[논문]국부적 충격, 과부하 및 과전류에 의한 전선의 발화특성에 관한 현상학적 연구

이정진; 이창우; 최돈묵

국부적 충격, 과부하 및 과전류에 의한 전선의 발화특성에 관한 현상학적 연구
A Phenomenological Studies on Ignition Characteristics of Wires by Local Impact, Over Loading and Overcurrent 원문보기

대한안전경영과학회지 = Journal of the Korea safety management & science, v.12 no.4, 2010년, pp.53 - 60

이정진 (경원대학교 환경대학원 소방방재공학과) , 이창우 (한국사이버대학교 소방방재학부) , 최돈묵 (경원대학교 공과대학 소방방재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

When a fire breaks out, it is difficult to find out the causes of the fire, because combustible things around fire scene are usually burnt away. Among many causes of fires are electronic wires, this thesis deal with the destroyed sheath of electronic wires caused by fire. It was studied with the use of measurement devices focusing on the distinctions of wires and conductors. This study especially emphasized the process of deterioration, burning pattern, and composition of electronic wire conductor. It also has a phenomenological approach to the distinctive cause of fire by some partial force. The fire prevention methods have been suggested through the analysing results of fire patterns. This study is expected to be a useful material for analyzing various electrical fires.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 이 때 발생한 선간단락으로 인하여 순간적으로 높은 에너지가 발생하며 이 에너지는 전기적 재해뿐만 아니라 화재를 발생시키는 원인이 됨과 동시에 화재를 확대시키는 원인으로 확인하였다.
화재의 원인을 조사하는 것은 불타버린 현장에서 그 흔적의 원인을 규명하는 것이므로 다른 사고나 사건과는 달리 원인 규명하는 것과 같이 간단하지 않으며 과학적인 전문지식, 화재감식기법, 및 유사 사례의 연구 등을 기반으로 현장에서 취득한 잔존물을 과학적·체계적으로 정확하게 화재원인을 규명하고 객관화·일반화시키는 일련의 과정이다[5]. 본 연구에서는 발화 요인별 메커니즘을 이론적으로 고찰한 다음 각 발화특성에 관한 현상학적인 특징들을 관찰했다. 그리고 발화 요인별 실험과 분석 등을 통하여 화재 발생 과정, 전선 용융 소손 원인 분석, 열화 진행 과정 및 금속 단면조직을 분석하였다.

가설 설정

0㎟ × 2 C)의 단락현상시 나타나는 단면조직을 금속현미경사진으로 <그림 9>에 나타내었다. 사진 (a)는 전원측이며 (b)는 부하측으로서 각각의 용단 부분의 단면조직은 전기화재를 결정하는데 있어서 의미가 있는 단서를 제공해 줄 수 있을 것이다.

제안 방법

본 연구에서는 발화 요인별 메커니즘을 이론적으로 고찰한 다음 각 발화특성에 관한 현상학적인 특징들을 관찰했다. 그리고 발화 요인별 실험과 분석 등을 통하여 화재 발생 과정, 전선 용융 소손 원인 분석, 열화 진행 과정 및 금속 단면조직을 분석하였다.
그리고 소손된 코드의 외형과 탄화된 피복의 화학적 구조 변화를 실체 현미경, 금속 현미경, X선 투과분석장치 및 적외선분광기(FT-IR)를 사용하였다.
절연 전선 코드는 도체, 절연체 및 시스로 구성되어 있으며 반복적인 구부림이나 인장, 과부하, 과전류, 단락 및 트래킹 등에 의해 절연물 내부의 도체가 단선되고 도체의 선간 단락과 아크에 의해 순간적으로 발생하여 화재로 진전된다. 따라서 발화 요인별 실험과 분석 등을 통하여 화재 발생 과정, 전선 용융 소손 원인 분석, 열화 진행 과정 및 금속 단면조직을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
범용 비닐절연 코드는 기계적 피로에 강하고 유연성이 좋다. 실험 전에 내부 소선에 반복적인 구부림 피로를 주어 손상시킨 후 손상된 도체부분에 반복적인 구부림을 인가하여 실험하였다. <그림 11>은 끊어진 소선의 접촉과 단선이 접촉함으로써 발생한 아크열에 의해 피복이 열화되고 착화되는 과정으로서 (a)의 정상적인 상태로부터 (d)의 50회 이상 구부림까지의 반복적인 구부림, 인장, 압축 등으로 전선내부의 심선 상태를 X선 분석을 한 것이다.
<그림 1>의 (d)는 트래킹에 의한 화재위험성과 소선의 화재발생 패턴을 확인하기 위한 실험장치로 전원공급장치, 차단장치, 실험부하와 주수시험장치와 범용 비닐절연 코드 등으로 구성되었다. 이러한 다양한 조건에서의 발화특성의 현상을 현상학적으로 관찰하기 위하여 각 실험 장치에 디지털캠코더와 적외선 진단장비를 장착하였다.
일체형 비닐코드(VCTFK, 1.25 mm2 × 2 C)를 사용하여 과전류에 의한 열화실험을 한 결과를 에 나타내었다.

대상 데이터

전선은 범용 비닐절연 코드(0.75 ㎟ × 2 C, 0.18 ㎜ 30 가닥)를 사용하였으며, 실험 시 부하는 220 V, 100 W 백열전구 8개(총 800 W)였다[6][7].

성능/효과

(b)와 같이 열화가 촉진되어 피복에서 다량의 가스 및 미연소 연기가 발생하면서 탄화· 용융되기 시작하였고 그림 (d)와 같이 허용전류의 수배의 전류가 흐르게 되면 피복이 심하게 용융, 탄화되고 도체는 적열하며 시간이 경과하면 용단됨과 동시에 이 때 발생한 열은 주변의 가연물을 충분히 점화시켜 화재를 일으킬 가능성이 큰 것으로 확인되었다.
X선 촬영결과, 그림 (a)에서 볼 수 있듯이 정상상태인 전선 범용 비닐절연 코드는 이동 전선으로서 여러 가닥의 연선들이 나선형으로 되어 있음을 알 수 있으며 (b)와 같이 이를 반복적으로 20회 이상 구부리면 소선 일부(30회선 중 3회선 단선, 단선율 10 %)가 단선되었으며 구부러진 부분에 골곡이 커졌음을 알 수 있었다. 또한 소선의 일부가 한쪽으로 몰려 다른 소선과 접촉아크를 일으켜 용융되는 현상이 관찰되었다.
실험결과에서 볼 수 있듯이 전선 피복의 과전류에 의한 열화 진행과정을 관찰한 결과, 처음에는 외형적인 변형은 관찰할 수 없었지만 전선 내부에서 발생한 열에 의하여 전선피복이 용융되면서 (a)와 같이 연기가 발생하였으며 전선피복이 부풀어 오름을 확인할 수 있었다. 그리고 시간이 경과함에 따라 (b)와 같이 전선 외부 피복이 축합반응에 의하여 수축되면서 연기가 발생되는 것이 관찰되었고 (c)와 같이 전선 내부에서 발생한 열에 의하여 내부 피복뿐만 아니라 외부 피복까지 탄화 용융됨이 확인되었다. 계속해서 (d)와 같이 전선피복이 심하게 탄화·용융되었으며 탄화된 피복 절연물 일부가 도체에 탈락되는 현상을 확인할 수 있었다.
이 실험결과 (a)와 같이 피복이 서서히 용융·탄화되면서 작은 불꽃이 발생하고 (b)와 같이 도체가 적열되면서 점화가 가능할 정도의 좀 더 큰 불꽃을 발현했다. 그리고 (c)와 같이 피복이 완전히 착화되어 주변에 가연물이 존재한다면 인명과 재산에 막대한 피해를 줄 수 있는 화재로 전이될 가능성이 있음을 확인하였다.
이 때 발생돤 아크에 의해 피복이 탄화됨은 물론 절연물의 손상으로 인하여 주위에 가연물이 존재할 경우 착화되어 화재로 이어진다는 것을 확인할 수 있었다. 그림 (d)와 같이 50회 구부린 경우에는 소선의 많은 수가 급속하게 단선(30회선 중 14회선 단선)되었고 이러한 상태에서 전류가 흐르게 되면 단선된 소선이 다른 소선과 접촉하여 아크가 발생하고 이 아크에 의해 피복이 탄화되고 주위의 가연물이 존재할 경우 착화될 뿐만 아니라 주위에 인화성 물질이 있으면 화재의 위험성이 더욱더 증가할 것으로 판단되었다.
1) 반복적 피로에 의한 화재위험성 분석 결과, 반복된 기계적 충격에 의하여 소선의 일부가 절단되고 단위 전류 밀도가 증가함에 따라 줄열이 발생하고 이열에 의하여 전선의 피복물질에 착화가 시작됨을 확인할 수 있었다.
2) 과부하․과전류에 의한 열화 단계 분석 결과, 피복이 서서히 용융·탄화되면서 작은 불꽃이 발생하고 도체가 적열되면서 착화되어 인명과 재산에 막대한 피해를 줄 수 있는 화재로 전이될 가능성을 확인하였다.
3) 단락현상에 관한 화재위험성 분석 결과, 외부로부터 물리적인 힘을 가했을 경우 절연이 파괴되고 불꽃을 발생하면서 전선피복에 착화됨으로써 화재를 일으킬 가능성이 큰 것을 확인하였다.
4) 트래킹현상에 관한 화재위험성 분석 결과, 절연체의 열경화 및 탄화에 의하여 절연이 파괴되고 절연물 표면에 점차로 도전성의 통로가 형성되면서 자체에서 발생하는 열에 의하여 발화하는 것을 확인할 수 있었다.
그림 (a)에서 볼 수 있듯이 플러그와 연장코드의 연결부분에 반복적으로 기계적 피로를 가하면 소선의 대부분이 단선되는 현상을 관찰할 수 있으며, 단락된 소선이 두 가닥의 연선사이에서 전원선이 인가될 경우 단선된 소선끼리 접촉함으로써 아크가 발생하며, 이 아크에 의해 주위 소선을 용융시키고, 피복을 탄화시켜 화재로 이어질 가능성을 확인하였다. 그리고 연장코드 부분에 반복적인 기계적 피로가 가해지면 소선이 열화되어 단선되고 끊어진 부분에 공간이 생기고 이 상태로 전원이 공급되면 공급이 원활하지 못하게 되고, 일부의 소선만이 접촉하는 경우에는 접촉부에서 발생한 열과 아크에 의해 피복이 착화 화재가 발생할 가능성이 크다는 것을 확인하였다. 따라서 반복적으로 피로가 가해질 수 있는 전기 배선(가구 눌림, 문틈 배선 등)을 금하는 것이 화재 발생을 최대한 억제하는 방법의 일환으로 판단된다.
그림 (c)와 같이 30회 이상 구부린 결과, 소선의 일부(30회선 중 6회선)가 단선되었고 굴곡이 더욱 커졌으며 단선율이 급속하게 커졌다. 여기서 일단 소선이 단선되기 시작하면 급속도로 단선률이 증가한다는 사실을 알 수 있었으며 단선된 소선들이 다른 소선과 접촉하면서 아크가 발생하고 용융되는 것을 확인할 수 있었다. 이 때 발생돤 아크에 의해 피복이 탄화됨은 물론 절연물의 손상으로 인하여 주위에 가연물이 존재할 경우 착화되어 화재로 이어진다는 것을 확인할 수 있었다.
여기서 일단 소선이 단선되기 시작하면 급속도로 단선률이 증가한다는 사실을 알 수 있었으며 단선된 소선들이 다른 소선과 접촉하면서 아크가 발생하고 용융되는 것을 확인할 수 있었다. 이 때 발생돤 아크에 의해 피복이 탄화됨은 물론 절연물의 손상으로 인하여 주위에 가연물이 존재할 경우 착화되어 화재로 이어진다는 것을 확인할 수 있었다. 그림 (d)와 같이 50회 구부린 경우에는 소선의 많은 수가 급속하게 단선(30회선 중 14회선 단선)되었고 이러한 상태에서 전류가 흐르게 되면 단선된 소선이 다른 소선과 접촉하여 아크가 발생하고 이 아크에 의해 피복이 탄화되고 주위의 가연물이 존재할 경우 착화될 뿐만 아니라 주위에 인화성 물질이 있으면 화재의 위험성이 더욱더 증가할 것으로 판단되었다.
그림 (a)와 같이 외부로부터 물리적인 힘을 가했을 경우 절연이 파괴되기 시작하여 (b)와 같이 전선이 불꽃을 발생하면서 용융·비산함과 동시에 절연이 파괴되고 전선피복에 착화되고 불꽃 비산이 비산되면서 탄화·용융된 부분을 중심으로 높은 열에 의해 도체의 일부가 변색과 함께 박리현상이 나타나며 일부 비산된 형태를 나타내고 있다. 이러한 현상을 고려해 볼 때 산업현장 뿐만 아니라 일반 가정에서도 물리적으로 도통중인 전선에 압력을 가하면 화재의 위험성이 가중됨을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국가화재정보시스템의 화재발생 통계에 따르면 2000년 이래 2009년까지 화재발생의 비중은 무엇이 1위를 차지하고 있는가?	전기에너지는 최첨단 IT산업과 접목된 신기술의 개발로 인하여 전기제품은 다기능화, 대용량화되어 가고 있으며, 이와 더불어 전기재해 발생은 여전히 높은 비율을 차지하고 있어 국민의 소중한 생명과 재산에 막대한 피해를 주고 있는 실정이다[1]. 소방방재청의 국가화재정보시스템 화재발생 통계에 의하면 2000년 이래 2009년까지의 화재발생 건수 중 전기화재가 차지하는 비중은 부동의 1위를 차지하고 있다[2]. 전기가 흐르는 동안에 발열과 방열의 불균형, 아크나 스파크 등의 전기적 현상에 의하여 발생한 점화원에 의하여 전기기기, 전선피복, 주변의 가연성물질이나 가스에 착화하여 화재를 일으키고 그 원인을 규명하는데 결정적인 증거를 남기는데 그 흔적이 전기적 용융흔(熔融痕)이다[3][[4].
	최첨단 IT산업과 접목된 신기술의 개발로 인해 전기제품은 어떻게 되어가고 있는가?	오늘날 친환경적인 녹색경제 성장에 알맞은 전기에너지는 경제 성장 산업의 견인차 역할을 하고 있다. 전기에너지는 최첨단 IT산업과 접목된 신기술의 개발로 인하여 전기제품은 다기능화, 대용량화되어 가고 있으며, 이와 더불어 전기재해 발생은 여전히 높은 비율을 차지하고 있어 국민의 소중한 생명과 재산에 막대한 피해를 주고 있는 실정이다[1]. 소방방재청의 국가화재정보시스템 화재발생 통계에 의하면 2000년 이래 2009년까지의 화재발생 건수 중 전기화재가 차지하는 비중은 부동의 1위를 차지하고 있다[2].
	전기화재의 발생 원인은?	소방방재청의 국가화재정보시스템 화재발생 통계에 의하면 2000년 이래 2009년까지의 화재발생 건수 중 전기화재가 차지하는 비중은 부동의 1위를 차지하고 있다[2]. 전기가 흐르는 동안에 발열과 방열의 불균형, 아크나 스파크 등의 전기적 현상에 의하여 발생한 점화원에 의하여 전기기기, 전선피복, 주변의 가연성물질이나 가스에 착화하여 화재를 일으키고 그 원인을 규명하는데 결정적인 증거를 남기는데 그 흔적이 전기적 용융흔(熔融痕)이다[3][[4].

참고문헌 (9)

최진만 외2명, "국민소득과 화재발생과의 상관관계 변화 연구", 대한안전경영과학회지 11권 4호 (2009).
소방방재청 국가화재정보시스템 통계분석자료 (http://www.nfds.go.kr).
최승복 외3명, "숭례문 화재의 감식 사례 연구" 2009년 대한안전경영학회지 춘계학술대회 논문집
최돈묵외 1명, "인화성액체의 연소 형태에 관한 실험적연구" 2010년 대한안전경영과학회 춘계학술대회 논문집
최돈묵 외1명, "강화액 소화약제에 의한 목조 문화재 단청의 훼손에 관한 연구", 대한안전경영과학회지 11권 제1호 (2009).
김향곤 외4명, "비닐절연코드의 기계적피로에 의한 소손패턴 및 전원 화재 위험성분석", 전기 안전연구원, 2009년도 한국전기학회 전기설비 전문위원회 춘계학술대회 논문집.
최충석 외 5명, "과부하에 의해 변형된 비닐 절연전선의 구조변화 분석", 전기안전연구원, 2002년 대한전기전자재료학회 하계학술대회논문집.
김동욱 외4명, "전선단락시 접촉각도에 따른 및 용흔 특성분석", 전기안전연구원 (2004).
최충석 외5명 공저, 전기화재공학, 동화기술, pp.238-242 (2004).

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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