tlenowego.
[6] USA ASTM D 2863 - 7 4 -Method of test for flammability of plastics using the oxygen index method.
[7 ] Fenimore P., Martin 0.: Combust,, Flame 10, 135 (1966).
[8] Mc Allister D . : Electric Cables Handbook. Granada-London 1983.
List of materials' used for insulating and sheathing of cables and cords. Wydawnictwo firmy AEG-Kabel. 1985.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Florian KRASUCKI
Wpłynęło do Redakcji w styczniu 1987 r.
KPHTEPUH OUEHKłi BOCIUlOMEHhEMOCTłl TOPHHX KAEEJIEH H rHBKHX nPOUOAOB
P e 3 x> m e
B AOKzajte npeAdaBzeHo u e t o a u onpeaejwumHe TpyxHoaocnjiaHeHaeMOCTb ropnuz Kaóejleił u npoBoAOB b p h s h h o b o H odojio'uce. IIpoBeAeHO aHa;in3 Tpex b haob nccjie- A o Banu ii: HCCjiexoBaHHH CHMyjiHpyioąne BjiHHHze A eflCTB H iejibH H x sK cn jiya T a u n o E H H x ycjioBHii, zaÓopaTopHHe HCcieAOBaHH« no Hop*ie IEC Publikacja 332-1, a xaxse HCCżeAOBaHHB CaMbOC KafiejIBHHX MaiepH£UI0B,
Wybrane kryteria oceny. 10.1.
Hcc.ieAoBaHHe KaPexbHHx uaTepHaxoB npexcTaBxxex coooit; p.nm'iecKoe onpeAexen.He iixothocth 3aAbiMjieHKH a Taxxe MHHHMaxbHott KOHAeHTpKpbBKH x.kcxopoAa, hsoOxo- AkmoH a j ix noAAepwKH ropeHHH MaTepaaxa. IIpexcxaBAeHO KOHCxpyKXHio HccxeAOBa- xejibHoro pocia, H3MepHTexbHy» annapaxypy a xaiosce cnocoo npoBeAeHHx ¡i»i.:epe- HHX njIOTHOCXH 3aAbIMXeHHX (0t)M) a XaKXe ICKCXOpOAHOrO HHAeKCa (vl) . ii TatjX. 1 npaBeASHo pe3yjibTaxti H3MepeKHit On h Oa .
nccjieAOBaHHa npoBexeHo Ha o6pa3uax Hapyximx, oooxovok c q m h b h a o b Kabexeit h npoBOAOB b pH3HHoBoil odoxoHKe npHMeHaeMux B-.'aojibCKHx yrojibHHx iaaxiax.
Axh cpaBHeHHK b xaPji. 2 npHBexeno pesyxbTam.jiccxexoBaHHJ: khcxodgah»; hiuss- cob n o x y a e H H u e 4)npMott 3 r i t i s h I n s u l a t e d C a l l e n d e r ' s C a b l e s {bexHKodpaxa- HHs) H A E G - K a b e l ( § P r ) . CipOpMyXHpOBaHHUe K OH B M H b t e BblBOAH n03B0.XHel aa pa3- paPoiKy yHHifHUHpoBaHHHX uexoAOB nccxeAoBaHHa a xaKse Ha onpexexeHHe oaho- 3HaHHux KpHTepnfl xpyAHOBocnxaMeHHeMOPTH ropHbcx Kabexe?. h npoBosoB b phshho- boH OpOXOHKe.
SELECTED CR1TERI0NS OF ESTIMATING OF FLAMMAERILITY OF CABLES AND TRAILING CA3LES
S u m m a r y
In the paper the methods for determination of flame - retardant cha
racteristics of mining cables' are present edi -There are also discussed three types of testing methods: simulating method considering the influen
ce of exploitation conditions, laboratory method described in IEC Standard Publication 332-1 and the method of testing-cable materials, this last test method coyers determination of the s p e c i f y optical density of smoke generated by material and the minimum oxygen concentration to support candle-like combustion of material. Also the construction of an examina
tion stand, a measuring apparatus and a way of carrying out the examina
tions of smoke density (OD ) and oxygen index (01) have been presented.
There are given the findings of measuring the 01 and 0Dm in Table 1. The tests have been carried out on the samples of outher sheath of seven ty
pes of armoured and trailing cables which are in use in coal mines Poland.
For comparison in Table 2 are listed the values 01 obrained in British Insulated Callender's Cables (United Kingdom) and AEG-Kabel of Federal Republic German. Some conclusions have been formulated having in purco- se to work out the uniform testing method and as well to determine the sy
nonymous criterion for assessment of flame-retardant characteristics of cables in coal mines.
