LSZH-Compounds für Metro- und U-Bahn-Kabel: Brandschutz, Standards und Auswahl

Rauch, nicht Feuer, entscheidet darüber, wie ein Tunnelunfall endet

Ein U-Bahn-Tunnel verhält sich nicht wie ein offenes Gebäude. Rauch kann nirgendwo entweichen, Verbrennungsgase breiten sich entlang der Lüftungsströme aus und die Zeit, die Passagiere für die Evakuierung benötigen, wird in Minuten gemessen. Für einen Kabelhersteller oder Systemintegrator ändert sich dadurch die Art und Weise, wie Materialien spezifiziert werden. Die Priorität besteht nicht nur darin, das Kabel vor dem Durchbrennen zu bewahren; Ziel ist es, die Rauchentwicklung gering zu halten, Halogensäuren aus der Atmosphäre fernzuhalten und giftige Verbrennungsprodukte unterhalb der überlebensfähigen Schwellenwerte zu halten.

Es gibt raucharme Zero-Halogen-Verbindungen (LSZH), weil herkömmliche PVC-Verbindungen dichten, sauren Rauch abgeben. Beim Verbrennen von PVC in einem feuchten Tunnel wandelt sich der Halogengehalt in Chlorwasserstoff um, der sich mit Feuchtigkeit zu Salzsäure verbindet. Diese Säure greift Bahnstromanlagen, Schaltschränke und Signalschaltkreise an, lange nachdem die Flammen unterdrückt wurden. Dadurch werden auch Evakuierungswege unbrauchbar. LSZH-Kabelverbindungen sind so konstruiert, dass sie mit deutlich weniger Rauch brennen, keine Halogensäuren freisetzen und deutlich weniger giftige Gase produzieren. Aus diesem Grund haben U-Bahn- und U-Bahn-Projekte in ganz Europa, Nordamerika und Asien LSZH von einer Mehrwertoption zu einer minimalen Basislinie gemacht.

Welche Standards gelten für Metro- und U-Bahn-Kabelverbindungen?

U-Bahn- und U-Bahn-Kabel bilden die Schnittstelle zwischen Gebäudesicherheit und Bahnsicherheit. Die Materialien müssen daher branchenspezifischen Standards genügen und nicht nur generische Kabeltests. Die drei Rahmenwerke, die in internationalen Ausschreibungen am häufigsten vorkommen, sind EN 45545-2, NFPA 130 und die chinesische TB/T- oder GB-Reihe. Jede definiert, wie Rauchdichte, Gassäuregehalt, Toxizität, Flammenausbreitung und Sauerstoffindex gemessen werden und welche Grenzwerte bei verschiedenen Gefahrenstufen gelten.

Wenn das Projekt der EN 45545-2 unterliegt, stellt sich in der Praxis die Frage, welche Gefährdungsstufe für jeden Kabelstandort gilt. Materialien, die aus HL2 bestehen, sind nicht automatisch für HL3-Strecken geeignet, da die Grenzwerte für Rauchentwicklung, Toxizität und Wärmefreisetzung auf jeder Stufe verschärft werden. Unser Überprüfung der Brandschutzanforderungen der EN 45545-2 für Transportkabel erklärt, wie das Hazard-Level-System mit der Auswahl der Verbindungen zusammenhängt, und ist ein nützlicher Ausgangspunkt, wenn in einer Ausschreibung des Standards namentlich erwähnt wird.

Verbundarchitektur: Isolierung, Mantel und innere Schutzschichten

Thermoplastisches oder vernetztes LSZH

Die erste Entscheidung bei der Mischungsauswahl ist, ob Isolierung und Mantel thermoplastisch oder vernetzt sein sollen. Thermoplastische LSZH-Typen werden auf gewöhnlichen Extrudern verarbeitet, bieten kürzere Herstellungszyklen und eignen sich gut für Metrokabel mit einer Nenntemperatur von 70 °C und 90 °C. Vernetzte Typen – entweder durch Silanpfropfung oder Elektronenstrahlbestrahlung – bieten höhere Dauerbetriebstemperaturen, eine bessere Verformungsbeständigkeit unter Kurzschlussbedingungen sowie eine verbesserte Öl- und Lösungsmittelbeständigkeit. Für Kabel, die durch Lokomotivräume, Stromrichter oder Tunnelabschnitte mit hohen Umgebungstemperaturen verlegt werden, ist vernetztes LSZH in der Regel die sicherere technische Wahl.

Rollen von Mantel und Isolierung in einer Tunnelumgebung

Die Hülle ist die erste Verteidigungslinie. Es muss verhindert werden, dass Flammen den Kern erreichen, die Rauchentwicklung beim Brennen minimieren und Abrieb, Ölspritzer und kalte Installationsbedingungen überstehen. Die Isolierung muss unterdessen ihre Durchschlagsfestigkeit auch bei thermischen Zyklen wiederholt unter mechanischer Beanspruchung bewahren. Ein Kabel kann im Betrieb versagen, selbst wenn sein Mantel jeden Brandtest besteht, da die Isolierung allein für die elektrischen Eigenschaften spezifiziert wurde. Bahnbetreiber berücksichtigen daher bei der Isolierung sowohl thermische als auch mechanische Faktoren. Stirb mechanische Integrität von LSZH-Verbindungen unter Schienenbetriebslasten Muss Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Kaltbiegeverhalten abdecken, denn diese Eigenschaften bestimmen, ob ein Kabel das Ziehen durch Kanäle, das Ziehen über Kanten und das Festklemmen in engen Schächten übersteht.

Für die Produktion von Schienenfahrzeugen und Verkehrskabeln a 90 °C halogenfreie, raucharme Mantelmischung der Klasse B1 ist ein allgemeiner Ausgangspunkt: Es bietet einen hohen Sauerstoffindex, eine niedrige Rauchdichte und genügend Flexibilität für enge Tunnelführungen. Wo das Kabel eine dünne, aber zuverlässige Isolierwand benötigt, strahlenvernetzte LSZH-Isoliertypen Bewahren Sie die Leistung und behalten Sie den gesamten Kabeldurchmesser unter Kontrolle. In Designs, die Daten- oder Steuerschaltkreise neben Strompaaren übertragen werden, ist ein LSZH-Innenmantel mit Sauerstoffbarriere Sorgt für zusätzliche Trennung, ohne dass Halogenchemie in die Kabelstruktur eingeführt wird.

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Immobilienziele, die in realen Spezifikationen von Bedeutung sind

Standards legen die untere Grenze fest, aber echte U-Bahn-Ausschreibungen gehen darüber hinaus. Aus unserer Erfahrung mit Transitkabelprojekten tauchen in technischen Spezifikationen immer wieder folgende Werte auf:

• Sauerstoffindex von mindestens 32 % für Hüllen; Einige vernetzte Formulierungen zielen auf 35 % oder mehr ab, um eine zusätzliche Marge zu erzielen.
• Der Gehalt an Halogensäuregas beträgt nicht mehr als 0,5 %, der pH-Wert beträgt nicht weniger als 4,3 und die Leitfähigkeit beträgt nicht mehr als 10 µS/mm bei Prüfung gemäß IEC 60754-2.
• Rauchdichte, sodass die Mindestlichtdurchlässigkeit 60 % oder mehr gemäß IEC 61034-2 erreicht; Mehrere U-Bahn-Projekte verschärfen diesen Wert auf 70 %.
• Die Ergebnisse der Ionenchromatographie bestätigen das Fehlen von Fluor, Chlor, Brom und Jod anstelle eines einfachen pH-Durchgangs.
• Mechanische Mindestwerte im Bereich von 8–10 MPa Zugfestigkeit und 125–150 % Bruchdehnung für einen Allzweckmantel bei 90 °C.
• Kaltbiegeprüfung bei niedriger Temperatur bei -25 °C oder niedriger, oft kombiniert mit Schlagprüfung bei -10 °C, um rauen Einsatz vor Ort abzudecken.

Dabei handelt es sich nicht um allgemeingültige Grenzwerte, sie spiegeln jedoch das Maß an Sorgfalt weiter, das bei U-Bahn-Ausschreibungen zu beachten ist. Eine Verbindung, die heute ein Zertifikat besteht, kann morgen scheitern, wenn das Gleichgewicht der Füllstoffdispersion oder des Haftvermittlers abweicht. Der Abstand zwischen einem guten 90 °C warmen LSZH-Mantel und einem kaum durchdringenden Mantel ist oft unsichtbar, bis der Rauchdichtetest mit dem Dreifachen der Standardwandstärke durchgeführt wird. Deshalb ist die Formulierungsplattform hinter der Verbindung genauso wichtig wie das endgültige Testzertifikat.

Verarbeitung von LSZH auf der Extrusionslinie

LSZH-Compounds sind keine Drop-in-Alternative zu PVC. Die zur Flammhemmung eingesetzten Metallhydroxid-Füllstoffe erhöhen die Schmelzviskosität und die Wasseraufnahme ist höher als bei ungefüllten Polyolefinen. Gleichmäßiges Trocknen, ein Schneckendesign, das sanftes Mischen ohne übermäßige Scherung ermöglicht, und ein Düsensteg, der lang genug ist, um den Schmelzedruck zu stabilisieren, sind die drei praktischen Variablen, die eine glatte extrudierte Oberfläche von einer rauen, haifischhäutigen Oberfläche unterscheiden.

Thermoplastische LSZH-Typen liegen typischerweise in einem niedrigeren Schmelztemperaturfenster als PVC und verlieren eine mechanische Festigkeit, wenn die Polymermatrix beim Anfahren oder Abschalten thermisch abgebaut wird. Vernetzbare Typen fügen einen weiteren Kontrollpunkt hinzu: Silansysteme benötigen ein Temperaturprofil, das eine vorzeitige Vernetzung im Zylinder verhindert, während strahlenvernetzte Produkte eine enge Abstimmung zwischen der Kabelfabrik und der Bestrahlungsanlage erfordern. Die Konsistenz von Charge zu Charge zeigt sich auf die gleiche Weise. Wenn der Compound-Hersteller die Partikelgröße des Füllstoffs und die Kopplungschemie genau kontrolliert, können Anlagenbetreiber Maßtoleranzen einhalten, ohne dass die Schneckengeschwindigkeit ständig korrigiert werden muss. Wenn nicht, wird jede neue Lieferung zu einem neuen Experiment.

Was vor der Qualifizierung mit dem Lieferanten besprochen werden muss

Angesichts der Herausforderungen sollte sich die Qualifizierung eines LSZH-Geländes für den U-Bahn-Einsatz auf mehr als nur ein Datenblatt stützen. Das Mindestverifizierungspaket umfasst Sauerstoffindex, Halogengehalt, Rauchdichte, Toxizitätsindex (sofern EN 45545-2 gilt), Zug- und Dehnung, thermische Alterung, Hitzeschock, Kaltbiegung und Öleinlagerung. Parallel dazu sollte das Qualitätsteam des Kunden bestätigen, dass der Lieferant diese Ergebnisse im Produktionsmaßstab reproduzieren kann.

Hier kommt es auf die Ausstattung an. Ein Compound-Lieferant sollte in der Lage sein, interne Compoundierungsversuche durchzuführen, Feuchtigkeit und Additiv-Masterbatches zu kontrollieren und die physikalischen Eigenschaften vor der Freigabe zu testen. Fragen Sie bei der Bewertung potenzieller Partner nach, wie viele automatisierte Produktionslinien in Betrieb sind, ob das Labor auf die Qualitätskontrolle im Ein- und Ausgang spezialisiert ist und wie die Rückverfolgbarkeit der Chargen gehandhabt wird. Neu in Betrieb genommene Linien und kontrollierte Compoundierungsbedingungen verringern das Risiko einer später schwer zu erkennenden Mikrochargendrift. Die Leistungsfähigkeit lässt sich im Werk leichter beurteilen als anhand von Produktzertifikaten, da die Prozessdisziplin erst dann sichtbar wird, wenn man die Linie in Betrieb sieht. Ein Lieferant mit spezielle Labortestgeräte und dokumentierten Inspektionsverfahren ist ein sicherer Partner für Metroprojekte als einer, der nur importierte Zertifikate anbietet.

Auswahl von LSZH-Compounds für Metro- und U-Bahn-Anwendungen

Metro- und Untergrundkabel sind sicherheitskritisch, körperlich anspruchsvoll und werden zunehmend standardisiert. Die Verbindung, die in einer Gebäudesteigleitung funktioniert, ist nicht automatisch für einen Tunnel geeignet: Die Grenzwerte für die Rauchdichte sind stärker, die Toxizität wird gemessen, der Halogengehalt wird als Gefahr behandelt und die mechanische Umgebung umfasst wiederholtes Biegen, Kaltinstallation, Öleinwirkung und Vibrationen. Der sichere Ansatz besteht darin, zunächst die Gefahrenstufe, die Temperaturklasse, die mechanische Umgebung und die Verarbeitungsfähigkeit der Kabelanlage zu definieren und dann eine Verbundstofffamilie auszuwählen, die Isolierung, Mantel und innere Schutzschichten aus einer einheitlichen Materialplattform abdeckt.

Hangzhou Meilin stellt seit mehr als drei Jahrzehnten halogenfreie, raucharme Verbundsysteme her und betreibt 31 automatisierte Produktionslinien in drei Basisanlagen. Die hier beschriebene Produktpalette für den Schienenverkehr stellt den von uns empfohlenen Ansatz dar: LSZH-Hüllen der Klasse B1, Innenhüllen mit Sauerstoffbarriere und strahlenvernetzte LSZH-Isolierungen, die für die engen Sicherheitsmargen des Tunnelbetriebs entwickelt wurden. Wenn Sie für ein Metroprojekt spezifizieren, fordern Sie einen vollständigen Testbericht an und führen Sie eine Pilotextrusion unter Ihren eigenen Linienbedingungen durch. Die Verbindung, die die Rauchdichteprüfung im Labor des Herstellers besteht, ist dieselbe, die Sie in Ihrer Linie reproduzieren müssen, und der Unterschied liegt normalerweise in der Prozessdisziplin und nicht nur in der Chemie.