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PRODOTTI ELETTROTECNICI A PROVA DI FIAMMA

19/02/2018
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Un nuovo metodo di prova per il contenimento della fiamma sui prodotti finiti in definizione a livello normativo.

Mattia Ferraris, Membro CEI CT 89

Tra i metodi di prova innovativi che il Comitato Tecnico 89 “Prove relative ai pericoli di incendio” sta mettendo a punto in questi ultimi anni, è doveroso citare il progetto di norma “Prova del contenimento di fiamma sui prodotti finiti”, in preparazione a livello internazionale nell’ambito del Project Team 60695-2-15 “Hot Coil Ignition Test on end products” del TC 89 IEC.

Dato il sempre più diffuso impiego di materiali plastici come base per l’involucro di elettrodomestici ed apparecchiature elettriche, la nuova metodologia di prova si propone di verificare la capacità dei prodotti finiti di contenere eventi d’incendio di origine elettrica,  generati al proprio interno.

Questo per garantire che il prodotto finito non sia, a sua volta, causa della propagazione del fuoco nell’ambiente  circostante, migliorando considerevolmente la sicurezza degli utenti e delle infrastrutture residenziali.

Serve sottolineare che lo scopo della prova non è la valutazione delle proprietà e delle capacità dei singoli materiali, ampiamente trattata dalle esistenti normative sviluppate dal Comitato Tecnico 89, bensì la valutazione dell’ambiente in cui suddetti materiali si trovano e la capacità di contenimento dell’ambiente stesso.

La prova utilizza un filo resistivo riscaldante che ha le seguenti caratteristiche:

  • lunghezza: 10 cm;
  • tipologia: Nichel-Cromo 80-20 22 AWG;
  • resistenza a temperatura ambiente: 0,33 Ω/10 cm.

Il filo viene applicato a determinate connessioni elettriche aventi materiale infiammabile in contatto o prossimità (es. connettori  plastici) e non identificabili come connessioni a bassa energia (energia potenziale minore di 15 W).

Per determinare se un materiale infiammabile è in prossimità della connessione elettrica, si contemplano tutti i materiali che ricadono all’interno di un cilindro ipotetico,  avente altezza 50 mm e diametro 20 mm, posto sopra alla connessione elettrica stessa.

Nella figura 1 sono riportati esempi per identificare i materiali infiammabili in prossimità di connessioni elettriche.

Figura 1 – Esempi di materiali infiammabili posti in prossimità di connessioni elettriche

A seconda delle dimensioni della connessione elettrica e del relativo connettore o materiale infiammabile limitrofo, il filo resistivo viene applicato:

  • tramite avvolgimento esterno del connettore o materiale infiammabile in contatto con la connessione elettrica (figura 2);
  • internamente al connettore plastico, sostituendo la connessione elettrica con il filo resistivo, opportunamente modellato a forma di spirale tramite un apposito supporto (figura 3).

Figura 2 – Filo resistivo esterno

Figura 3 – Filo resistivo interno.

 

Una volta applicato, il filo resistivo viene alimentato tramite un alimentatore stabilizzato di corrente, a 11 A, così da generare un’energia equivalente a 40 W ed una temperatura approssimativa superficiale compresa tra 800 °C e 900 °C.

La quantità di energia/calore rilasciato forza l’innesco del materiale infiammabile.

Indicativamente, vengono utilizzate delle termocoppie per identificare l’avvenuto innesco del materiale infiammabile all’interno del prodotto finito oppure, ove possibile, vengono impiegate microcamere, così da avere un riscontro visivo dell’evento durante la prova.

Per identificare se il prodotto finito sia stato in grado di contenere la fiamma generata durante la prova, oltre all’esame visivo, viene impiegato del tessuto specifico posto a ricoprire tutte le aree esterne del prodotto dove la fiamma possa verosimilmente uscire (es. aperture, superfici plastiche dell’involucro, ecc.). La prova ha una durata standardizzata di 20 min, tempo entro il quale si riesce a raggiungere l’innesco del materiale infiammabile ed osservare una possibile propagazione e/o fuoriuscita della fiamma dal prodotto finito.

L’applicazione del filo resistivo simula il naturale riscaldamento di una connessione elettrica difettosa ed il conseguente rilascio di calore nell’ambiente circostante.

Rispetto alle attuali prove relative ai rischi d’incendio, la metodologia proposta cerca di simulare le condizioni che possono verificarsi realmente.

L’incendio generato, sebbene forzato tramite il filo resistivo, si basa sulle reali caratteristiche dei materiali infiammabili presenti (quantità del materiale, tipologia del materiale, ecc.) e la relativa propagazione o fuoriuscita dipendono dal design del prodotto finito.

L’applicazione di questa innovativa metodologia di prova ribadisce l’importanza di una profonda analisi e valutazione dei prodotti finiti e dei relativi sottoinsiemi e materiali durante la fase di sviluppo del prodotto finito stesso, creando così una più stretta collaborazione dell’intera filiera produttiva:

Produttori del prodotto finito <-> Produttori di componenti <-> Produttori di materiali plastici o infiammabili

Sviluppo normativo

In qualità di membro del  Comitato Tecnico 89 del CEI, nel corso di una riunione del  Comitato del 25 settembre 2014, presentai io stesso la proposta di questa nuova metodologia di prova, volta a verificare la capacità di contenimento di eventi d’incendio generatisi internamente a prodotti finiti.

La nuova metodologia di prova venne proposta per far fronte a diversi casi registrati sul mercato, dove gli elettrodomestici, come altri prodotti finiti, sono origine del fuoco nonostante l’applicazione rigorosa delle normative vigenti in materia e per condividere l’esperienza decennale ottenuta all’interno della mia azienda (una rinomata multinazionale produttrice di elettrodomestici – NdR) su questa valida metodologia di prova. Il CT 89 CEI, valutando molto positivamente la nuova metodologia di prova, decise di portare la discussione a livello internazionale alla riunione del TC 89 IEC, tenutasi a Northbrook (USA) nel novembre 2014, durante la quale venne creato il Project Team IEC 60695-2-15 “Flame Containment Test on End-Products” del quale fui nominato Project Leader.

Alla successiva riunione del CT 89 CEI del 21 aprile 2015 fu costituito l’equivalente Gruppo di Lavoro 60695-2-15 per supportare lo sviluppo normativo della nuova proposta; anche di questo Gruppo di lavoro mi venne affidato il coordinamento.

Nell’arco del 2016 il Project Team IEC ha eseguito e concluso un primo “Round Robin” (circuito di prove interlaboratorio) che ha visto una folta partecipazione tra produttori di materiale plastico, produttori di connettori plastici, produttori di prodotti finiti e laboratori di prova, tra i quali tre membri del CT 89 CEI.

Il primo Round Robin si è concentrato sulla verifica della ripetibilità d’innesco di alcuni connettori plastici V2 e V0 e sulla differenza in termini di risultati sul prodotto finito, tra l’applicazione del filo resistivo esternamente e l’applicazione del filo resistivo internamente ai connettori, posti all’interno di un box plastico atto a simulare un prodotto finito. In questo contesto furono evidenziate alcune aree di miglioramento della metodologia di prova, tra le quali un’elevata rottura del filo resistivo quando applicato come spirale, durante diverse prove.

Nei laboratori della mia azienda fu condotto uno studio approfondito sulle cause della rottura del filo resistivo investigando, quali possibili fattori, l’ossidazione del filo resistivo, la corrosione dovuta a prodotti della combustione e la fusione del filo resistivo. L’esito dell’analisi evidenziò che il filo resistivo 22 AWG era soggetto ad un fenomeno di calore riflesso tra le singole spire che causava una fusione dello stesso. Per risolvere il problema della rottura del filo resistivo sono state investigate diverse alternative, in termini di tipologia di lega e spessore del filo stesso.

È stato identificato, come valida alternativa, l’utilizzo del filo resistivo Nickel-Cromo 80-20, 20 AWG. Il maggior spessore del filo 20 AWG garantisce, infatti, una minore possibilità di rottura sotto stress termico.

L’introduzione del nuovo filo resistivo 20 AWG ha comportato la revisione del valore di corrente utilizzato durante la prova, passando dai precedenti 11 A ai 14 A per mantenere il medesimo rilascio di energia, come illustrato in tabella 1.

Tabella 1 – Corrispondenza tra valori di corrente e l’utilizzo di fili resistivi

Note: * Rottura del filo 40-60 %; ** Rottura del filo 80-100%

 

I risultati del primo Round Robin sono stati presentati durante la riunione del Project Team IEC tenutasi nel maggio 2017 in Italia; successivamente, i risultati dell’analisi condotta nei laboratori della mia azienda sulle aree di miglioramento e le relative soluzioni, sono stati presentati durante la riunione del TC 89 IEC tenutasi ad ottobre 2017 a Vladivostok (RU). Nel corso di quest’ultima riunione è stata decisa l’esecuzione di un secondo Round Robin per verificare e validare le soluzioni proposte.

In tabella 2 è riportato il calendario concordato dal TC 89 IEC in merito all’esecuzione del secondo Round Robin.

Tabella 2 – Calendario del secondo Round Robin di prove interlaboratorio

Come mostrato nell’ultimo punto della tabella, in seguito al secondo Round Robin il Project Team IEC emetterà la proposta di Norma come terzo DC (Draft for Comment). In considerazione dell’impegno e della partecipazione internazionale riscontrata, l’attuale previsione è che la metodologia di prova possa essere pubblicata ufficialmente come Specifica Tecnica IEC TS 60695-2-15 tra la fine del 2020 e la metà del 2021.

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