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문제 정의
- 분전반 분기의 과부하 사용, 접촉불량, 단락, 전류 불평형 등에 의해 분전반 내부에 화재가 발생하였을 경우 화재로 인해 생성되는 열과 연기의 검출을 통해서 화재를 사전에 예지할 수 있도록 센서의 선택과 위치 등을 설정하기 위해서 그림 6과 같이 분전반 내부에서 화재 발생 시각 위치에서의 시간에 따른 온도변화와 매연(soot)의 농도변화를 예측하기 위하여 분전반 천장과 바닥면, 분전반 중앙 부분에 각각 3개의 지점에 위치시켰다. 또한 같은 지점에 모델화된 열 감지기와 연기 감지기를 위치시켜 화재 발생 시 적절한 감지기 위치를 찾고자 한다. 열 감지기의 경우 화재시 74 ℃이상의 온도에서 감지기 몸체가 변형되어 화재에 반응하도록 하였으며, 기류온도에 대한 감열체의 시간지연을 의미하는 반응시간지수가 발생하게 된다.
- 본 논문에서는 분전반 내부에서 화재가 발생할 경우 화재 발생의 징후를 사전에 감지하고 관리하기 위한 센서의 종류 선택과 센서의 부착 위치 등을 파악하기 위하여 화재발생시 분전반 내부에서 화염의 전파와 발생하는 CO의 농도, 온도분포 등에 대해 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 수행결과 분전반 내부에서 화재 발생시 연기의 경우 5초 이내에 상부도착, 10초 경과 후 CO 농도가 100ppm을 초과하는 것으로 나타났으며 CO의 경우 내부온도상승보다 빠르게 증가하는 것으로 나타나 분전반 내부에서 발생하는 화재의 징후인 가스검출 즉 CO를 사전에 검출하여 감시하고 관리하면 분전반이나 배전반과 같은 공간에서 발생할 수 있는 전기화재를 사전에 예방이 가능할 것으로 판단되며, 시뮬레이션 결과를 바탕으로 지능형 분전반 및 전기안전 관리시스템의 전기화재 예방기술에 활용할 예정이다.
- 방출되는 에너지는 적외선, 자외선, 열에너지로 구분할 수 있다. 분전반 내부에서 화재가 발생하였을 경우 화염의 전파 특성, 연기의 진행 방향, CO가스농도의 위치, 내부 온도분포 등을 통해 전기화재의 사전예방과 화재대응 운영시스템 등에 활용하고자 시뮬레이션을 수행하였다.
가설 설정
- 일반적으로 복합물질에 대해서 A와 E 값을 직접 적용할 수 없는 경우 FDS 모델에서는 기준 온도(reference temperature)에 대한 기준 반응율(reference reaction rate)을 이용하여 A와 E값을 산정하게 된다. 기준 온도는 케이블의 가연 피복 재료를 폴리에틸렌(PE)으로 가정하여 PE의 열분해 온도로써 411℃를 적용하였다. 열해리 과정을 통해 생성된 연료증기(에틸렌)의 연소반응은 2변수 혼합분율 모델을 사용하였으며 에틸렌의 연기생성율(soot yield rate)과 일산화탄소 생성율(CO yield rate)은 각각 0.
- 열 순환 과정에 의한 고체가연물의 연소율은 5～50 g/㎡s 정도로 알려져 있고 보통 연소율이 5 g/㎡s 이하에서는 화염이 전파되지 못하고 소화되는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 각 격자에서 연소율이 5 g/㎡s 이상이 되는 위치에서 화염전파가 이루어지는 것으로 가정하여 화염전파속도를 산정하였다. 일반적으로 PE/PVC 케이블에 대한 화염선단의 전파속도는 외부유동 조건이 없는 경우 약 1 mm/s의 크기 정도를 가지는 것으로 알려져 있다.
- FDS 버전 5는 기존 버전에 비해 CO 생성과 국부적인 화염소화를 해석하는 다단계 연소모델을 적용하였으며 고체의 경계를 다중층(multi-layer)으로 설정하여 열전달의 계산이나 고체표면에서의 열해리(pyrolysis)등을 해석하는데 보다 발전적인 모델을 제공하고 있다. 본 연구에서는 단일 물질에 대하여 일 단계 반응을 고려하였으며 고체 가연물은 열해리에 의해 모두 연료증기로 변환되고 수증기나 잔존물은 생성되지 않는 것으로 가정한다. 각 시간 스텝에서의 반응율(r)은 아래와 같이 단순화된다.
- 케이블의 내부 도선의 물성은 구리로 가정하였으며 외부 피복 재료는 폴리에틸렌으로 가정하였다. 전체 해석공간은 케이블의 중앙 면에 대하여 대칭으로 가정하였으며 대칭면을 제외한 나머지 면은 외기에 개방된 것으로 가정하였다. 가열표면에서 방출되는 열유속은 200 kW/m2이며 크기는 폭 2cm 높이 4cm로써 케이블에서 1cm 떨어진 곳에 위치한다.
- FDS 모델의 화염전파 특성을 평가하기 위하여 그림 1에서 보는바와 같이 길이 20cm, 폭 4cm, 높이 12cm의 공간 내에 유효직경이 2cm인 케이블을 따라 복사 가열체에 의한 점화에서부터 화염전파과정을 분석하였다. 케이블의 내부 도선의 물성은 구리로 가정하였으며 외부 피복 재료는 폴리에틸렌으로 가정하였다. 전체 해석공간은 케이블의 중앙 면에 대하여 대칭으로 가정하였으며 대칭면을 제외한 나머지 면은 외기에 개방된 것으로 가정하였다.
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