Пожарная безопасность изоляционных материалов бортовой электрической сети

Для изготовления бортовой сети магистрального пассажирского самолёта применяется более 100 км проводов и кабелей общим весом до 300 кг. Доля полимерных электроизоляционных материалов от общего веса проводов и кабелей составляет более 50%.

Начиная с 70-х годов XX века в зарубежной практике авиастроения, а затем и в современной России всё более широкое применение стали находить электроизоляционные материалы на основе соединений фтора: политетрафторэтилен (PTFE, фторопласт-4Д), сополимер тетрафторэтилена с этиленом (ETFE, XL-ETFE, фторопласт-40) и полиимид (PI).

Существенным фактором, определяющим применение полимерных материалов, является их пожарная опасность, обусловленная горючестью и сопутствующими процессами, которая определяется в технике следующими характеристиками:

• горючестью, то есть способностью материала загораться, поддерживать и распространять процесс горения;
• дымовыделением при горении и воздействии пламени;
• токсичностью продуктов горения и пиролиза — разложения вещества под действием высоких температур.

Рассмотрим более детально характеристики для каждого изоляционного материала.

Систематические исследования по определению степени деструкции и состава продуктов термического разложения политетрафторэтилена были проведены в период 1953—1960 гг. Национальным бюро стандартов США установлено, что скорость разложения политетрафторэтилена зависит только от температуры, а количество летучих продуктов пиролиза — от температуры и времени пиролиза. Средняя скорость разложения политетрафторэтилена при температуре 400°С составляет 0,0012% массы в минуту. Изучение состава летучих компонентов показало, что основными компонентами газа являются тетрафторэтилен — 97% и гекса-фторпропилен — 3%.

Тетрафторэтилен CF2=CF2 — бесцветный газ, без запаха, является малоопасным веществом ГОСТ 12.1.007-76, ПДК 30 мг/м³. Эмиссия при температуре 400°С на 1 кг политетрафторэтилена составляет 15 мг/мин.

Гексафторпропилен CF3CF=CF2 — бесцветный газ, является умеренно опасным веществом ГОСТ 12.1.007-76, ПДК 5 мг/м³, летальная концентрация — 0,3% по объёму. Эмиссия при температуре 400°С на 1 кг политетрафторэтилена составляет 0,5 мг/мин.

Исследованиями по определению степени деструкции и состава продуктов термического разложения сополимера тетрафторэтилена с этиленом установлено, что средняя скорость разложения при температуре 320°С составляет 0,135% массы в минуту. При более низкой температуре, в сравнении с политетрафторэтиленом, скорость разложения и эмиссия газов происходит в 112 раз быстрее. Основную часть летучих продуктов деструкции составляет винилиденфторид 88% и фтористый водород 12%. При полном выгорании полимера образуется коксовый остаток — около 18% от изначальной массы.

Винилиденфторид CH2=CF2 — бесцветный газ, является малоопасным веществом ГОСТ 12.1.007-76, ПДК 500 мг/м³, летальная концентрация — 12,8% по объёму. Эмиссия при температуре 320°С на 1 кг сополимера тетра-фторэтилена с этиленом составляет 123 мг/мин.

Фтористый водород HF — бесцветный газ, является чрезвычайно опасным веществом ГОСТ 12.1.007-76, ПДК 0,05 мг/м³, летальная концентрация — 0,16% по объёму. Эмиссия при температуре 320°С на 1 кг сополимера тетрафтор-этилена с этиленом составляет 12,2 мг/мин.

Исследованиями по определению степени деструкции и состава продуктов термического разложения полиимида установлено, что средняя скорость разложения при температуре 400°С составляет 0,0017% массы в минуту. При деструкции образуется углекислый газ. При полном выгорании полимера появляется коксовый остаток около 65% от изначальной массы, разрушение которого происходит при температурах свыше 3000°С.

Итак, наиболее быстрое и сильное токсическое воздействие на человека оказывают продукты горения сополимера тетрафторэтилена с этиленом (ETFE, XL-ETFE фторопласт-40), летальный исход может наступить в течение 1 минуты нагревания или горения 1 кг материала, в то время как для политетрафторэтилена и полиимида — более чем 10 минут. Данный показатель определяет возможную длительность проведения эвакуации пассажиров и экипажа в критической ситуации. Согласно авиационным правилам АП-25.803(с) время для эвакуации составляет 90 секунд.

Для определения возможности человеку ориентироваться в пространстве при наступлении чрезвычайной ситуации нам потребуются результаты испытаний на дымообразование при горении или тлении. В 1989 году Техническим центром FAA (США) были проведены испытания проводов с изоляцией из сополимера тетрафторэтилена с этиленом. Испытаниям подвергались провода типов MIL-W-22759/16, MIL-W-22759/41 и опытный образец с изоляцией модифицированного радиацией сополимера тетрафторэтилена с этиленом (XL-ET-FE). Значение светопроницаемости составляло от 10,5 до 77,5% при продолжительности испытания 20 минут. В 2013 году Испытательным центром кабельной продукции ПНИПУ (г. Пермь) был испытан провод марки МК 26-11 2,5 ТУ 16.705.375-85 с комбинированной изоляцией из политетрафторэтилена и полиимида производства ООО «Камский кабель» на соответствие требованиям ГОСТ Р 53315-2009 п. 5.5 (ПД1), измерения плотности дыма при горении проводов проводились в соответствии с ГОСТ IEC 61034-2-2011. При продолжительности испытания в 37 минут минимальное зарегистрированное значение светопроницаемости составило 98,1%. При светопроницаемости 0—60% человек теряет способность ориентироваться в пространстве. Таким образом, продукты горения политетрафторэтилена и полиимида не могут препятствовать эвакуации пассажиров и экипажа в критической ситуации, в то время как при горении сополимера тетрафторэтилена с этиленом эвакуация будет затруднительной.

При разработке конструкции проводов для обеспечения пожарной безопасности принято руководствоваться значением кислородного индекса электроизоляционного полимера. Согласно проведённым исследованиям по стандарту ASTM D 2863 политетрафторэтилен обладает кислородным индексом более 95%, полиимид — более 50%, в то время как для сополимера тетрафторэтилена с этиленом показатель составляет лишь 31% и может быть увеличен до 40% за счёт модификации и специальных добавок — антипиренов.

Существует несколько методик для проверки проводов на нераспространение горения, одна из которых изложена в Приложении F АП-25 п. I(а) (3). Испытания были проведены на проводе марки МК 26-11 2,5 ТУ 16-705.375-85 с комбинированной изоляцией из политетрафторэтилена и полиимида производства ООО «Камский кабель». Время воздействия горелки составило 30 с, время прекращения горения образцов — 0 с (требование не более 10 с), длина обгоревшего участка с учётом зоны, находящейся в пламени, составила от 33 до 55 мм (требование не более 75 мм). Согласно данным фирмы Raychem для проводов SPEC 55PC с изоляцией из сополимера тетрафторэтилена с этиленом (XL-ETFE) показатель времени прекращения горения образца составляет 0 с, показатель по длине обгоревшего участка — 57 мм.

Вышеупомянутый метод испытаний не в полной мере может воспроизвести чрезвычайную ситуацию, поэтому было предложено провести испытания проводов на соответствие требованиям ГОСТ Р 53315-2009 п. 5.3 (ПРГП 1б) и определить придел распространения горения пучком проводов (категория А). Испытания проводились в соответствии с ГОСР IEC 60332-3-22-2011. Испытаниям подвергся провод марки МК 26-11 2,5 ТУ 16-705.375-85 с комбинированной изоляцией из политетрафторэтилена и полиимида производства ООО «Камский кабель», отрезки длиной 3,5 м в количестве 3501 шт. были уложены на вертикальной лестнице в 30 слоёв. Продолжительность испытания составила 40 минут, период времени до прекращения горения или тления составил 0 с, длина обугленной или повреждённой пламенем части образцов — 0,6 м. К примеру, для проводов с изоляцией из полимера с кислородным индексом 30% значение периода времени до прекращения горения или тления составляет 12 мин, длина обугленной или повреждённой пламенем части образцов — 1,4 м.

На основании вышеизложенного можно констатировать, что по совокупности характеристик наиболее безопасными материалами являются полиимид и политетрафторэтилен.

Так почему в зарубежной практике авиастроения, а затем и в современной России стали применять провода с изоляцией из сополимера тетрафтор-этилена с этиленом?

Ответ предлагаем искать в технологиях наложения изоляции.

Во-первых, сополимер тетрафторэтилена с этиленом перерабатывается способом экструзии в одну стадию и скорость изолирования провода составляет 200—600 м/мин, в то время как изготовление провода с изоляцией из политетрафторэтилена происходит в две стадии при скорости 6—10 м/мин. Очевидно, что при низкой производительности изготовители проводов не в состоянии в полной мере обеспечивать растущий спрос со стороны авиационных концернов.

Во-вторых, для защиты меди от окисления в токо-проводящих жилах и в экранах у проводов с изоляцией из сополимера тетрафторэтилена с этиленом применяют олово. В проводах с изоляцией из политетрафторэтилена для защиты меди от окисления в токопроводящих жилах и в экранах применяют никель или серебро, так как температура и продолжительность технологического цикла не позволяют применить олово и оловянно-свинцовые припои, что и приводит к значительному удорожанию продукции.

В итоге единственным способом обеспечить соответствие требованиям авиационных правил и снизить неблагоприятное воздействие на человека при чрезвычайной ситуации продуктов горения является ограничение массы и объёма сополимера тетрафторэтилена с этиленом.

Для обеспечения надёжности бортовой электрической сети провода принято изготавливать с двухслойной экструдированной изоляцией. При такой технологии изготовления радиальная толщина двухслойной изоляции бортовых проводов составляет 0,20 или 0,25 мм. В зарубежных стандартах имеются допущения, по которым бортовыми проводами могут считаться провода с однослойной изоляцией из сополимера тетрафторэтилена с этиленом радиальной толщиной не менее 0,13 мм, если провода имеют поверх изоляции металлический экран и защитную оболочку. Данные допущения снижают массу и объём полимера в конструкции провода в 2 раза, а заодно надёжность и ресурс. В итоге на провода с однослойной изоляцией из сополимера тетрафтор-этилена с этиленом не распространяется требование на устойчивость к воздействию электрической дуги.

Электрическая прочность изоляции при толщине 0,13 мм составляет 3,02 кВ. Свои плюсы получает и изготовитель проводов с однослойной изоляцией — отсутствуют дополнительные затраты времени на изготовление второго слоя, и тем самым выпуск увеличивается в двое.

Рис. Конструкция МКЭО 26-14 2х0,20 ТУ 16-705.375-85
1 — токопроводящие жилы из медных проволок, покрытых серебром; 2 — изоляция из плёнки СКЛФ-4Д;
3 — изоляция из плёнки ПМФ-С-352; 4 — экран из медных проволок, покрытых серебром;
5 — защитная оболочка из плёнок Ф-4ЭН; 6 — СКЛФ-4Д. Диаметр — 2,38 мм, вес — 11,17 кг/км.

Для сравнения: бортовой провод марки МКЭО 2614 (рис.) с экраном и с защитной оболочкой производства ООО «Камский кабель» имеет изоляцию из шести слоёв общей радиальной толщиной 0,20 мм, материал изоляции способен выдерживать воздействие электрической дуги в течение 250 с (ГОСТ 14906-77), электрическая прочность изоляции при толщине 0,20 мм составляет не менее 20,1 кВ.

Существует также ещё одна особенность у сополимера тетрафторэтилена с этиленом, обусловленная способом его переработки. Формирование изоляционного слоя происходит методом экструзии из расплава полимера, после чего изоляция охлаждается и в ней остаётся механическое напряжение. При повторном нагреве срабатывает «эффект памяти» полимера и изоляция даёт продольную усадку — при неизменной длине токопроводящей жилы длина изоляции становится меньше. Если продольная усадка изоляции происходит у провода в жгуте, то в итоге образуется кольцевой разрыв изоляции с появлением участка оголённой токопроводящей жилы размером до 3 мм либо токопроводящая жила под изоляцией образует петлю.

Практика проектирования бортовой электрической сети самолётов SSJ-100, Ан-140, Ан-148 и МС-21 определила однополярность подхода к выбору провода, где основными параметрами являются вес и размер. Такие параметры, как пожарная безопасность, надёжность, а в итоге стоимость эксплуатации и снижение рисков остались в прошлом.