Choix de matériaux ignifuges pour câbles à comportement au feu amélioré

Choix de matériaux ignifuges pour câbles à comportement au feu amélioré Par R. Petrus, B. Poisson, G. Raoult SAGEM Activité Câbles Mots clés Câble haute tension, Câble à fibre optique, Câble de sécurité, Matériaux ignifuges, Comportement au feu, Sécurité. Le souci de réduire les effets secondaires des incendies, en particulier l opacité des fumées, et la toxicité des gaz de combustion, est particulièrement présent dans l industrie des câbles électriques. Présentation de trois réalisations, qui concernent des domaines aussi différents que les câbles haute tension, les câbles à fibres optiques, et les câbles de sécurité. 1. Introduction Des événements plus ou moins récents (métro de Londres, aéroport de Düsseldorf, tunnel du Mont Blanc, Bibliothèque Nationale, funiculaire de Kaprun) ont montré les effets catastrophiques des incendies, pour les personnes et les biens. Au cours de ces sinistres, on a pu mesurer l importance des effets secondaires liés aux incendies : l opacité des fumées, qui rend très difficile la localisation des foyers ; la toxicité des gaz de combustion, à l origine d environ 60 % des décès. Bien qu ils ne soient pas directement à l origine des sinistres, les câbles, de par leur caractère linéaire, peuvent contribuer à leur propagation. Si une proportion importante de câbles utilise encore des matériaux à base de PVC, qui, en cas d incendie, dégagent des fumées opaques et toxiques, les grands donneurs d ordres tels que la RATP, la SNCF, la Sidérurgie, EDF, Aéroport de Paris, Eurotunnel ont compris depuis longtemps l intérêt de réduire les effets secondaires des incendies, afin de préserver la sécurité des personnes et des biens. En câblerie, la réduction de ces effets secondaires passe par le remplacement des PVC par des matériaux ignifuges spécifiques, ne contenant pas d halogène [1]. Nous présentons aujourd hui quelques réalisations, dans trois domaines qui concernent : les câbles haute tension ; les câbles à fibres optiques ; les câbles de sécurité. 2. Présentation des méthodes d essais Du point de vue de leur comportement au feu, les câbles électriques sont regardés sous plusieurs aspects : 2.1. Propagation du feu Trois normes sont utilisées pour évaluer le comportement des câbles en cas d incendie : propagation de la flamme (NF EN 50265). Un tronçon de 600 mm de câble est soumis à la flamme d un brûleur à gaz de 1 kw pendant 1 à 5 minutes, et on vérifie après essai la longueur non détruite, qui doit être supérieure à 50 mm ; L E S S E N T I E L S Y N O P S I S L amélioration du comportement au feu des produits constitue un axe important de recherches dans l industrie des câbles électriques. Les applications concernent aujourd hui de larges domaines, qui vont des liaisons haute tension aux câbles à fibres optiques. Dans chaque cas, il faut adapter la construction du câble, et la formulation de matériaux de gainage, pour répondre aux besoins du clients. Sur cette base, il est maintenant possible de proposer des câbles qui offrent une sécurité accrue pour les personnes et les biens, en réduisant la propagation du feu, ainsi que les effets secondaires comme l opacité des fumées, et la toxicité des gaz de combustion. The fire behaviour improvement of products forms a major research axis in electrical cable industry. The applications concern today large fields like High Voltage links, and Optical Fiber cables. In each case, it is necessary to adapt the cable conception and the sheathing material formulation to answer to the customer s requirements. On this base, it is now possible to propose cables which offer better safety for people and goods, by lowering fire propagation, but also side effects like smoke opacity and gas toxicity. 1

0,6/1 kv propagation de l incendie. Nous utilisons deux protocoles : l essai n 2 de la NFC 32070, qui consiste à vérifier la propagation du foyer issu d une botte de câble soumise à une source de chaleur électrique, portée à 850 C. La hauteur détruite doit être inférieure à 800 mm ; l essai CEI 60332-3, qui consiste à soumettre une nappe de câble de 3,5 m de hauteur à un brûleur à gaz de puissance 20 ou 40 kw, pendant un temps de 20 ou 40 minutes. La hauteur détruite doit être inférieure à 2,5 mètres. 12/20 kv 12/20 kv 60/90 kv Section de l âme (mm²) 240 240 630 630 Épaisseur d isolant (mm) 0,7 4,5 4,5 9 Puissance transportée (kva) 296 9350 19 000 75 000 Tableau 1. Puissance véhiculée, pour quelques modèles tripolaires, en fonction de la géométrie du câble. 2.2. Opacité des fumées L opacité des fumées est un des effets secondaires importants à prendre en compte. Deux normes d essai donnent ces informations : la NFC 20902, qui permet de mesurer l opacité des fumées dégagées par des plaques de matériau de 76 76 2 mm. Chaque plaque est installée dans une chambre étanche de 0,5 m 3, devant une source électrique délivrant 2,5 W/cm² au niveau de l éprouvette. La fumée se développe dans la chambre, munie en partie basse d une source de lumière, et en partie haute d une cellule de réception photométrique. On mesure finalement l affaiblissement de la transmission lumineuse, en terme de densité optique (D = log 100/T); la CEI 61034, qui permet de mesurer l opacité des fumées dégagée par des tronçons de câble, dans une chambre cubique de 3 mètres d arête. Le principe de mesure est identique à celui de la chambre de 0,5 m 3, c est-à-dire qu on mesure l affaiblissement de transmission lumineuse subi par un faisceau lumineux sur une distance de 3 mètres. 2.3. Toxicité des gaz de combustion La toxicité des gaz est le deuxième effet secondaire important lié à la combustion des matériaux. Pour en mesurer l impact, la NFC 20454 préconise de brûler un échantillon de matériau dans un tube de quartz porté à 800 C. Les gaz de combustion sont entraînés par de l air circulant dans le tube de quartz, vers des barboteurs qui piègent les halogènes, les dérivés azotés (acide cyanhydrique en particulier), les dérivés soufrés, puis est entraîné vers des analyseurs CO/CO 2. La concentration des différents toxiques est déterminée par analyse, puis pondérée par des coefficients représentant la nocivité de chaque gaz. Ceci permet de calculer l indice de toxicité propre du matériau (ITC). La limite admise habituellement pour l ITC est de 5. Figure 1. Coupe d un câble coaxial (tension : 24/45 kv). 3. Câble haute tension Dans le domaine des câbles, les produits moyenne et haute tension sont d abord destinés à transporter des puissances électriques élevées. Pour atteindre cet objectif, on joue à la fois sur la section du conducteur, qui va caractériser l intensité transportée, et sur l épaisseur d isolant, qui va définir la tension du courant transporté. Le tableau 1 définit, pour quelques modèles tripolaires, en fonction de la géométrie du câble, la puissance qui peut être véhiculée. Lorsqu on veut améliorer le comportement à la propagation de l incendie, il est possible, dans le cas des câbles basse tension, d ignifuger à la fois l isolant, les bourrages éventuels, ainsi que la gaine. Dans les câbles moyenne et haute tension (>1 kv), les contraintes en terme de gradient électrique de l isolant étant très élevées, l ignifugation de celui-ci est à proscrire. L amélioration du comportement au feu du câble devra donc être apportée essentiellement par l ensemble écran-gaine externe. À titre d exemple, nous allons décrire une réalisation dans le cadre d une liaison de 40 km destinée à un tunnel sous-marin. Il s agit d un câble coaxial, de tension 24/ 45 kv. La figure 1 donne une présentation en coupe du câble réalisé. On trouve successivement : (1) le conducteur central, en cuivre, de section 400 mm² ; 2

Choix de matériaux ignifuges pour câbles à comportement au feu amélioré Caractéristiques Normes d essais Résultats obtenus Performances exigées Propriétés mécaniques Propriétés après 7 jours à 100 C EN 60811-1-1 15 140 EN 60811-1-2 18 135 >10 >125 >10 >125 Test de réticulation à 200 C sous 0,2 Mpa (%) EN 60811 2-1 80 <175 Thermoplasticité à 80 C (%) EN 60811-1-3 10 <50 Allongement à 15 C (%) EN 60811-1-4 84 >50 Résistance au déchirement K 20 8 >5 à 70 C (N/mm) Absorption d eau 14 jours à 85 C En 60811-1-3 4 <10 (mg/cm²) Brouillard salin EN 60068 conforme pas de piqûres Indice limite d oxygène (%) ISO 4589 34 >30 Opacité des fumées sans flamme Dm VOF4 Opacité des fumées avec flamme Dm VOF4 NFC 20902 NFC 20902 210 75 100 70 <250 <100 <250 <100 Indice de toxicité conventionnelle NFC 20454 4,3 <5 Opacité des fumées sur câble (%) CEI 61034 93 >70 Essai de propagation du feu sur tronçon de câble (mm) Essai de propagation du feu sur tronçons de câble (m) NFC 32070 250 <800 essai n 2 CEI 60 332-3 0,85 <2,5 Tableau 2. Caractéristiques de la formulation mise au point. (2) une couche conductrice extrudée, dont le rôle est d uniformiser le champ électrique autour du conducteur (suppression des effets de pointe) ; (3) un isolant en polyéthylène réticulé ; (4) une couche conductrice externe ; (5) le conducteur concentrique, formé d une nappe de fils câblés autour de l âme isolée ; (6) un ruban de cuivre, enroulé en hélice ; (7) une gaine externe en matériau ignifugé sans halogène, qui assure la protection mécanique du câble, ainsi que sa résistance à la propagation du feu. Le compromis de caractéristiques à atteindre pour la gaine comprend en particulier les éléments suivants : propriétés mécaniques suffisantes ; bonne tenue thermique, la température du câble pouvant atteindre 90 C à l âme ; souplesse du matériau pour permettre une mise en œuvre facile du câble ; résistance au choc ; ignifugation élevée ; faible opacité des fumées ; toxicité réduite des gaz de combustion. Pour obtenir un comportement thermomécanique satisfaisant, nous avons retenu un matériau réticulé, qui permet d allier une souplesse suffisante à une tenue thermique acceptable pour supporter l échauffement du câble lors du passage du courant électrique. Le polymère finalement retenu est un alliage, comportant en majorité un copolymère Ethylène Acétate de Vinyle, réticulable par procédé silane. L alliage retenu contient trois types d atomes (C, H et O), et est par nature combustible. Pour le rendre ignifuge, nous avons ajouté essentiellement de l hydrate d alumine qui sous l influence de la chaleur, libère de l eau de constitution (2/3 du poids environ), à partir de 180 C [2]. Une seconde charge permet d améliorer la cohésion de la cendre au cours de la combustion, assurant ainsi au cours de l essai au feu une meilleure protection de l isolant sous-jacent [3]. Une attention particulière a été apportée au choix des adjuvants (plastifiant, lubrifiants, anti-oxygènes), d abord pour apporter les caractéristiques complémentaires souhaitées, mais également pour limiter les dégagements de fumées et la toxicité des gaz de combustion, ces deux aspects étant considérés comme primordiaux dans le cahier des charges. Les développements effectués dans le cadre de cette étude ont permis de mettre au point une formulation, dont les caractéristiques sont regroupées dans le tableau 2. 3

Câble traditionnel à structure tube Câble à structure -Gaine Élements Rôles Élements Rôles Porteur central pultrudé (80 % fibres de verre) Tubes en matériau thermoplastique technique Assure une partie de la résistance à la traction Limite la dilatation thermique du câble Assure la protection mécanique des fibres optiques Renforts de verre pultrudés insérés dans la gaine Modules -Gaine revêtus d un matériau thermoplastique en fine épaisseur Assure une partie de la résistance à la traction Limite la dilatation thermique du câble Facilement dénudable Protection des fibres optiques Matière d étanchéité Barrière à l eau Matière d étanchéité Barrière à l eau Mèches en aramide Complète la tenue à la traction Gaine PEHD Protection mécanique (abrasion, coupure ) Gaine PEHD Protection mécanique (abrasion, coupure ) Figure 2. Différences entre un câble à structure tube et un câble à structure -Gaine. 4. Câble à fibres optiques La demande croissante pour des télécommunications à haut débit et interactives a un impact direct sur le déploiement des réseaux optiques. La tendance actuelle est de réduire les coûts de génie civil et d installer un maximum de fibres dans une infrastructure existante ou nouvelle sous un encombrement aussi faible que possible. Dans ce contexte, SAGEM (en coopération avec France Télécom) a mis au point un nouveau concept de câble fibres optiques à structure compacte : le câble -Gaine [4]. Afin d apprécier ses avantages, nous rappelons en figure 2 les différences entre un câble à tubes, et un câble -Gaine. À contenance égale en fibres, les câbles Gaine ont en moyenne un diamètre externe 2 fois plus petit, et un poids au km 3 fois moins grand que les structures à tubes. Lorsque ces câbles sont utilisés à l intérieur des bâtiments, de par leur conception, le volume de matériaux combustibles est beaucoup plus faible. En choisissant des matériaux adaptés, les câbles Gaine constituent donc une réponse optimale à l ensemble des exigences de transmission optique et de résistance au feu [5]. À titre d exemple, nous allons décrire un câble ISH à 48 FO, renforcé par une armure et destiné à un tunnel ferroviaire. La figure 3 donne une présentation en coupe du câble réalisé. 4

Choix de matériaux ignifuges pour câbles à comportement au feu amélioré CARACTÉRISTIQUES NORMES D ESSAIS RÉSULTATS OBTENUS Propriétés mécaniques EN 60811-1-1 14 140 Dureté (Shore D) 53 Déchirement (N/mm) à 23 C K 20 55 Indice limite d oxygène (%) ISO 4589 39 Opacité des fumées sans flamme NFC 20902 Dm 210 VOF4 40 Opacité des fumées avec flamme NFC 20902 Dm 180 VOF4 115 Indice de toxicité conventionnelle NFC 20454 3,9 Tableau 3. Caractéristiques de la gaine interne thermoplastique. 2) une gaine externe réticulée ISH, qui assure la protection contre les agressions chimiques (HCl, NaOH, IRM 902). Elle participe bien sûr à l ignifugation du câble, afin de satisfaire l essai de résistance à la propagation du feu, et, étant donné les critères d environnement, la gaine doit également générer de faible opacité des fumées, et une toxicité réduite des gaz de combustion. L ensemble de ces exigences a pu être satisfait en utilisant une formulation voisine de celle présentée en section 3 (gaine de câble HT), avec quelques modifications, notamment sur l alliage de polymères et le type de charge secondaire utilisée. Les caractéristiques principales de la gaine interne thermoplastique sont regroupées dans le tableau 3 ; les caractéristiques principales de la gaine externe réticulée et du câble terminé sont présentées dans le tableau 4. Figure 3. Coupe d un câble ISH à 48 FO. Hormis les différents éléments de structure précédemment décrits, deux matériaux ISH ont été conçus pour la réalisation du câble : 1) une gaine interne thermoplastique qui présente, en plus de son caractère ignifuge, une dureté élevée afin d assurer la protection des fibres optiques contre l écrasement, et une résistance à la déchirure accrue, pour garantir une bonne insertion des porteurs noyés dans la gaine. Dans cet objectif, nous avons retenu un coupage de polymères thermoplastiques, associé à un ensemble de charges ignifuges. Une attention particulière a été apportée au choix des compatibilisants, notamment pour combiner ignifugation et résistance au déchirement ; 5. Câble basse tension de sécurité Même si l emploi de matériaux ISH est une garantie sérieuse contre la propagation de l incendie, il est indispensable, qu en cas de sinistre, certaines installations électriques continuent à assurer le fonctionnement des équipements de sécurité afin de permettre l évacuation des personnes. Les câbles répondant à cette spécificité sont appelés câbles de sécurité. Pour vérifier leur efficacité, on utilise l essai n 3 de la NFC 32070, qui consiste à soumettre une éprouvette de câble au flux thermique d un four électrique chauffé à environ 900 C, et à vérifier au cours de l épreuve son fonctionnement électrique. L éprouvette est de plus mise en traction, et soumise à des chocs mécaniques. La particularité de cet essai, étant donné la multiplicité des contraintes (température, choc, traction), impose l utilisation de câbles dont la structure et les matériaux d isolation et de gainage sont particulièrement étudiés. Les réalisations les plus courantes utilisent des conducteurs isolés avec des 5

Caractéristiques Normes d essais Résultats obtenus Performances exigées Propriétés mécaniques Tenue à l huile IRM 902 4h à 70 C CEI 60811-1-1 RATP K20 12 175 >7 >100 V (%) 14 <20 11 >7 170 >100 Tenue chimique dans HCl à 1N RATP K20 28 j à 23 C RT (Mpa) 11 >7 175 >100 Tenue chimique dans NaOH à 1N RATP K20 28 j à 23 C 10 >7 180 >100 ILO ISO 4589 33 >28 Indice de toxicité conventionnelle NFC 20454 4,3 <5 Opacité des fumées NFC 20902 Sans flamme Dm 220 <250 VOF4 80 <100 Essai de propagation du feu sur botte de câbles (mm) NFC 32070, essai n 2 210 <300 Essai de propagation du feu sur nappe de câbles (m) CEI 60332-3 Catégorie C 0,40 2,50 Tableau 4. Caractéristiques de la gaine externe réticulée et du câble. Figure 4. Câble basse tension de sécurité. élastomères silicone qui sont assemblés en hélicoïde, et revêtus d une gaine, également en élastomère silicone. Au cours de l essai, les isolants et la gaine soumis au flux thermique de la source de chaleur sont pyrolisés, et laissent place en général à une gangue, c est-à-dire à une cendre présentant une intégrité mécanique dont le rôle est d éviter les courts-circuits entre conducteurs. Un des inconvénients de ces structures est que le silicone utilisé en gainage, s il ne contient pas d halogène, conduit, de par la structure siliceuse du matériau, a une opacité des fumées relativement élevée (Dm = 350). Pour réduire cet effet secondaire, un nouveau concept a été développé (cf. Fig. 4), dont la définition est la suivante : On trouve successivement : trois conducteurs en cuivre ; des isolants noirs en élastomère de silicone ; une gaine interne blanche barrière ; une gaine externe orange thermoplastique ISH. Une des particularités de ce câble est l interposition entre les conducteurs isolés et la gaine d un matériau dont la fonction principale est de créer un effet barrière, qui va faciliter la céramisation de l isolant. Cette composition comprend 6

Choix de matériaux ignifuges pour câbles à comportement au feu amélioré un polymère oléfinique, des charges, et un compatibilisant, afin d assurer la cohésion entre les constituants. La gaine externe est ignifugée essentiellement par l ajout d hydrate d alumine, et peut se rapprocher des formulations décrites précédemment. Au final, cette définition permet d atteindre les performances attendues en terme de résistance au feu, en réduisant les effets secondaires liés à l opacité des fumées. 6. Conclusion Les exemples décrits dans cette présentation montrent qu il est possible aujourd hui, grâce à des matériaux adaptés, de réduire de façon importante les effets secondaires des incendies : opacité des fumées et toxicité des gaz de combustion, tout en conservant les caractéristiques de base des câbles, que ce soit transport d énergie, transmission d informations, ou garantie de fonctionnement des circuits de sécurité. Références [1] D.H. Park, S. Kim, G.J. Lee, Halogen Free Flame retardant Cable materials: Improvement of Flame Retardancy and Suppression of smoke Density. International Wire and Cable Symposium (1992). [2] K.K. Shen, Zinc borate as a flame retardant in halogen-free wire and cable systems. Fire retardant Chemicals Assn, Fall meeting, Monterey, Californie (1987). [3] Dr R. Sauerwein, New generation of aluminium hydroxyde flame retardant filler for the wire and cable industry. Cables (2003). [4] P. Jamet, et al., Les câbles à microgaine, une technique innovante, une réalité industrielle. OPTO (1996). [5] P. Jamet, P. Trombert, et al., Optimal high Fiber-counts microsheath cables fitting new fiber networks requirements. IWCS (2002). L e s a u t e u r s Raymond Petrus est né en 1971. Au service de la SAGEM depuis 1997, il est aujourd hui Chef Produits pour les câbles et accessoires Moyenne Tension. Bernard Poisson est né en 1952. Il a rejoint la SAGEM en 1996, et est Responsable du Laboratoire Chimie et Matériaux. Gwenaelle Raoult est née en 1978. Entrée à la SAGEM en 1999, elle est en charge des câbles à comportement au feu amélioré. 7