Impariamo a conoscere i cavi senza alogeni a bassa generazione di fumi (LSZH): possono salvare la vita

Vi è una crescente tendenza verso l'uso di cavi elettrici senza alogeni a bassa generazione di fumi (LSZH) che utilizzano materiali della guaina più sicuri quando esposti al fuoco. Come suggerisce il loro nome, producono un fumo meno denso e quasi nessun gas altamente tossico (alogeni), a differenza dei materiali tradizionali come il polivinilcloruro (PVC) e l'etilpropilene fluorurato (FEP).

Potrebbe sembrare logico che i progettisti scelgano sempre questo tipo di cavi, ma la decisione è molto più complicata; è infatti necessario prima capire i cavi LSZH, dove sono adatti e come sceglierli e impiegarli.

I cavi LSZH non sono adatti a tutte le applicazioni

È importante ricordare che sebbene i cavi realizzati utilizzando composti alogenati come PVC e FEP siano indicati come pericolosi in caso di incendio, per i motivi descritti di seguito i cavi LSZH non sono una soluzione universale per sostituirli. Innanzitutto, i cavi basati su PVC e FEP hanno vantaggi troppo importanti per poterli escludere e la loro sostituzione con i cavi LSZH può avere un vantaggio irrisorio in spazi aperti in cui fumo e gas possono dissiparsi rapidamente. Inoltre, i cavi elettrici sono raramente l'unica fonte di plastica quando scoppia un incendio e poiché i cavi basati su PVC e FEP sono resistenti al fuoco, rispetto ad altre fonti il loro contributo all'incendio diventa relativamente piccolo.

I cavi in PVC e FEP sono anche meno costosi dei cavi LSZH, offrono eccellenti prestazioni elettriche, sono ampiamente disponibili e hanno ottime caratteristiche elettriche sia in ambiente asciutto che bagnato. Sono anche molto flessibili, hanno una lunga vita utile, sono resistenti a temperature estreme e ai prodotti chimici e sono molto robusti. In breve, i cavi LSZH sono i più adatti per situazioni in cui i cavi tradizionali potrebbero essere pericolosi. Non sono destinati a sostituire i cavi tradizionali in qualsiasi applicazione.

L'ascesa dei cavi LSZH

Le reazioni al fuoco e alla fiamma di PVC e FEP, presenti nelle guaine dei cavi, usati come dielettrico e inseriti in altri componenti, sono note sin dagli anni '70, cosicché dal 1980 circa negli impianti militari e nucleari sono stati utilizzati cavi con materiali alternativi. Tuttavia, l'incendio della King's Cross Station di Londra nel 1987, con più di 30 morti e 100 feriti, ha catturato l'attenzione di tutto il mondo (Figura 1).

Figura 1: Un'indagine sull'incendio alla King's Cross Station della metropolitana di Londra ha dimostrato che la combustione di grandi quantità di cavi elettrici aveva prodotto densi fumi neri e gas tossici, rendendo estremamente difficile la fuga delle persone. (Immagine per gentile concessione di Wikipedia)

L'indagine successiva ha rivelato che un fiammifero caduto su una scala mobile era stato l'innesco che, in presenza di molteplici fattori, si sviluppò fino a diventare mortale. Uno di questi fattori era la presenza di grandi quantità di cavi elettrici che bruciavano, provocando densi fumi neri e gas tossici e rendendo estremamente difficile la fuga delle persone. Si ritiene che questa tragedia abbia dato impulso allo sviluppo di cavi con prestazioni migliori e più sicure in caso di incendio.

In seguito, la metropolitana di Londra ha bandito i cavi in PVC e, poco dopo, altri membri dell'Unione Europea hanno iniziato a utilizzare ampiamente i cavi LSZH. Gli Stati Uniti impiegano molto più tempo ad adottare tali cavi per diversi motivi, tra cui costi, standard in conflitto e controversie su dove dovrebbero essere utilizzati. Questi problemi vengono lentamente risolti e i cavi basati su PVC e FEP vengono sostituiti in applicazioni che potrebbero trarne un effettivo vantaggio.

Differenze dei cavi LSZH

A differenza delle guaine in PVC, i cavi LSZH utilizzano rivestimenti realizzati con materiali termoplastici che non sprigionano alogeni o acidi caustici, producono poco o niente fumo e riducono significativamente la propagazione della fiamma, il che consente alle persone di fuggire più facilmente dalla zona dell'incendio e ai vigili del fuoco di svolgere meglio il loro difficile lavoro. I composti LSZH sono tipicamente basati su poliolefine drogate con minerali idratati, da cui si sprigiona un fumo bianco e meno denso.

Dopo l'introduzione dei cavi LSZH, sono stati creati altri composti che producono risultati ancora migliori mantenendo le prestazioni elettriche richieste. I materiali polimerici non intrinsecamente ritardanti la fiamma sono additivi con idrati inorganici (alluminio triidrato o idrossido di magnesio) che ottimizzano il rallentamento della fiamma. Questo pesante drogaggio in genere degrada alcune proprietà fisiche, di conseguenza l'industria dei cavi ha sviluppato ulteriori metodi per ridurre o eliminare questi difetti utilizzando composti diversi.

Requisiti confusi

Per i progettisti, la situazione rimane confusa perché ci sono diverse opinioni su dove questi cavi dovrebbero essere utilizzati. Non esiste un singolo standard o una serie di standard da cui prendere decisioni informate, ed è difficile fare una precisa distinzione tra i cavi LSZH dei diversi produttori. Per capire meglio la situazione, prendiamo i molti acronimi che sono stati usati nel corso degli anni per descrivere i cavi elettrici caratterizzati da qualche forma di prestazioni "migliori" in presenza di fuoco (Tabella 1).

Tabella 1: L'assenza di coerenza porta al caos: alcune delle numerose designazioni di cavi "antincendio" (Fonte dei dati: Wikipedia, Anixter, Inc.)

Altri esempi includono il Dipartimento della Difesa, una delle prime agenzie a occuparsi del contenuto di alogeni nello standard MIL-C-24643, che definisce come "basso" un tenore di alogeni inferiore allo 0,2% in peso. Altri standard riguardano la quantità di gas acido sprigionato, ma non specificamente i livelli di alogeni.

Per quanto riguarda i cavi elettrici utilizzati nelle intercapedini e nei condotti dell'aria (plenum), il problema principale è che i prodotti tossici e corrosivi che possono produrre si diffonderanno in tutto l'edificio. Il National Electrical Code (NEC) richiede che il cavo utilizzato nei plenum sia classificato come "a bassa generazione di fumi", sebbene ci sia persino un dibattito su questo, dato che i plenum in genere hanno un carico di incendio più leggero e una minore esposizione a fonti di ignizione. La National Fire Protection Association (NFPA) elabora lo standard NFPA 262, affrontando la questione dei cavi usati negli spazi dei plenum.

Fortunatamente l'Underwriters Laboratories (UL) ha trattato il problema della bassa generazione di fumi e senza alogeni a partire dal 2015 e ora offre programmi di certificazione per cavi privi di alogeni (HF) e LSZH basati sulle norme IEC 62821 e IEC 60754. La IEC 62821 copre i requisiti per cavi isolati termoplastici e inguainati senza alogeni e bassa generazione di fumi con valori nominali di tensione fino a 750 volt. I contrassegni HF e LZSH di UL possono essere utilizzati su molti tipi di fili e cavi, dal cablaggio di apparecchi ai cavi per le comunicazioni (inclusa la fibra ottica), i cavi flessibili e quelli di alimentazione e controllo.

Tutti i cavi HF e LSZH certificati UL soddisfano anche altri requisiti di certificazione generale UL. UL ha anche ampliato il suo programma di identificazione dei componenti sotto UL 2885 per includere la valutazione degli alogeni. Queste azioni e questa documentazione dovrebbero essere utili per i produttori di isolanti e composti di rivestimento e altri componenti del cavo, inclusi riempitivi, nastri e fascette.

Dove ha senso utilizzare i cavi LSZH

Stabilire se utilizzare il cavo LSZH è difficile, specialmente per coloro che diligentemente vogliono seguire standard, codici edili e molti altri documenti che affrontano il problema. Fortunatamente, la necessità di protezione offerta dai cavi LSZH è spesso evidente. In generale, i luoghi in cui i cavi LSZH dovrebbero essere presi in considerazione comprendono aree in cui molti cavi sono installati in uno spazio ristretto e sono vicini l'uno all'altro e dove l'evacuazione delle persone è difficoltosa, la ventilazione è scarsa ed è presente alta tensione.

Tra gli esempi più adatti troviamo le applicazioni in cui sono stati utilizzati per la prima volta, come navi di superficie e sottomarini dove la fuga dal fuoco è difficile e a volte impossibile o centrali nucleari dove fumo denso e gas tossici e corrosivi potrebbero essere catastrofici.

Altre applicazioni sono gli aerei commerciali, le stazioni di trasporto, alcune aree degli aeroporti, le centrali di commutazione delle telecomunicazioni, i tunnel, i teatri e i locali notturni (Figura 2). Questa piantina mostra la discoteca The Station a Warwick, RI, distrutta da un incendio nel 2003, con la morte di 100 persone e il ferimento di altre 230.

Figura 2: Questa piantina della discoteca The Station mostra che mentre esistevano alcune vie di evacuazione, da altre zone sarebbe stato estremamente difficile fuggire, specialmente per centinaia di persone in preda al panico. (Immagine per gentile concessione di National Bureau of Standards and Technology)

Sebbene ci fossero alcune vie di evacuazione, c'erano anche zone dalle quali sarebbe stato estremamente difficile fuggire, specialmente per centinaia di persone in preda al panico. Il tempo di uscita è un fattore fondamentale, poiché i fumi tossici si sarebbero accumulati rapidamente, come misurato nello schema (Figura 3).

Figura 3: Concentrazioni di gas in un punto centrale della discoteca, tra la cucina e la pista da ballo, per i primi 200 secondi dopo l'ignizione (t = 0). La sonda è stata posizionata a 1,5 metri sopra il livello del suolo. (Immagine per gentile concessione di National Bureau of Standards and Technology)

Le applicazioni più recenti includono i data center, il cui numero è cresciuto enormemente. Questi ambienti contengono foreste di cavi, così come enormi quantità di infrastrutture di raffreddamento, in cui la fiamma e il fumo possono diffondersi rapidamente. Stranamente, si potrebbe dire, l'uso di cavi LSZH nei data center non è universalmente richiesto, sebbene stiano diventando più diffusi.

Oltre alle motivazioni più ovvie, esistono altri fattori pro e contro l'uso dei cavi LSZH. Nei nuovi edifici, una delle considerazioni più importanti è il carico di incendio costituito dai materiali da costruzione per i quali occorre conoscere la tipologia oltre a una valutazione dell'ambiente generale. Sfortunatamente, negli edifici esistenti questo è spesso impossibile in quanto sapere quali materiali sono stati utilizzati in fase di costruzione è difficile e talvolta impossibile.

Prestazioni e costi

Anche se una volta era vero che le prestazioni elettriche e meccaniche dei cavi LSZH erano inferiori a quelle delle loro controparti tradizionali, oggi le cose sono cambiate molto. I produttori di cavi hanno continuamente migliorato i prodotti LSZH che oggi garantiscono proprietà ritardanti la fiamma come i materiali in PVC e FEP senza penalizzare flessibilità, raggio di curvatura, caratteristiche a basse temperature e prestazioni elettriche.

I cavi LSZH sono ancora in genere più costosi perché la loro produzione richiede passaggi aggiuntivi e tempi superiori. Tuttavia, il costo potrebbe scendere con l'allargarsi del mercato USA per i cavi LSZH. Le applicazioni in ambienti freddi non sono mai state un campo privilegiato per i cavi LSZH dato che gli additivi tendono a ridurre la flessibilità in generale e a temperature molto basse in particolare. Tuttavia, alcuni dei più recenti cavi LSZH attenuano questo problema con l'utilizzo di tecniche proprietarie.

Scegliere il cavo LSZH "giusto"

La proliferazione di norme, codici, regolamenti e standard disparati rende difficile per i produttori di cavi definire adeguatamente se sono o non sono realmente classificati LSZH. Alcune schede dati che apparentemente potrebbero soddisfare questi requisiti spesso non li confermano, ma forniscono solo la struttura del cavo (principalmente la guaina), lasciando fuori il materiale dielettrico.

Un buon esempio di schede dati che citano esplicitamente i requisiti LSZH è rappresentato da una famiglia di cavi multiconduttore di Alpha Wire che include il cavo a due conduttori 1172L SL005 fino alla versione a 24 conduttori 6017L SL005 (Figura 4). Viene indicato chiaramente che sono qualificati LSZH e che hanno superato i test, tra cui IEC 60332-1 per l'infiammabilità, EC 60754-1 e 60754-2 per la generazione di gas acido e IEC 61034-2 per la generazione di fumi.

Figura 4: Le schede dati per il cavo a due conduttori 1172L SL005 (a sinistra) e per quello a 24 conduttori 6017L SL005 (a destra) di Alpha Wire evitano ogni confusione dichiarando esplicitamente che sono qualificati LSZH e che hanno superato i test. (Immagine per gentile concessione di Alpha Wire)

Altri produttori specificano le caratteristiche LSZH, mentre altri ancora le "nascondono" tra le altre specifiche delle loro schede dati. Una situazione destinata a cambiare se saranno selezionati da un certo numero di ingegneri. Se un cavo sembra idoneo per la propria applicazione ma non indica chiaramente le sue caratteristiche associate al fuoco, il modo migliore per prendere una decisione definitiva è contattare il produttore. L'azienda potrebbe anche essere in grado di produrre versioni personalizzate con alcune o tutte le caratteristiche prestazionali superiori relative al fuoco. È inoltre essenziale confrontare i cavi LSZH di diversi produttori, selezionare candidati le cui prestazioni antincendio appaiono soddisfacenti e quindi confrontare la loro flessibilità, l'intervallo di temperatura, il raggio di curvatura, la durata e altri parametri chiave. Il "vincitore" dovrebbe avere sia eccellenti prestazioni relative al fuoco sia la minima differenza (o la minima inferiorità) possibile rispetto a un cavo in PVC.

Conclusione

A questo punto non sorprende che, sebbene i cavi LSZH siano disponibili da decenni, il loro uso stia iniziando ad aumentare solo ora. Non c'è stata alcuna alleanza o altra organizzazione per sostenerli, poca o nessuna coerenza su dove dovrebbero essere usati né su come i produttori dovrebbero descriverli su un sito Web o una scheda dati. Fortunatamente, la situazione sta cambiando in meglio grazie alla decisione di UL di aggiungere LSZH e LSF al suo programma di test di certificazione. Speriamo di non dover attendere un altro grande incendio mortale per continuare sulla buona strada.

Nel frattempo, i progettisti e gli ingegneri elettronici possono scegliere tra cavi LSZH standard e specificare la conformità LSZH a vari standard per applicazioni personalizzate secondo necessità.