대부분의 콘센트 화재는 플러그 핀과 핀받이 주변에서 발생하는 것으로 알려져 있다. 하지만, 플러그 접속점 이외에 콘센트의 전원 접속구에서도 화재가 발생할 수 있다는 것을 간과하면 안 된다. 본 연구에서는, 전원 접속구에 연선이 불완전하게 접속될 때, 발화 가능성을 확인하였다. 실험은 기초실험과 재현실험으로 나누어 진행하였다. 기초실험은 접속구에 체결되는 연선의 가닥 수에 따른 발화 가능성을 확인하고 잔존물의 특징을 파악하였다. 재현실험은 전등, 청소기, 히터 등의 부하를 콘센트에 연결하고 접속구에서의 발화가 화재로 진전되는지 확인하였다. 실험 결과, 접속구에서 발생한 발열과 아크로 인해 화재로 진전되었고, 잔존물인 U-자 고정금구와 클립에서 부분적 손실이 식별되었다. 이에 따라, 연선을 사용한 전기배선이 콘센트에 불완전 접속되었을 때, 화재의 발생 가능성을 증명하였고, 잔존물의 특징으로부터 화재원인을 판정할 수 있다는 것을 확인하였다.
대부분의 콘센트 화재는 플러그 핀과 핀받이 주변에서 발생하는 것으로 알려져 있다. 하지만, 플러그 접속점 이외에 콘센트의 전원 접속구에서도 화재가 발생할 수 있다는 것을 간과하면 안 된다. 본 연구에서는, 전원 접속구에 연선이 불완전하게 접속될 때, 발화 가능성을 확인하였다. 실험은 기초실험과 재현실험으로 나누어 진행하였다. 기초실험은 접속구에 체결되는 연선의 가닥 수에 따른 발화 가능성을 확인하고 잔존물의 특징을 파악하였다. 재현실험은 전등, 청소기, 히터 등의 부하를 콘센트에 연결하고 접속구에서의 발화가 화재로 진전되는지 확인하였다. 실험 결과, 접속구에서 발생한 발열과 아크로 인해 화재로 진전되었고, 잔존물인 U-자 고정금구와 클립에서 부분적 손실이 식별되었다. 이에 따라, 연선을 사용한 전기배선이 콘센트에 불완전 접속되었을 때, 화재의 발생 가능성을 증명하였고, 잔존물의 특징으로부터 화재원인을 판정할 수 있다는 것을 확인하였다.
Most outlet fires occur around plug pins and plug pin receivers. However, no research has been conducted on ignitions at power connection points. This study confirms the possibility of ignition after incomplete connection, using a stranded wire, to the power connection point of an outlet. The experi...
Most outlet fires occur around plug pins and plug pin receivers. However, no research has been conducted on ignitions at power connection points. This study confirms the possibility of ignition after incomplete connection, using a stranded wire, to the power connection point of an outlet. The experiment was divided into basic and reproducing experiments. The basic experiment confirmed the possibility of ignition according to the number of wire strands connected to the power connection point, and it identified the characteristics of the residue after the fire. In the reproducing experiment, lamps, vacuum cleaners, and heaters were connected to an outlet to check if the ignition at the connection advanced into a fire. The fire advanced due to the heat and arc generated at the connection point, and partial losses were identified in the U-type holder and clip. Accordingly, the results demonstrate that a fire may occur when the stranded wire is incompletely connected to the outlet. Moreover, it was confirmed that the cause of a fire can be determined based on the characteristics of the residue.
Most outlet fires occur around plug pins and plug pin receivers. However, no research has been conducted on ignitions at power connection points. This study confirms the possibility of ignition after incomplete connection, using a stranded wire, to the power connection point of an outlet. The experiment was divided into basic and reproducing experiments. The basic experiment confirmed the possibility of ignition according to the number of wire strands connected to the power connection point, and it identified the characteristics of the residue after the fire. In the reproducing experiment, lamps, vacuum cleaners, and heaters were connected to an outlet to check if the ignition at the connection advanced into a fire. The fire advanced due to the heat and arc generated at the connection point, and partial losses were identified in the U-type holder and clip. Accordingly, the results demonstrate that a fire may occur when the stranded wire is incompletely connected to the outlet. Moreover, it was confirmed that the cause of a fire can be determined based on the characteristics of the residue.
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문제 정의
이에 따라, 본 논문에서는 접속구에 연선을 인입하였을 때, 접속불량으로 인한 과열 발화 양상을 고찰하고 화재원인을 규명하기 위한 감식기법을 찾고자 하였다. 이를 위해, 접속불량에 의한 열 이력과 접속구의 외형변화를 관찰하고 화재 후 잔존물의 특징을 파악하였다.
제안 방법
실험은 기초실험과 재현실험으로 나누어 진행하였다. 기초실험에서는 전원전선(연선)이 콘센트의 접속구에 불량하게 체결될 경우 나타나는 현상과 잔존물의 특징을 관찰하였고, 재현실험에서는 콘센트에 조명, 청소기, 히터 등의 부하를 연결하여 사용 중 발생하는 화재 양상과 기초실험의 잔존물과 비교 확인하였다.
기초실험으로, 접속구에 접속되는 전선 가닥 수와 전류 량에 따른 발화 가능성, 발화 과정, 잔존물 특징을 살펴보았다. 접속되는 연선의 가닥 수가 감소할수록, 높은 전류가 흐를수록 접속구의 온도는 크게 상승하였다.
화재재현 실험을 통해, 콘센트 접속구의 발화가 실질적으로 화재로 진전되는지 관찰하였다. 또한, 잔존물에 나타나는 특징을 기초실험 결과와 비교하여 공통된 점이 있는지 확인하였다.
실제 화재 사례와 감정 결과서를 바탕으로, 매입 콘센트 접속구에 연선이 불완전하게 체결되었을 때의 발화 위험성을 확인하고 잔존물에 대한 감식기법을 제시하였다.
실험은 기초실험과 재현실험으로 나누어 진행하였다. 기초실험에서는 전원전선(연선)이 콘센트의 접속구에 불량하게 체결될 경우 나타나는 현상과 잔존물의 특징을 관찰하였고, 재현실험에서는 콘센트에 조명, 청소기, 히터 등의 부하를 연결하여 사용 중 발생하는 화재 양상과 기초실험의 잔존물과 비교 확인하였다.
가정과 사무실에서 30 A 차단기가 많이 사용되므로, 접속구에 흐를 수 있는 최대 전류를 29 A로 설정하였다. 이 과정을 통해 연선 가닥 수와 전류량에 따른 발화 가능성, 발화 현상, 아크 에너지, 잔존물의 특징을 도출하였다.
부하장치는 저항(R, Resistance) 부하와 리액턴스(L, Reactance) 부하를 겸용하였다. 이는 가정, 사무실 등에서 사용하는 냉장고, 선풍기, 세탁기 등에 리액턴스 성분이 있기 때문이며, 이 실험에서는 인가한 전류의 30%를 리액턴스 성분으로 설정하였다.
이에 따라, 본 논문에서는 접속구에 연선을 인입하였을 때, 접속불량으로 인한 과열 발화 양상을 고찰하고 화재원인을 규명하기 위한 감식기법을 찾고자 하였다. 이를 위해, 접속불량에 의한 열 이력과 접속구의 외형변화를 관찰하고 화재 후 잔존물의 특징을 파악하였다.
이런 상태에서 부하를 연결하여 사용할 경우, 접속불량에 의한 과열이 발생할 것으로 예측할 수 있다. 이에 따라, 기초실험에서는 체결된 연선의 가닥 수와 전류량을 변화시켜 접속구에서의 발화 가능성을 확인하였다.
5 mm2의 연선으로, 총 42가닥으로 구성되어 있다. 접속구에 접속되는 가닥 수를 42가닥, 20가닥, 10가닥, 5가닥으로 나누고 각각의 경우에서 전류량을 15 A, 20 A, 25 A, 29 A로 변화시키며 열 이력을 관찰하였다. 가정과 사무실에서 30 A 차단기가 많이 사용되므로, 접속구에 흐를 수 있는 최대 전류를 29 A로 설정하였다.
화재 재현실험을 통해, 콘센트 접속구의 발화가 실질적인 화재로 진전되는지 확인하였다. Figure 9는 연선을 불완전 접속시킨 ① 콘센트에서 화재가 발생하는 과정을 나타낸 것이다.
화재재현 실험을 통해, 콘센트 접속구의 발화가 실질적으로 화재로 진전되는지 관찰하였다. 또한, 잔존물에 나타나는 특징을 기초실험 결과와 비교하여 공통된 점이 있는지 확인하였다.
화재재현실험으로, 접속구 발화가 실질적인 화재로 진전되는지 확인하였고, 잔존물의 특징을 기초실험과 비교 분석하였다. 실험이 진행되며 접속구의 온도가 상승하고 아크와 화염이 발생하였으며, 화염은 전선관을 따라 확대되었다.
대상 데이터
실험구성은 Figure 2와 같이 30 A 주 차단기(Main breaker), 매입 콘센트, 전압⋅전류 측정용 오실로스코프(Waverunner 610Zi, Teledyne lecroy), 부하장치, 접속구 온도측정용 열화상 카메라(Ti-45, Fluke), 촬영용 카메라로 구성하였다.
실험에 사용된 전선은 KIV(비닐절연전선) 2.5 mm2의 연선으로, 총 42가닥으로 구성되어 있다. 접속구에 접속되는 가닥 수를 42가닥, 20가닥, 10가닥, 5가닥으로 나누고 각각의 경우에서 전류량을 15 A, 20 A, 25 A, 29 A로 변화시키며 열 이력을 관찰하였다.
2019년 1월 14일 경 천안 소재 라마다 호텔에서 화재가 발생하여 사망 1명과 다수의 부상자가 발생하였다. 화재는 지하 1층 주차장을 개조한 린넨실에서 발원하였으며, CCTV와 현장 감식결과, 2구 콘센트에서 전기적인 원인으로 발화된 것으로 추정하였다. 관할 소방서와 국립과학수사연구원에서는(8,9) 꽂음형 매입 콘센트에 전원전선을 연선으로 사용하여 압착력이나 결합력이 떨어져 불완전 접속을 유발한 것으로 판단하였으며, 이로 인하여 발생한 전기적 발열 및 불꽃이 가연물을 착화시키는 발화원인으로 작용한 것으로 추정하였다.
성능/효과
Figure 8은 아크가 발생한 접속구를 3D CT로 관찰한 것으로, U-자 고정금구와 클립이 손상되었다. 5번의 추가적인 실험을 한 결과, U-자 고정금구 손상 2건, 클립 손상 2건, 고정금구와 클립 모두 손상 1건을 확인하였다. 이 결과를 통해 접속구에서 발생한 콘센트의 잔존물(고정금구와 클립)에서 손상이 발생하는 것을 확인하였다.
또한, 실험하는 동안 접속구에서 아산화동 증식현상이 발생한 것을 확인하였다. 산화물이 생성되지 않은 구리 전선에서는 접촉점에 아크가 발생하더라도 전류 파형이 변화하지 않지만 산화물이 증식된 후 접촉점에서 아크가 발생하면 전류 파형에 shoulder가 나타난다(11).
콘센트는 용융되어 소락되었으며, 전기배선에서 2차 단락이 발생하였다. 소락된 콘센트가 2차 점화원으로 작용할 수 있다는 점과 2차 단락에 의해 생긴 용융흔이 화재 점화원으로 오인될 소지가 있다는 것을 확인하였다. 콘센트 잔존물로부터 U-자 고정금구가 손상된 것을 확인하였으며, 기초실험과 유사한 결과가 도출되었다.
실험 결과로부터, 연선이 접속구에 불완전 접속될 경우, 과전류에 의한 과열과 직렬 아크에 의한 아산화동 증식으로 발열하여 화염이 발생하는 것을 확인하였다. 이에 따라, 전선 접속구에서 연선이 불완전 접속되면 화재 발생 가능성이 있는 것으로 확인되었다.
실험 결과로부터, 콘센트 접속구의 발화가 충분히 화재로 진전될 수 있다는 것이 증명되었다. 또한, 소락된 콘센트 주변에 가연물이 있다면 이차적인 발화원으로 작용할 수 있을 것으로 판단된다.
화재재현실험으로, 접속구 발화가 실질적인 화재로 진전되는지 확인하였고, 잔존물의 특징을 기초실험과 비교 분석하였다. 실험이 진행되며 접속구의 온도가 상승하고 아크와 화염이 발생하였으며, 화염은 전선관을 따라 확대되었다. 콘센트는 용융되어 소락되었으며, 전기배선에서 2차 단락이 발생하였다.
5번의 추가적인 실험을 한 결과, U-자 고정금구 손상 2건, 클립 손상 2건, 고정금구와 클립 모두 손상 1건을 확인하였다. 이 결과를 통해 접속구에서 발생한 콘센트의 잔존물(고정금구와 클립)에서 손상이 발생하는 것을 확인하였다. 이는 국립과학수사연구원의 라마다 호텔의 감정 결과와도 일치한다.
이에 따라, 본 연구를 통해 연선을 사용한 전기배선이 콘센트에 불완전하게 접속될 경우, 화재가 발생할 수 있다는 것을 증명하였으며, 잔존물 특징으로부터 화재원인을 판정할 수 있다는 것을 확인하였다. 연구 결과가 콘센트 접속구의 발화 메커니즘을 이해하고 화재 감식기법으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
실험 결과로부터, 연선이 접속구에 불완전 접속될 경우, 과전류에 의한 과열과 직렬 아크에 의한 아산화동 증식으로 발열하여 화염이 발생하는 것을 확인하였다. 이에 따라, 전선 접속구에서 연선이 불완전 접속되면 화재 발생 가능성이 있는 것으로 확인되었다.
기초실험으로, 접속구에 접속되는 전선 가닥 수와 전류 량에 따른 발화 가능성, 발화 과정, 잔존물 특징을 살펴보았다. 접속되는 연선의 가닥 수가 감소할수록, 높은 전류가 흐를수록 접속구의 온도는 크게 상승하였다. 5가닥, 29 A를 인가하였을 때, 아크가 발생하며 화재로 진전되었다.
이는 국립과학수사연구원의 라마다 호텔의 감정 결과와도 일치한다. 즉, 접속구의 연선의 불완전 접속으로 인하여 발생한 아크 열은 콘센트 주변 부속품을 용융시킨다는 것이 입증되었다.
소락된 콘센트가 2차 점화원으로 작용할 수 있다는 점과 2차 단락에 의해 생긴 용융흔이 화재 점화원으로 오인될 소지가 있다는 것을 확인하였다. 콘센트 잔존물로부터 U-자 고정금구가 손상된 것을 확인하였으며, 기초실험과 유사한 결과가 도출되었다.
후속연구
하지만, 아직까지, 접속구에서 연선을 사용하였을 때, 나타나는 발화 현상과 잔존물의 특징을 구체적으로 연구하거나 분석한 사례가 없어 판단할 수 있는 정확한 근거가 없는 실정이다. 따라서, 콘센트 접속구에서 나타나는 발화 현상과 특징들을 알 수 있다면 좀 더 정확하게 화재 원인을 규명할 수 있을 것이다.
실험 결과로부터, 콘센트 접속구의 발화가 충분히 화재로 진전될 수 있다는 것이 증명되었다. 또한, 소락된 콘센트 주변에 가연물이 있다면 이차적인 발화원으로 작용할 수 있을 것으로 판단된다. 여기서 주의할 점은 확대된 화염으로 인해 전선에서 발생한 2차 단락이 화재의 원인으로 오인될 소지가 있다는 것이다.
이에 따라, 본 연구를 통해 연선을 사용한 전기배선이 콘센트에 불완전하게 접속될 경우, 화재가 발생할 수 있다는 것을 증명하였으며, 잔존물 특징으로부터 화재원인을 판정할 수 있다는 것을 확인하였다. 연구 결과가 콘센트 접속구의 발화 메커니즘을 이해하고 화재 감식기법으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
참고문헌 (11)
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Y. B. Lee, "Report of the Cause of Fire at Cheonan Ramada Encore Hotel", Fire No. 2019-11, Cheonan Seobuk Fire Station (2019).
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W. S. Kim, S. J. Park and D. H. Hwang, "The Heating of Cu-oxide and arc Prperties According to Electrical Poor Contact", Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 34, No. 3, pp. 15-20 (2019).
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