Scelta dei cavi in relazione al comportamento al fuoco

    Scelta dei cavi in relazione al comportamento al fuoco    Le principali caratteristiche che progettisti ed installatori devono considerare  per la sicurezza dell’impianto elettrico    I cavi elettrici rappresentano uno dei componenti d’impianto in bassa tensione la cui  normale  collocazione  offre  da  un  lato  le  maggiori  difficoltà  di  sostituzione  o  adeguamento  e  dall’altro  ne  rende  problematica  anche  la  valutazione  dello  stato  d’invecchiamento.  Sul  medio  e  lungo  periodo  risulta,  quindi,  più  che  mai  strategica  una  corretta  scelta  ed  installazione  dei  cavi,  prevedendo  sia  margini  adeguati,  ma  non  eccessivi,  sia  condizioni d’installazione che favoriscano le verifiche e gli interventi di manutenzione  e adeguamento che si dovessero rendere necessari.  Tralasciando  le  problematiche  legate  al  dimensionamento  vero  e  proprio,  diversi  fattori influenzano la scelta del cavo, tra cui il comportamento in caso d’incendio.  Le principali caratteristiche che il progettista e l’installatore devono considerare nella  scelta del tipo di cavo in relazione al comportamento al fuoco sono:  1) non propagazione della fiamma o dell’incendio;  2) ridotta emissione di gas tossici e corrosivi e di fumi opachi;  3) resistenza al fuoco.      Ciascuna  caratteristica  è  sinteticamente  discussa  nei  paragrafi  seguenti  in  termini  generali,  in  relazione  alle  corrispondenti  tipologie  di  cavo  e  ai  principi  tecnologici  utilizzati per conferire al cavo il comportamento desiderato 

1) Non propagazione della fiamma o dell’incendio  I cavi la cui reazione al fuoco è limitata alla resistenza alla propagazione dell’incendio  o  della  fiamma  impediscono,  o  quanto  meno  ritardano,  la  diffusione  del  fuoco  alle  zone  interessate  dal  loro  percorso,  ma  non  esplicano  alcuna  azione  di  protezione  attiva nei confronti di persone e cose.  È opportuno ricordare che, anche escludendo il caso di un’errata protezione del cavo  contro  le  sovracorrenti,  la  combustione  dei  materiali  organici  costituenti  isolamento,  riempitivo e guaina può essere facilmente innescata anche da un incendio che, per  una  qualunque  causa,  abbia  origine  nelle  immediate  vicinanze,  a  meno  che  questi  non siano stati convenientemente scelti e resi resistenti al fuoco.  Da oltre vent’anni, la tecnologia ha messo a disposizione di progettisti ed installatori  tipologie di cavi capaci di ovviare a tale pericolo: si tratta dei cavi in grado di superare  una delle prove di non propagazione previste dalla Norma CEI 20-22 e dalla Norma  CEI 20-35.  Tralasciando  la  caratteristica  di  non  propagazione  della  fiamma  (CEI  20-35),  che  attualmente  risulta  un  requisito  minimo  comune  a  tutti  i  cavi  in  commercio  e  che  pertanto  non  deve  nemmeno  essere  veicolato  come  un  plus  nei  capitolati  e  nelle  offerte,  per  quanto  riguarda  le  prove  previste  dalla  Norma  CEI  20-22  in  merito  alla  non  propagazione  dell’incendio  si  può  osservare  che  esse  vengono  eseguite  su  un  fascio  di  cavi  a  disposizione  verticale  e  si  differenziano  sia  per  la  consistenza  del  fascio in termini di quantitativo di materiale non metallico (10 kg/m, col metodo di cui  alla  parte  2a;  1,5  l/m,  col  metodo  di  cui  alla  parte  3a),  sia  per  la  diversa  apparecchiatura di prova 1 .    Prova non propagazione alla fiamma 

  Le tipologie di cavi in oggetto comprendono:  -  cavi senza guaina, con isolamento termoplastico (PVC) e conduttore a filo unico,  corda  rigida  o  flessibile,  a  sigla  N07V-U/R/K,  in  tutto  simili  al  tipo  H07V-U/R/K  della Norma CEI 20-20, ma che garantiscono in più il superamento della prova di  non propagazione a Norma CEI 20-22, parte 2a;  -  cavi  flessibili  uni  o  multipolari  per  energia,  o  multipolari  per  segnalamento  e  controllo,  per  posa  mobile,  con  conduttore  flessibile,  isolamento,  riempitivo  e  guaina in PVC ed eventuale schermo in treccia di rame, a sigla FROR o FROH2R  450/750  V,  sostanzialmente  rispondenti  ai  requisiti  dimensionali  e  di  prova  desunti,  per  equivalenza,  della  Norma  CEI  20-20,  ma  che  garantiscono  in  più  il  superamento  della  prova  di  non  propagazione  in  conformità  alla  Norma  CEI  20- 22, parte 2a;  -  cavi uni o multipolari per posa fissa, con conduttori a filo unico o a corda rigida o  flessibile, isolamento, riempitivo e guaina in PVC ed eventuale schermo a nastri,  fili, o treccia di rame rispondenti ai requisiti della Norma costruttiva CEI 20-14 ed  a quelli della già menzionata Norma CEI 20-22, parte 2a;  -  cavi uni o multipolari, per posa fissa, tensione nominale 0,6/1 kV, con conduttori a  filo  unico  o  corda  rigida  o  flessibile,  isolamento  in  EPR  qualità  G7,  riempitivo  e  guaina  in  PVC  ed  eventuale  schermo  a  nastri,  fili  o  treccia  di  rame,  a  sigla  U/R/FG7R  (unipolari  per  energia  senza  schermo),  U/R/FG7OR  (multipolari  per  energia  e  per  segnalamento  senza  schermo),  U/R/FG7OH1R  (multipolari  con  schermo a nastri o fili), FG7OH2R (multipolari con schermo o treccia).      Prova non propagazione incendio 

Il  meccanismo  che  presiede  la  caratteristica  di  non  propagazione  è  essenzialmente  basato sulla presenza dell’atomo di cloro nella molecola del PVC ed in quella di un  altro  componente,  la  cloroparaffina,  che  interviene  normalmente,  in  quantità  più  o  meno  grandi,  nella  composizione  delle  mescole  termoplastiche  d’isolamento,  riempitivo e guaina.  Durante  la  combustione,  il  cloro,  liberandosi  in  forma  gassosa,  esplica  un’azione  di  avvelenamento  chimico/fisica  della  combustione  stessa,  impedendone,  quindi,  se  in  quantità sufficiente, la propagazione.  Tale  vantaggio  viene  pagato,  però,  con  l’immissione  nell’atmosfera  di  tale  gas  fortemente tossico e corrosivo e, quindi, altamente dannoso per persone e cose.  Un PVC ignifugato conteneva inizialmente da 200 a 300 g di cloro per kilogrammo di  mescola.  In  tempi  più  recenti,  si  è  cercato  di  ovviare  parzialmente  a  tale  inconveniente,  introducendo nella mescola uno o più componenti in grado di legarsi selettivamente  al  cloro  liberato  dalla  combustione,  riducendo  così  la  quantità  di  gas  effettivamente  immessa nell’ambiente fino a valori pari a circa la metà 2 .    2) Ridotta emissione di gas tossici e corrosivi e di fumi opachi  Un fattore che è opportuno prendere in considerazione è che il rivestimento isolante,  se  non  adeguatamente  scelto,  durante  la  combustione  può  produrre  gas  (acidi  alogenidrici) corrosivi e tossici, caratterizzati anche da un elevata opacità dei fumi.  L’assenza di fumi opachi è la caratteristica di maggior rilievo di questa tecnologia, il  cui sviluppo ha avuto inizio in tempi relativamente più recenti rispetto al precedente  tipo  di  cavi,  sulla  spinta  dell’esigenza,  manifestata  dai  gestori  di  metropolitane,  di  mantenere,  in  caso  d’incendio,  un  livello  di  visibilità  sufficiente  all’interno  delle  gallerie, in modo da consentire il raggiungimento delle vie di scampo 3 .  Per  quanto  riguarda  i  gas  emessi  durante  la  combustione,  è  opportuno  osservare,  inoltre, che essendo gli isolanti costituiti da materiali organici e poiché la combustione  consiste  proprio  nella  combinazione  del  carbonio  (in  essi  contenuto)  con  l’ossigeno  dell’aria, è inevitabile la formazione di CO e CO 2  in quantità relative che dipendono  dal modo in cui avviene la combustione stessa. Dei due gas menzionati, solo il primo  è  dannoso  per  l’uomo  e  la  composizione  di  questo  tipo  di  mescole  viene,  quindi,  particolarmente curata per ridurre al minimo il quantitativo di CO emesso (favorendo 

la  combustione  completa  delle  mescole),  evitando,  inoltre,  nel  modo  più  assoluto,  l’impiego di componenti contenenti alogeni.  In  tal  modo  la  sicurezza  delle  persone  viene  garantita  e  l’assenza  di  sostanze  corrosive nei fumi di combustione impedisce che, per tale causa, vengano procurati  danni anche alle cose 4 .        Il  controllo  del  grado  di  opacità  dei  fumi  e  del  contenuto  di  sostanze  tossiche  e  corrosive  dei  gas  emessi  durante  la  combustione  è  effettuato  mediante  i  metodi  di  prova previsti dalla Norma CEI 20-37.  La  tipologia  di  cavi  in  oggetto  è  codificata  nella  Norma  CEI  20-38,  parte  1a,  e  comprende:  -  cavi isolati senza guaina, con isolamento in EVA e conduttore a corda flessibile, a  sigla  N07G9-K,  cavi  isolati  senza  guaina,  con  isolamento  termoplastico  a  sigla  H07Z1-K, H07Z1-R avente lo stesso tipo di impiego del cavo N07V-K;  -  cavi  uni  o  multipolari  per  energia,  o  multipolari  per  segnalamento  e  controllo,  tensione  nominale  0,6/1  kV,  con  conduttori  a  filo  unico  o  a  corda  rigida  o  flessibile, isolamento in gomma EPR qualità G10, guaina in mescola poliolefinica  speciale tipo M1 (cavi per posa fissa) o M2 (cavi per posa mobile) e riempitivo di  tipo  congruente,  per  quanto  riguarda  opacità,  corrosività  e  tossicità  dei  gas  emessi, con i materiali di isolamento e guaina; eventuale schermo a nastri, fili, o  treccia  di  rame;  sigla  U/R/FG10M1/M2  o  U/R/FG10OM1/M2  (uni  o  multipolari  Prova opacità fumi 

senza  schermo),  U/R/FG10OH1M1/M2  (uni  o  multipolari  con  schermo  a  nastri  o  fili), U/R/FG10OH2M1/M2 (multipolari con schermo a treccia).    Il  meccanismo  che  presiede  alla  caratteristica  di  non  propagazione  della  combustione  è  fondamentalmente  diverso  da  quello,  utilizzato  per  i  cavi  di  cui  al  punto precedente, basato sull’emissione di gas cloro.  Le mescole di isolamento, riempitivo e guaina di questi cavi vengono, infatti, caricate  con idrossidi metallici contenenti elevati quantitativi di acqua di cristallizzazione, che  viene  rilasciata  in  modo  selettivo  quando  la  temperatura  di  combustione  raggiunge  determinati  livelli.  L’acqua  così  rilasciata,  passando  allo  stato  di  vapore,  da  un  lato  assorbe  notevoli  quantità  di  calore  e,  dall’altro,  riduce  la  percentuale  di  ossigeno  presente  nell’atmosfera  circostante  la  zona  di  combustione,  che  viene  quindi  contemporaneamente  raffreddata  e  rallentata  fino  allo  spegnimento.  In  alcuni  casi,  durante  la  prova  di  non  propagazione  in  conformità  alla  Norma  CEI  20-22  non  si  riesce ad ottenere una vera e propria fase di ignizione.  Il  meccanismo  descritto,  evitando  l’impiego  di  inibitori  di  combustione  normalmente  basati  su  composti  alogenati,  permette  di  ottenere  le  desiderate  caratteristiche  di  atossicità  (CO  a  parte)  e  non  corrosività,  senza  rinunciare  a  quella  di  non  propagazione 5 .        Cavi LSOH  I cavi costruiti secondo la tecnologia LSOH (Low Smoke Zero Halogen), aggiungono  alle  proprietà  elettriche  e  meccaniche  e  alle  normali  prestazioni  al  fuoco  dei  cavi  standard, caratteristiche in grado di aumentare il livello di sicurezza delle installazioni  elettriche, attraverso:  Prova quantità gas tossici e corrosivi 

- ridotte emissioni di fumi opachi e gas tossici e corrosivi;  - assenza di emissioni di gas contenenti alogeni;  - non propagazione dell’incendio;  - maggiore durata di vita (rispetto ai cavi standard).    Sulla base delle loro caratteristiche distintive, i cavi LSOH sono adatti per:  - locali ad elevata densità di affollamento;  - locali a ventilazione naturale scarsa o impedita;  -  strutture  a  lento  abbandono  a  causa  della  condizione  delle  persone  presenti  (ospedali, ricoveri per anziani);  -  strutture  a  lento  abbandono  a  causa  della  loro  stessa  natura  (edifici  storici,  costruzioni molto elevate);  -  edifici  o  parti  di  essi  contenenti  strumentazioni  delicate  e  di  valore  (sale  controllo,  centri di calcolo);  - quadri elettrici.    I  cavi  svolgono  un  ruolo  importante  anche  in  relazione  alla  salvaguardia  e  alla  protezione  dell’ambiente  circostante,  tutelando  la  sicurezza  delle  persone  e  proteggendo i beni materiali.  L’impiego  di  cavi  più  sicuri  a  tecnologia  LSOH  aiuta,  inoltre,  a  prevenire  la  propagazione dell’incendio dalla stanza in cui si è generato a quelle adiacenti.  In  aggiunta  a  questo,  le  ridotte  emissioni  di  fumi  opachi,  gas  irritanti  e  corrosivi  limitano il rischio di attacchi di panico ed i danni fisici riportati dalle persone coinvolte,  e  consentono  di  mantenere  un  buon  livello  di  visibilità  all’interno  dell’ambiente  interessato  dall’incendio,  facilitando  l’individuazione  delle  uscite  di  emergenza  e  l’evacuazione dell’edificio stesso.    3) Resistenza al fuoco  A differenza dei tipi precedentemente trattati, i cavi resistenti al fuoco sono progettati  e  costruiti  per  continuare  a  funzionare  per  un  determinato  periodo  di  tempo  anche  quando  interessati  dall’incendio.  Essi  vengono,  quindi,  utilizzati  per  alimentare  i  servizi  di  emergenza,  e  cioè  quei  servizi  che  intervengono  per  segnalare 

tempestivamente  l’insorgere  dell’incendio,  per  cercare  di  soffocarlo  o  almeno  limitarne la diffusione e per favorire una rapida evacuazione delle persone.  Il  progresso  tecnologico  ha  messo  a  disposizione  di  progettisti  ed  installatori  due  tipologie di cavi resistenti al fuoco: ad isolamento estruso, a Norma CEI 20-45, e ad  isolamento minerale, a Norma CEI 20-39.  La  verifica  delle  caratteristiche  di  resistenza  al  fuoco  viene  effettuata  mediante  il  metodo di prova descritto nella Norma CEI 20-36.      Cavi estrusi, previsti dalla Norma CEI 20-45 6   I tipi previsti sono i seguenti:  -  cavi  flessibili  uni  o  multipolari  per  energia,  per  posa  mobile,  tensione  nominale  0,6/1  kV,  con  conduttore  a  corda  flessibile,  nastro  in  vetro micato,  isolamento  in  gomma EPR qualità G10, guaina in mescola (elastomerica) poliolefinica speciale  tipo M2 e riempitivo di tipo congruente con i materiali di isolamento e guaina; sigla  FTG10M2 (unipolari) o FTG10OM2 (multipolari);  -  cavi uni o multipolari per energia, per posa fissa, tensione nominale 0,6/1 kV, con  conduttore  a  filo  unico  o  corda  rigida  o  flessibile,  nastro  in  vetro  micato,  isolamento  in  gomma  EPR  qualità  G10,  guaina  in  mescola  (termoplastica)  poliolefinica  speciale  tipo  M1  e  riempitivo  di  tipo  congruente  con  i  materiali  di  isolamento  e  guaina;  sigla  U/R/FTG10M1  (unipolari)  o  U/R/FTG10OM1  (multipolari);  Prova resistenza al fuoco 

-  cavi  flessibili  uni  o  multipolari  per  energia,  tensione  nominale  0,6/1  kV,  con  conduttore a filo unico o corda rigida o flessibile, isolamento in gomma siliconica  qualità  E12  (G4),  treccia  chiusa  di  vetro  trattato,  guaina  in  mescola  poliolefinica  speciale  tipo  M2  e  riempitivo  di  tipo  congruente  con  i  materiali  di  isolamento  e  guaina; sigla U/R/FG4T2M2 (unipolari) o U/R/FTG4T2OM2 (multipolari).    Per i primi due tipi di cavo descritti al punto precedente, il meccanismo che permette  il mantenimento della funzionalità (e quindi l’isolamento tra le fasi e tra fase e terra) è  basato  sull’impiego  di  un  nastro  di  vetro  micato  che  inviluppa  il  conduttore.  Il  fuoco  brucia  guaina,  riempitivo  ed  isolamento  estruso,  ma  il  nastro  di  vetro  micato,  opportunamente  applicato,  garantisce  la  funzionalità  del  cavo  per  un  tempo  che,  a  seconda  della  temperatura  di  prova,  può  andare  da  qualche  decina  di  minuti  a  qualche ora.  Per  il  terzo  tipo  di  cavo,  il  meccanismo  che  permette  il  mantenimento  della  funzionalità  è  basato  sull’impiego  combinato  di  una  mescola  siliconica,  fortemente  caricata  con  farina  fossile  o  materiale  similare,  e  di  una  treccia  di  vetro.  Il  fuoco  brucia  guaina,  riempitivo  ed  isolamento  estruso,  ma  le  ceneri  di  quest’ultimo,  mantenute in loco dalla treccia chiusa di vetro, riescono a garantire la funzionalità del  cavo per il tempo specificato 7 .  Cavi ad isolamento minerale  Un’alternativa ai cavi resistenti al fuoco ad isolamento estruso è costituita dai cavi ad  isolamento minerale, nei quali il materiale isolante è a base di ossido di magnesio in  polvere, che viene compresso entro una guaina continua, senza saldatura, di rame o  di alluminio.  I conduttori sono mantenuti a distanza di isolamento fra di loro e rispetto alla guaina  conduttrice da distanziatori, detti dischetti.  Il  materiale  isolante  ha  una  temperatura  di  fusione  particolarmente  elevata,  circa  2.800  °C;  tenuto  conto  della  temperatura  di  rammollimento  del  rame  (1.083  °C),  la  temperatura  dei  conduttori  in  esercizio  può  raggiungere  gli  800  °C.  Questo  tipo  di  cavo  è  adatto  solo  per  sistemi  di  bassa  tensione  nominale  d’isolamento  fino  a  500/700 V 8 .  Da tutto ciò deriva una notevole specializzazione nelle applicazioni di questo tipo di  cavo,  nonostante  le  sue  intrinseche  qualità  siano  molto  interessanti  per  l’uso  in  ambienti  particolari,  quali  certi  luoghi  con  pericolo  di  esplosione  o  di  incendio,  o  in 

condizioni  ambientali  gravose 9 .  La  temperatura  di  esercizio  potrebbe  essere  molto  più  elevata  di  quella  oggi  fissata  per  alcuni  tipi  di  cavi  (fino  a  250  °C  circa),  ma  ne  seguirebbe  un  aumento  di  resistenza  dei  conduttori  elevata  e,  quindi,  perdite  e  cadute di tensione eccessive.  Ne consegue che, per uno sfruttamento alle più alte temperature, la lunghezza della  conduttura  deve  necessariamente  essere  breve  (ad  esempio,  i  collegamenti  fra  trasformatori  e  quadri  e  tra  quadri  all’interno  delle  cabine);  si  pone,  tuttavia,  il  problema  del  costo  delle  terminazioni,  che  incide  sensibilmente  sul  costo  della  conduttura, essendo questa corta.  La Norma di riferimento per i cavi ad isolamento minerale è la CEI 20-39.    Autori:  Angelo Baggini  [email protected]  Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi di Bergamo     Franco Bua  [email protected]  ECD Engineering Consulting and Design, Pavia    NB: Per le immagini si ringrazia Prysmian Cavi       Note:  1) La Norma CEI 20-22 prevede una diversificazione delle apparecchiature di prova,  sia  per  il  diverso  sistema  di  generazione  del  calore,  sia  per  la  quantità  dello  stesso  apportato al fascio di cavi.  2)  Il  limite  massimo  previsto  dalle  Norme  per  l’emissione  di  cloro  dei  cavi  non  propaganti  la  fiamma  o  l’incendio,  calcolato  come  media  pesata  dei  componenti,  risulta pari al 22%.  3) La mancanza di visibilità è considerata la principale causa di perdita di vite umane  nelle  statistiche  degli  incendi,  non  solo  delle  metropolitane,  ma  anche  degli  edifici  pubblici e dei locali di pubblico spettacolo. 

4)  I  maggiori  danni  durante  gli  incendi  parziali  non  sono  causati  dal  calore,  bensì  dalla corrosività dei fumi che, diffondendosi anche nei locali non interessati dal fuoco,  vengono in contatto con le cose in essi contenute.  5) Il rallentamento della combustione e, quindi, la sua maggiore completezza, riduce  la presenza delle particelle incombuste, responsabili dell’opacità dei fumi.  6)  Nella  Norma  CEI  20-45  vengono  considerati  solo  cavi  resistenti  al  fuoco  che  prevedono anche la non propagazione, l’assenza di fumi opachi, l’emissione di gas a  ridotta tossicità (contenenti solo CO e CO 2 ) e non corrosivi.  7)  Esistono  altri  tipi  di  cavo  resistenti  al  fuoco,  non  codificati  da  Norme,  il  cui  meccanismo di funzionamento è basato su altri principi, ad esempio l’intumescenza  del materiale isolante.  8) Considerando l’elevata igroscopicità dell’isolante dei cavi ad isolamento minerale,  sono richiesti accessori particolari per le giunzioni e le terminazioni e molta cura nella  realizzazione.  9)  Gli  impianti  di  emergenza  nel  caso  di  incendio  possono  funzionare  ad  alte  temperature per lungo tempo.  10)  L’impiego  di  cavi  ad  isolamento  minerale  a  bordo  di  macchine  (ad  esempio,  trasformatori) per i circuiti ausiliari richiede particolare attenzione.