[논문]과학적 방법을 적용한 화재조사와 결함수 분석을 이용한 정온전선의 발화원인 추론

김두현; 이흥수

doi:10.7731/kifse.2016.30.4.073

과학적 방법을 적용한 화재조사와 결함수 분석을 이용한 정온전선의 발화원인 추론
Fire Cause Reasoning of Self-regulating Heating Cable by a Fire Investigation Applying the Scientific Method and Fault Tree Analysis 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.30 no.4, 2016년, pp.73 - 81

김두현 (충북대학교 안전공학과) , 이흥수 (한국화재보험협회 방재시험연구원)

초록
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정온전선은 평형 도체 사이에 반도전성 폴리머를 연속 압출 방식으로 충전시킨 후 양 도체 사이에 전기를 흐르게 함으로써 고분자에 의한 전열을 이용한 전기 발열체이다. 정온전선은 가격이 저렴하고 시공이 편리하기 때문에 겨울철 수배관의 동파방지용 열선으로 주로 사용되고 있다. 하지만 이러한 유용함에도 불구하고 구조적인 문제로 인하여 두 평형 도체의 절연이 파괴되는 경우에는 화재로 이어질 수도 있는 위험성이 존재하고 있다. 본 논문은 정온전선에 의한 화재현장을 조사하여 원인을 도출하는 방식으로 직접적인 원인을 추론하고자 하였으며, 결함수 분석을 통해 근본적인 문제를 파악해 보고자 하였다. 실제 냉동창고 화재현장을 조사하여 정온전선에 의한 화재원인을 추론한 결과 전선 말단 절연처리 결함에 의한 절연파괴인 것으로 판단되었다. 향후 이 결과는 안전활동 및 유사 화재원인조사 시에도 활용될 수 있을 것이다

Abstract ▼ AI-Helper

A self-regulating heating cable is an electrical heating element by flowing an electric current between parallel conductors filled with an extruded semi-conductive polymer. Self-regulating heating cables are used mainly for frost protection purposes because the construction is convenient and the price is low. On the other hand, structural problems with imperfections of the insulation can cause a fire despite their usefulness. This paper deduced a direct method to derive the cause by investigating the scene of a fire due to a self-regulating heating cable and analyzed the basic problem using fault tree analysis. In this paper, the actual fire scene was a cold storage warehouse, and fire investigation was conducted. After investigating the fire scene and fault tree analysis, the cause of the fire could be attributed to dielectric breakdown of the self-regulating heating cable. This paper could be utilized in the fire safety activities and similar fire investigations.

주제어

표/그림 (18)

그림 Figure 1. Structure of self-regulating heating cable.
그림 Figure 2. Scientific method steps⁽⁸⁾.
그림 Figure 3. Fault tree analysis steps.
그림 Figure 4. Cold storage warehouse.
그림 Figure 5. Floor plan of second floor.
그림 Figure 6. Fire pattern of second floor passage.
그림 Figure 7. Combustion conditions of 2-3 freezer.
그림 Figure 8. Heating cable installed on the pipe.
그림 Figure 9. Molten mark on cable end.
표 Table 1. Five Main Categories
표 Table 2. Fault Factors of Fire Origin
그림 Figure 10. Fire cause FTA of 2-3 freezer.
표 Table 3. Fault Tree Analysis Logic Symbols⁽¹⁶⁾
그림 Figure 11. Equivalent form for fault tree Figure 9.
그림 Figure 12. Insulating tape finishing state of heating cable end.
표 Table 4. Rules of Boolean Algebra⁽¹⁸⁾
표 Table 5. Risk Score of Basic Event and Quantification
표 Table 6. Minimal Cut Set of Intermediate Event (I.E.) and Fire Possibility

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 화재조사와 연역적인 검증방법을 통해 정온전선의 발화원인을 규명해 보고자 하였다. 이를 위해 정온전선이 최초 발화개체로 작용한 것으로 추정되는 냉동창고 화재현장에 대한 화재조사를 실시하였다.
본 논문은 냉동창고에 시공된 정온전선에 의한 발화원인 추론을 위해 과학적 방법을 적용한 화재조사와 결함수 분석을 이용하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
이에 따라 정온전선의 화재위험성을 주제로 하는 다수의 논문이 발표되었으며^(1-5), 지금도 해당 제품의 화재위험성에 대한 실험연구가 지속적으로 수행되고 있다. 본 논문은 화재원인조사의 결과론적인 측면에서 화재위험성과 관련한 실험연구가 아닌 화재원인조사를 수행하여 발화원인을 도출하는 방법론적인 측면에서 정온전선의 발화원인을 도출해 보고자 하였다.
발화지점의 화재패턴 해석과 정온전선 말단부의 아크흔 등을 통해 발화원인은 정온전선의 트래킹 현상으로 추론하였다. 이러한 귀납적 추론에 의한 조사결과를 검증하고자 결함수 분석을 수행하고 최종 결론을 도출해 보고자 하였다.

가설 설정

이러한 이유로 발화지점은 정온전선의 전기적인 발열에 의해 발화되었을 것으로 판단되었다. 발화지점은 정온전선의 말단부분에 해당하였고, 정온전선의 말단부에서는 아크흔이 생성되었기 때문에 현장조사 당시 발화원인을 트래킹 현상에 의한 것으로 가정하였다. 현장조사를 통한 귀납적 추론 결과는 현장에서 조사자가 채증한 자료를 분석하여 수립한 가설에 해당하기 때문에 연역적 추론방식으로 해당 가설을 검증하여 화재조사의 결론을 도출해야 한다.
화재조사자는 분석된 자료를 바탕으로 발화지점과 발화원인 규명에 관한 가설을 수립한다. 이러한 가설은 화재현장에서 수집된 자료와 조사자의 지식 및 경험 등에 근거하기 때문에 귀납적 추론이라고 한다.

제안 방법

결함수 분석을 통해 냉동창고 화재현장의 조사결과를 검증해 보았다. C21, C22, C23의 기본사상들 중에 C22의 값이 0.
기본사상의 발생빈도나 고장율 등을 정리하여 중간사상 및 정상사상의 발생확률을 계산한다.
화재조사는 NFPA 921에서 권장하는 과학적인 방법론⁽⁸⁾에 의한 절차대로 수행하였다. 냉동창고 화재현장의 화재패턴을 분석하여 발화지점을 판단한 후 정온전선의 시공상황, 아크흔의 생성지점, 정온전선 절단부의 절연처리 방법 등 여러 가지 흔적들을 종합적으로 판단하여 발화원인을 귀납적으로 추론하였다.
화재현장에서는 일반적으로 화재패턴의 해석, 아크조사, 관계자 인터뷰 및 연소이론 지식 등을 통해 발화지점을 추론하게 된다. 당해 화재현장의 경우에는 냉동실 내부에 형성된 화재패턴을 통해 발화지점을 추론하였으며, 각 시설과 구조물 등의 연소흔적을 비교하여 연소중심부를 판단하였다.
냉동창고의 화재조사를 수행하고 발화지점에서 발화원인으로 작용할 수 있는 개체는 정온전선이 유일하다는 것을 확인하였다. 발화지점의 화재패턴 해석과 정온전선 말단부의 아크흔 등을 통해 발화원인은 정온전선의 트래킹 현상으로 추론하였다. 이러한 귀납적 추론에 의한 조사결과를 검증하고자 결함수 분석을 수행하고 최종 결론을 도출해 보고자 하였다.
을 적용하였다. 연역적인 분석기법으로 결함수 분석을 채택하였으며, 화재조사 전문가들의 지식과 경험을 통해 냉동창고 화재현장에서 나타날 수 있는 정온전선 화재의 원인들을 도출하고, 각 원인별 발생 가능성에 정량적인 값을 부여하여 결함수 분석을 수행하였다.
본 논문에서는 화재조사와 연역적인 검증방법을 통해 정온전선의 발화원인을 규명해 보고자 하였다. 이를 위해 정온전선이 최초 발화개체로 작용한 것으로 추정되는 냉동창고 화재현장에 대한 화재조사를 실시하였다. 화재조사는 NFPA 921에서 권장하는 과학적인 방법론⁽⁸⁾에 의한 절차대로 수행하였다.
연역적 추론방식은 NFPA 921에 제시된 여러 가지 분석기법 중에 결함수 분석을 채택하여 분석하였다. 정온전선 말단부에서 발생할 수 있는 여러 가지 전기적인 원인들을 전문가의 의견을 통해 도출하고 결함수를 작성하여 정량적으로 분석하였다. 결함수 분석기법을 이용하여 최종 발화원인은 트래킹에 의한 가능성에 결론을 두게 되었지만 근본적으로는 정온전선의 절연결함이 주요원인이 되어 발화될 수 있다는 중요한 사실을 인지하게 되었다.
화재현장에서 확인된 가연물과 열원 및 연소흔적 등을 통해 유추할 수 있는 화재위험 요소를 도출하고 결함요인 분류표를 작성하였다. 인적요인을 제외하고 직접적인 화재원인과 관련된 위험요소를 중심으로 분류하여 4가지의 대분류 범주를 선정하고 각 범주에서 세부적인 분류 항목을 설정하여 코드화 하였다.

대상 데이터

또한 화재가 발생하기까지 약 2년 동안 화재사고 없이 해당 정온전선을 사용해 왔기 때문에 제조결함에 의한 발화가능성도 결함요인 분류표에서 제외되었다. 이러한 분류작업은 현재 국내에서 화재조사업무를 5년 이상 수행하고 있으며, 국내 · 외 관련 자격증을 소지한 5명의 전문가와 함께 수행하였다.

이론/모형

정온전선은 전기발열 특성을 이용하여 수도배관 등의 동파를 방지하는 용도로 주로 사용되고 있으나, 구조적으로 누전, 과부하/과전류, 접촉불량, 트래킹에 의한 발화위험성이 상존하고 있으며, 시공 방법에 따라 축열에 의한 발화가능성도 존재하는 전기 발열체이다. 본 논문에 제시된 냉동창고 화재현장의 조사는 NFPA 921에서 제시하는 과학적인 접근방법에 의해 수행되었다. 우선 화재패턴 해석을 통해 2-3 냉동실의 천장부분에 위치한 배수배관 주변을 발화지점으로 판단하였다.
현장조사를 통한 귀납적 추론 결과는 현장에서 조사자가 채증한 자료를 분석하여 수립한 가설에 해당하기 때문에 연역적 추론방식으로 해당 가설을 검증하여 화재조사의 결론을 도출해야 한다. 연역적 추론방식은 NFPA 921에 제시된 여러 가지 분석기법 중에 결함수 분석을 채택하여 분석하였다. 정온전선 말단부에서 발생할 수 있는 여러 가지 전기적인 원인들을 전문가의 의견을 통해 도출하고 결함수를 작성하여 정량적으로 분석하였다.
현장조사를 통한 귀납적 추론 결과에 대한 연역적인 검증과 발화원인의 발생 가능성을 정량적으로 도출하기 위해 NFPA 921에 제시된 사고분석기법⁽¹⁴⁾을 적용하였다. 연역적인 분석기법으로 결함수 분석을 채택하였으며, 화재조사 전문가들의 지식과 경험을 통해 냉동창고 화재현장에서 나타날 수 있는 정온전선 화재의 원인들을 도출하고, 각 원인별 발생 가능성에 정량적인 값을 부여하여 결함수 분석을 수행하였다.
이를 위해 정온전선이 최초 발화개체로 작용한 것으로 추정되는 냉동창고 화재현장에 대한 화재조사를 실시하였다. 화재조사는 NFPA 921에서 권장하는 과학적인 방법론⁽⁸⁾에 의한 절차대로 수행하였다. 냉동창고 화재현장의 화재패턴을 분석하여 발화지점을 판단한 후 정온전선의 시공상황, 아크흔의 생성지점, 정온전선 절단부의 절연처리 방법 등 여러 가지 흔적들을 종합적으로 판단하여 발화원인을 귀납적으로 추론하였다.

성능/효과

1. 2-3 냉동실에 시공된 정온전선의 발화원인은 말단부 절연결함으로 발생한 트래킹 현상일 가능성이 있다.
2. 냉동창고의 수배관 동파방지열선으로 시공된 정온전선에 의해 냉동창고에서 발화될 수 있다.
3. 귀납추론을 통해 도출한 화재조사 결과를 결함수 분석을 통해 연역적으로 검증하고 보완할 수 있다.
정온전선 말단부에서 발생할 수 있는 여러 가지 전기적인 원인들을 전문가의 의견을 통해 도출하고 결함수를 작성하여 정량적으로 분석하였다. 결함수 분석기법을 이용하여 최종 발화원인은 트래킹에 의한 가능성에 결론을 두게 되었지만 근본적으로는 정온전선의 절연결함이 주요원인이 되어 발화될 수 있다는 중요한 사실을 인지하게 되었다.
결함수 분석을 통해 전기적인 현상에 무게를 두지 않고 근본적인 결함을 확인함으로써 대책을 수립함에 있어 사고를 분석하고 핵심 실마리를 제공받을 수 있는 방법도 터득하게 되었다. 이러한 충전부의 절연처리는 수축튜브나 실리콘 마감재 등을 사용하여 마감하는 것이 일반적이지만 실제 현장에서는 시공상의 편리함 등의 이유로 절연테이프로 마감처리 되고 있는 경우가 대부분이다.
냉동창고의 화재조사를 수행하고 발화지점에서 발화원인으로 작용할 수 있는 개체는 정온전선이 유일하다는 것을 확인하였다. 발화지점의 화재패턴 해석과 정온전선 말단부의 아크흔 등을 통해 발화원인은 정온전선의 트래킹 현상으로 추론하였다.
Figure 7에서 확인할 수 있는 바와 같이 2-3 냉동실은 천장의 우레탄 단열재를 중심으로 우측 전면부를 중심으로 연소가 진행되어 주변으로 확대된 연소형태를 보여주고 있다. 우레탄 단열재 부분의 연소중심부에는 냉동기와 연결된 배수배관이 지나고 있으며, 해당 배수배관에는 동파방지를 위한 정온전선이 감기시공 방식으로 설치되어있었다. 우레탄 단열재의 연소중심부에는 정온전선을 제외하고 점화원으로 작용할 수 있는 열원은 없었기 때문에 동파방지용으로 설치된 해당 개체에 의해 우레탄 단열재가 착화되었을 가능성이 있었다.
최소절단집합의 수는 5개로 많은 것 같지만 실제로 분류코드 C11, C12, C13은 정온전선의 절연상태의 결함을 다루고 있는 부분이며, B11은 가연물을 나타내는 부분이기 때문에 화재당시 정온전선의 절연상태가 미흡하였다면 누전, 트래킹 또는 접촉불량에 의해 주위 가연물이 착화될 수 있음을 결함수 작성을 통해 알 수 있다. 화재현장에는 발화지점을 제외한 다른 장소에서 정온전선의 절연 마감상태를 확인할 수 있는 부분이 있었다.

후속연구

이러한 충전부의 절연처리는 수축튜브나 실리콘 마감재 등을 사용하여 마감하는 것이 일반적이지만 실제 현장에서는 시공상의 편리함 등의 이유로 절연테이프로 마감처리 되고 있는 경우가 대부분이다. 따라서 현장의 작업자나 관리자는 향후 이 부분을 고려하여 시공하거나 현장안전관리 계획을 수립할 필요가 있을 것이다.
본 연구에 적용한 화재조사 방법론은 다양한 화재현장 조사에 응용할 수 있을 것으로 기대되며, 도출된 원인은 유사 화재사고를 예방할 수 있는 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
이러한 메커니즘을 입증할 수 있는 근거로는 정온전선의 말단부분에서 주변으로 연소확대된 화재패턴과 말단 절단부의 평형도체에 생성된 아크흔이 있다. 앞서 화재패턴을 해석하여 발화지점을 판단하였으며, 발화지점의 정온전선의 말단부분에서 아크흔이 생성되었을 경우에는 통전상태입증과 동시에 트래킹에 의한 발화 가능성을 추론할 수 있을 것이다. 말단부분은 정온전선의 시공구간 끝부분에 해당하기 때문에 접속불량의 가능성은 배제되었으며, Figure 8에서 확인할 수 있는 바와 같이 감기 시공방식으로 정온전선이 배수배관에 시공되었으나 겹침시공되지 않은 상태이기 때문에 겹침시공에 의한 축열 또는 과열 가능성도 배제되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	정온전선의 문제점은 무엇인가?	정온전선은 가격이 저렴하고 시공이 편리하기 때문에 겨울철 수배관의 동파방지용 열선으로 주로 사용되고 있다. 하지만 이러한 유용함에도 불구하고 구조적인 문제로 인하여 두 평형 도체의 절연이 파괴되는 경우에는 화재로 이어질 수도 있는 위험성이 존재하고 있다. 본 논문은 정온전선에 의한 화재현장을 조사하여 원인을 도출하는 방식으로 직접적인 원인을 추론하고자 하였으며, 결함수 분석을 통해 근본적인 문제를 파악해 보고자 하였다.
	정온전선이란 무엇인가?	정온전선은 평형 도체 사이에 반도전성 폴리머를 연속 압출 방식으로 충전시킨 후 양 도체 사이에 전기를 흐르게 함으로써 고분자에 의한 전열을 이용한 전기 발열체이다. 정온전선은 가격이 저렴하고 시공이 편리하기 때문에 겨울철 수배관의 동파방지용 열선으로 주로 사용되고 있다.
	정온전선은 어떤 이점이 있고 어떻게 사용되는가?	단열재나 난방기구 등을 사용하여 배관의 동파를 예방하기도 하지만 요즘은 일반적으로 정온전선(Self-regulating heating cable)을 주로 사용하고 있다. 정온전선은 가격이 저렴하고 시공이 편리하기 때문에 각종 배관계통의 동파를 방지하 기 위해 널리 사용되고 있다. 하지만 이러한 이점에도 불 구하고 전기제품의 발열특성과 절연파괴 현상 등에 의해 언제든지 발화될 수 있는 위험성이 상시 존재하고 있다.

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저자의 다른 논문 :

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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