[논문]전기적 열선의 발화 및 화재 위험성에 관한 연구

민세홍; 송병준

doi:10.12812/ksms.2015.17.4.113

문제 정의

따라서 본 연구에서는 전기적 열선(이하 ‘열선’으 로 한다)에 의한 전기적 점화원으로서의 발화 가능성 및 열선에 의한 발화에서 부터 착화로 이어지는 메커니즘을 규명함으로써 과학적인 화재원인 규명과 발화 과정을 고찰·분석하고자 한다.
본 시험에서는 온도조절기 부착형에 대한 발화가능성, 전원선과 열선 접촉부에서의 발화가능성은 배제하고, 온도 조절기 미부착형에 대하여 과열에 의한 열축적 및 트래킹(Tracking)에 의한 단락으로 발화될 가능성 위주로 시험을 진행하였다. 또한 열선으로 가장 많이 사용되는 벨트히터, 정온전선(Self Regulating Heating Cable)에 대한 발화 가능성을 시험을 통해 고찰하고자 하였다.[8]
본 시험에서 전해질이 포함된 수용액에 노출시켜 트래킹에 의해 단락을 유도한 발화가능성과 열선의 설치 방법 및 보온재의 과다사용에 따른 열축적으로 발화에 이르는 메커니즘을 관찰하였으며, 시간에 따른 온도 변화 등을 측정하여 위험성을 분석하는 것으로 시험범위를 한정하여 과학적으로 추론 가능한 결과를 도출하고자 하였다.
본 연구에서는 현장에서 동파방지를 위한 배관의 보온 대책으로 많이 적용하고 있는 열선저항관련 화재가 발생하고 있는 바, 이에 대한 발생가능성에 대한 재현 시험장비를 자체적으로 제작하여 전기적 열선에 대한 과열시험과 트래킹에 의한 단락시험에 대한 연과를 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

제안 방법

본 시험에서는 온도조절기 부착형에 대한 발화가능성, 전원선과 열선 접촉부에서의 발화가능성은 배제하고, 온도 조절기 미부착형에 대하여 과열에 의한 열축적 및 트래킹(Tracking)에 의한 단락으로 발화될 가능성 위주로 시험을 진행하였다.
동파방지용 열선의 사양 중 벨트히터는 발열량이 11 w/m로 1 m와 10 m 길이로 구분하여 시험을 진행했으며, 정온전선은 1롤(50 m)로 최고온도 65 ℃, 발열량 15 w/m를 본 시험에 적용하였다.
먼저 과열시험으로 온도조절기가 없는 조건에서 열선의 설치방법에 따라 최고온도 및 전류 변화와 축열에 의한 착화여부를 관찰하였다. 또한, 단락시험은 온도조절기가 없는 조건에서 열선의 절연피복을 제거하고 두 가닥의 도체 및 발열선이 노출된 상태에서 염화나트륨 수용액(소금물 20%)을 분무시켜 두 도체의 불꽃방전 및 단락에 의한 착화 과정을 관찰하였다.
먼저 과열시험으로 온도조절기가 없는 조건에서 열선의 설치방법에 따라 최고온도 및 전류 변화와 축열에 의한 착화여부를 관찰하였다. 또한, 단락시험은 온도조절기가 없는 조건에서 열선의 절연피복을 제거하고 두 가닥의 도체 및 발열선이 노출된 상태에서 염화나트륨 수용액(소금물 20%)을 분무시켜 두 도체의 불꽃방전 및 단락에 의한 착화 과정을 관찰하였다.
벨트히터 발열선(니크롬선)을 노출시킨 후 염화나트륨 수용액(20%)을 분무시키며 불꽃반응을 일으킬 때 순간 전류량과 착화여부를 관찰하였다.
벨트히터 전원부로부터 0.6 m부분에 피복을 벗기고 그 위에 떡솜먼지와 파쇠된 종이를 올려놓고 염화나트륨수용액(20%)을 떨어트려 트레킹에 의한 단락 발생 여부 및 가연물에 착화여부를 시험하였다.
벨트히터를 전원부에서부터 1 m, 2.5 m, 5 m 지점 마다 피복을 벗겨 염화나트륨 수용액(소금물 20%)을 떨어트려 트레킹에 의한 단락 발생여부 및 절연피복에 착화여부를 시험하였다.[9]
본 시험에 적용한 시험장비에는 전류측정을 위한 전류전압측정계(클램프메타)와 온도측정을 위해 열화상 카메라, 온ᆞ습도계, 적외선온도계 등을 사용했으며, 시간측정을 위해 스톱워치와 전자시계를, 또한, 영상 기록을 위해 디지털카메라와 비디오카메라를 이용했다. 또한, 본 시험을 위해 [Figure 7]에 나타낸 바와 같이 자체 제작한 시험세트를 제작하여 적용하였다.
본 연구에서는 과열시험과 단락시험 등 2가지 시험 으로 구분하여 연구를 진행하였다.
정온전선을 전원부로부터 0.6 m부분에 피복을 벗기고 염화나트륨수용액(20%)을 떨어트려 트래킹 발생여부 및 가연물에 착화여부를 시험하였다.
정온전선의 끝부분 피복 0.0003 m를 제거하고 두 도체(동선)가 일정거리를 유지한 상태로 염화나트륨수용액(20%)을 떨어트려 트래킹 발생여부 및 절연피복에 착화여부를 시험하였다.

대상 데이터

열선에서 발화되어 연소 확대된 경우를 가정하여 일반 시중에서 사용되고 있는 벨트히터, 정온전선을 임의 선정하여 시험을 진행하였다.

성능/효과

1) 본 연구 결과로 자체 제작한 열선재현시스템에 대해 화재재현시험의 유용성을 확인할 수 있었으며, 열선의 위험성을 재확인할 수 있었다.
2) 과열시험 중 벨트히터를 겹쳐 감았을 경우, 열축적에 의한 화재의 위험성은 적은 것으로 확인되었으나 벨트히터 주위 보온재를 과다 사용시 발생 열이 축적되어 절연피복을 열화시키고 주변 가연물을 탄화시켜 화재로 이어질 가능성이 확인되었다.
3) 정온전선은 일정 간격으로 겹쳐 감은 후 그 위에 보온재를 사용하더라도 일정 온도가 올라가면 전류량이 자동으로 감소(PTC특성)하여 발열량이 조절되어 50 ℃ 이상 올라가지 않아 과열에 의한 발화 가능성은 희박하였으나, 가연물을 탄화시킨 점으로 보아 장기간 사용시 발화 가능성이 있는 것으로 확인되었다. 특히 외단열시스템(EIFS) 화재위험성평가에 관한 연구[11]에서처럼 건축물의 외장재 설치공법에 따라 대형화재로 성장할 가능성이 충분히 있음이 확인되었다.
4) 트래킹에 의한 단락시험에서 벨트히터는 발열선의 양 끝이 연결된 구조(직렬방식)로 여러 곳을 단락시켜도 전류변화 및 불꽃관찰이 어려웠지만 절연외피를 용융·탄화시켜 발열선을 노출한 상태에서 염화나트륨 수용액(20%)을 분무시키자 불꽃방전이 발생하였다.
5) 정온전선의 끝부분에 수분이 침투하였을 경우를 가상하여 누전 및 불꽃방전에 의한 착화가능성 시험에서 염화나트륨수용액(20%)을 투입한 결과 20초경과 후 착화되었다. 본 시험 결과를 볼 때 두 도체가 노출된 상태에서 수분 침투시 트래킹에 의한 단락으로 쉽게 착화됨이 확인되었다.
즉발열선의 누전에 의한 불꽃방전이나 단락에 의한 착화가능성은 낮아 보였지만, 여러 겹의 발열선이 단락되고 수분 등에 의한 트래킹 발생시 불꽃방전에 의한 발화가능성이 존재함이 확인되었다. 또한 벨트히터의 단락에 의한 발화 가능성은 전원부에 가까울수록 불꽃이 강해져 발화 될 가능성이 큰 것으로 확인되었다.
벨트히터의 절연외피 발열선을 노출시킨 상태에서 염화나트륨 수용액을 분무시키자 [Figure 13]에서와 같이 스파크는 발생하였으나 가연물을 착화시키지는 못하였지만 주변 환경 및 가연물의 조건에 따라 발화 가능성이 높은 것으로 관찰되었다. 벨트히터를 여러 겹 동시에 단락시켰을 경우 불꽃방전으로 발화가능성이 있으나, 벨트히터가 겹쳐지지 않은 상태에서 단락에 의한 발화가능성은 전원부에 가까울수록 불꽃이 강해 져 먼 곳과 비교하여 높은 것으로 관찰되었다.
5) 정온전선의 끝부분에 수분이 침투하였을 경우를 가상하여 누전 및 불꽃방전에 의한 착화가능성 시험에서 염화나트륨수용액(20%)을 투입한 결과 20초경과 후 착화되었다. 본 시험 결과를 볼 때 두 도체가 노출된 상태에서 수분 침투시 트래킹에 의한 단락으로 쉽게 착화됨이 확인되었다. 그러므로 정온전선의 절단부위는 수분이 침투하지 못하도록 철저한 마감이 중요하며 배관 에 정온전선 설치시 절연피복 손상에 주의가 요구된다.
수도계량기에 온도센서를 제거한 벨트히터를 여러번 겹쳐 감고 스티로폼상자에 의류로 축열 조건을 만들어 주고 최고온도와 착화여부를 관찰한 결과, [Table 1]의 벨트히터 온도변화 특정 결과를 도출할 수 있었다.
4) 트래킹에 의한 단락시험에서 벨트히터는 발열선의 양 끝이 연결된 구조(직렬방식)로 여러 곳을 단락시켜도 전류변화 및 불꽃관찰이 어려웠지만 절연외피를 용융·탄화시켜 발열선을 노출한 상태에서 염화나트륨 수용액(20%)을 분무시키자 불꽃방전이 발생하였다. 즉발열선의 누전에 의한 불꽃방전이나 단락에 의한 착화가능성은 낮아 보였지만, 여러 겹의 발열선이 단락되고 수분 등에 의한 트래킹 발생시 불꽃방전에 의한 발화가능성이 존재함이 확인되었다. 또한 벨트히터의 단락에 의한 발화 가능성은 전원부에 가까울수록 불꽃이 강해져 발화 될 가능성이 큰 것으로 확인되었다.
첫 번째(①)는 온도조절기와 보온재가 없는 상태에서 벨트히터를 배관에 3번 겹쳐 감아 설치한 후 최고 온도를 관찰하였고, 두 번째(②)는 온도조절기가 없는 벨트히터를 배관에 겹쳐 감아 설치하고 보온재 설치 후 최고온도 및 착화여부를 관찰한 결과, [Table 2]의 벨트히터 온도변화 특정결과를 도출할 수 있었다.
12A로 감소하고 결국 단선으로 전류가 통하지 않아 시험을 종료하였다. 하지만, 단락 및 불꽃방전시 불꽃이 튀는 것을 확인할 수 있었으며 주변 환경과 가연물의 조건에 따라 발화가능성이 있음을 관찰하였다.

후속연구

6) 또한 고정식 소방장비의 배관시스템뿐만 아니라 소방펌프차 등 이동식 소방장비의 배관시스템에도 동파 방지를 위한 열선 적용에 대한 대책이 적극적으로 고려되어야 하겠다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기적 열선 중 벨트히터는 무엇인가?	벨트히터는 〈Figure 3〉에 나타낸 바와 같이 유리 섬유 코어 위에 니크롬선 또는 철크롬선을 원주방향으로 감아 발열체 열선 2가닥을 실리콘 고무로 절연한 것으로 벨트모양과 비슷하여 벨트히터라고 하며 업체에 따라 실리콘히터, 전열선, 수도동파방지열선 등으로 불리며 2가닥의 끝은 서로 연결된 직렬히터 방식이다.
	정온전선의 PTC특성은 무엇인가?	정온전선은 기존의 히팅 케이블과는 달리 금속 발열선이 아니라 카본이 함유된 플라스틱반도체에 의해 발열하는 제품으로 주위온도 변화에 따라 발열량이 자동적으로 증감하는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 특성을 가지고 있다[5].
	정온전선의 자동제어 특성은 무엇인가?	정온전선의 자동제어 특성은 발열체가 니크롬선이 아니고 특수 반도전성 폴리머로 구성되어 있다. 주변온도가 상승하면 발열체의 전기저항이 자동적으로 상승하여 발열량이 자동 감소하는 특성이 있어, 정온전선이 겹쳐서 설치되어도 국부 과열이나 소손 현상이 발생하지 않으며 정온전선의 최고 도달 온도(T-Rating)가 일정하여 안전도가 보장된다.

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