[논문]산불 모의 실증 시험 설비 구축

이원교; 최인혁; 이상윤; 노희원

문제 정의

8H [m]로 선정하여 시료인 애자, 전선, 금구류 등을 충분히 설치할 수 있는 크기로 버너에서 나오는 화염의 바로 위에 위치하고, 화염주위에 내화벽돌을 쌓아 화염의 열기가 유효존에 직접적으로 전달되어 1,200℃의 고온 상승을 가능하다. 또한 화염의 열기가 주위 부속 장비에 미치는 것을 예방하며 혹시 발생될 수 있는 안전사고도 미연에 방지할 수 있도록 하였다.
산불시 섬락, 단선 등 고장원인의 규명 및 계통운용 대책에 대한 연구 및 산불 발생 후 주요 송전설비의 열화특성 및 교체기준에 대한 연구실적도 부족하여 이에 대한 대책도 시급하다. 이에 산불 발생시 송전선로에 미치는 영향 및 특성 연구를 위해 산불의 특성을 살펴보고 특성을 모의하여 시험 할 수 있는 산불 모의 실증 시험 설비를 구축에 대해 설명한다.

제안 방법

이 설비는 연소의 3대 요소의 하나인 산소의 공급을 차단하여 소화하는 것으로 CO₂ 저장용기, 화재감지장치, 기동장치, 분사헤드, 제어반 등으로 구성되어있다. CO₂ 자체는 무독성이지만 방사 후의 산소농도가 14 ~ 16% 까지 저하되기 때문에 질식위험이 있기 때문에 CO₂ 소화설비의 기동장치는 수동식으로 설치하였다. 분사헤드는 관로 내의 액화탄산가스를 기화시켜 방출하는 부분으로서 분사구와 혼(Horn)으로 조합되어 있으며 70 ∼ 110˚의 각도로 확산이 가능한 나팔형을 채택하며 Enclosure 내부에 설치하였다.
시험용 고온 노의 경우 일반적으로 전기히터를 사용하여 고온을 재현하나 이는 산소가 연소되는 것이 아니므로 실제 산불과는 특성이 전혀 다르며 또한 연소가스도 발생되지 않는다. 그러므로 산불환경을 Simulation하기 위해 Enclosure안에 실제 화염을 일으키는 버너를 장착하였으며, Enclosure 크기가 5Wx 4.5Dx 4.9H[m]이므로 내부체적이 매우 크기 때문에 Enclosure 내부 전체를 1,200℃로 유지하기란 많은 양의 연료와 시간이 낭비되며 모든 부분을 1,200℃에 견디는 재질로 제작을 하여야 하므로 막대한 비용과 제작이 어려워 Enclosure 내부에 시료가 설치될 공간을 Control Zone(유효 존)으로 선정하여 고온으로 유지, 조절할 수 있도록 제작하였다. 크기는 2W x 0.
인장 시험은 가공 송전선로 지지 물중 가장 큰 하중을 담당하고 있는 애자의 기준으로 최대 30ton으로 설정하여 765kV용 400kN 내장 애자(약 20Ton) 까지 인장내하중 시험이 가능하다. 그밖에 분당 최대 5리터까지 분사 가능한 살수 시험장치도 구비하여 다양한 복합 시험이 가능하도록 하였으며, PC 중앙제어로 제어 요소들의 설정값과 측정값이 실시간으로 표시되며 단독실험 및 연동 실험이 가능하도록 설계하였다.
또한 풍속실험은 실제 산불이 발생한 설악산에서의 상향사면 연소속도 6.7m/min∼25.7m/min과 청양 예산에서 발생된 산불의 연소진행속도 75m/min의 측정 결과를 고려하여 충분한 풍속시험을 할 수 있도록 20m/sec로 설정하였다.
산불실증모의설비는 송전선로 및 전력설비의 산불영향 시험평가(화염, 염무, 오손, 섬락, 트립)와 산불에 의한 사고원인 규명 및 산불노출 송전설비의 열화평가를 위해 주요 송전설비인 송전선 및 애자 절연물에 미치는 산불영향을 검토하여 실증시험이 가능한 모의조건을 검토하였다. 이에 따라 Enclosure 내부에 시료인 애자, 전선, 금구류 등을 충분히 설치할 수 있는 크기의 유효 존을 선정하여 버너에서 나오는 화염의 바로 위에 위치하도록 하였다.
살수장치는 분사펌프, 분사노즐 및 용수탱크 등으로 구성되며, 분사 방식은 살수량을 설정하면 시료 상단에 설치될 노즐에서 설정 량의 물이 분사되는 구조이다. 살수장치의 노즐과 파이프는 유효 존 바로 상단에 설치되므로 고온에 대한 내구성이 요구됨에 따라 노즐과 파이프는 인코넬로 제작하였다.
실제 산불에서 발생하는 화염을 모의하기 위해 실증 모의 설비의 시험온도 및 가열시간을 고려하여 산불 모의 실증 시험 설비의 기본 설계를 표 1과 같이 설계하였다.
이에 따라 Enclosure 내부에 시료인 애자, 전선, 금구류 등을 충분히 설치할 수 있는 크기의 유효 존을 선정하여 버너에서 나오는 화염의 바로 위에 위치하도록 하였다. 온도 시험은 국내 산불 특성을 고려하여 산불 모의 온도는 화염 중심부 주변 연기 최고 상승온도보다 20%의 가혹한 조건을 설정하여, 실제 모의시험에서는 주로 600~630℃가 되도록 불꽃 온도를 제어 할 수 있도록 했고, 최대 1,200℃까지 상승 할 수 있도록 설계 하였다. 또한 풍속실험은 실제 산불이 발생한 설악산에서의 상향사면 연소속도 6.
Turbo Fan은 날개(Blade)의 끝 부분이 회전방향의 뒤쪽으로 굽은 후곡형으로 효율이 높고(최대 80%) 고속에서도 비교적 정숙한 운전을 할 수 있어서 이 산불실증모의설비에 사용될 풍속재현장치의 외함과 Blade는 Enclosure 내부에 설치되고, Fan Motor는 Enclosure 외부에 설치된다. 외함과 Blade는 Inconel로 제작하여 1,100℃ 이상의 고온에서도 내구성에 문제가 없도록 하였다. 베어링의 구리스 급유 라인과 피팅이 외함 밖에 설치되어 있어 편리하게 구리스 급유가 가능하여 유지보수가 용이하다.
산불실증모의설비는 송전선로 및 전력설비의 산불영향 시험평가(화염, 염무, 오손, 섬락, 트립)와 산불에 의한 사고원인 규명 및 산불노출 송전설비의 열화평가를 위해 주요 송전설비인 송전선 및 애자 절연물에 미치는 산불영향을 검토하여 실증시험이 가능한 모의조건을 검토하였다. 이에 따라 Enclosure 내부에 시료인 애자, 전선, 금구류 등을 충분히 설치할 수 있는 크기의 유효 존을 선정하여 버너에서 나오는 화염의 바로 위에 위치하도록 하였다. 온도 시험은 국내 산불 특성을 고려하여 산불 모의 온도는 화염 중심부 주변 연기 최고 상승온도보다 20%의 가혹한 조건을 설정하여, 실제 모의시험에서는 주로 600~630℃가 되도록 불꽃 온도를 제어 할 수 있도록 했고, 최대 1,200℃까지 상승 할 수 있도록 설계 하였다.

대상 데이터

구축된 산불모의실증시험설비는 기계식 송풍기 일체형으로 최대 열량 240만 Kcal/Hr의 디젤버너가 선정되었고, 국내에 가장 많이 공급되어 있는 ㈜수국사의 국산 제품을 채택하여 Spare Part를 Stock 할 필요가 없도록 하였다. 이 버너는 플렌지형 버너로서 설치가 간편하며, Enclosure 외부에 설치되므로 유지보수를 위한 접근이 용이하고, 총 노즐이 3개 장착되어 있으며, 컴팩트한 본체임에도 고풍량을 얻을 수 있으며 완전연소를 보장하며 강압연소에 적합하다.
산불실증모의설비의 외함인 Enclosure는 지지용 골조인 H와 I Beam, 인슐레이티드 판넬(Insulated Panel)과 내화벽돌의 이중 구조로 제작되었다. Enclosure는 시료 설치 및 섬락 시험용 대형도어 그리고 Enclosure 본체의 하중을 지지하는 바닥(Floor) 그리고 실험자가 Enclosure 내부 출입을 용이하게 하기 위한 인원출입문(PERSONAL DOOR)으로 구성되고, Enclosure는 내부온도가 최저 20℃(상온), 최고+1,200℃로 1,180℃의 온도차이와 최저 20℃에서 최고 +1,200℃ 까지 1시간 이내의 급격한 온도변화가 발생되므로 철저한 단열과 밀폐된다.

성능/효과

온도 세기는 연료 형태 및 화염 전방 과 후미에 따라 각기 다른 온도 세기를 나타내는데 실측과 계산결과를 검토하고, 국내 산림 조건과 지상고를 고려하여 2~6[m]의 지면 이격거리를 유지하는 경우 200~600℃범위의 온도에 노출될 가능성이 있다. 또한 온도-시간특성은 3.5~6m 이격 거리를 고려할 때 최대 화염온도에 이르는 rising time은 약 60초, falling time은 약 300초 정도이며, 온도지속특성은 60초 이후 200초까지로 나타난다. 또한 바람에 의해 가장 영향을 많이 받는 산불 화염의 온도분포는 바람의 속도가 빨라짐에 따라 화염의 높이와 온도 분포비가 낮아지고 바람의 진행 방향으로의 산불의 분포비율이 커지게 되는데 초속 1~3m 일 때를 고려하면 대략 100～300℃범위의 온도분포를 갖게 된다.
우리나라에서 발생되는 산불의 특징을 살펴보면 크게 세 가지로 나누어 볼 수 있다. 첫째, 자연환경적인 요인으로 산림을 구성하는 수목 가운데 불에 타기 쉬운 침엽수가 42%를 차지하고 있고, 지표면에 가연성 낙엽이 많이 쌓여 있어 산불의 확산속도가 빠르다. 둘째는 지형적인 요인으로 야산의 밀집과 굴곡이 심하여 산불의 진행속도를 빠르게 하며, 세 번째인 기후 조건 역시 대륙기후의 영향으로 산불발생의 위험도가 높은 실정이다.

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