화재 확산방지를 위한 열 발포성 격벽이 설치된 케이블 트레이 시스템(Cable Tray System) 개발

(주)기술사사무소 금풍엔지니어링_이규복 대표 (02)2024-2711 / kumpoong@chol.com 개요 우리나라 화재사고 중 전력설비에서 발생하는 화재건수는 전체 화재사고의 약 34%를 차지한다. 이 중 전력 케이블 과부하나 누전 등으로 인해 발생하는 화재가 가장 빈번하며 전력공급 설비 및 건축물 소방방재 분야에서 많은 대책이 요구된다. 전기로 인한 화재발생 주원인을 분석해 보면 전선 케이블 합선 및 과부하로 인한 과전류, 전선의 눌림(압력)으로 인한 케이블 손상, 전선의 당김(장력)으로 인한 배선 누전 및 지락에 의한 과전류, 접촉 불량에 의한 스파크 및 아크발생 등이 있다. 전선에 화재가 발생하면 가연성 소재인 전선피복의 고분자 물질이 연소되면서 화염이 확산되고, 고열이 주변으로 전도되어 화재 확산을 가속화시키게 된다. 따라서 이러한 화재발생과 확산 메카니즘을 사전에 차단하여 화재로 인한 손실을 최소화할 수 있는 대비책을 강구해야 한다. 또한 화재는 인명피해는 물론 국가경제에도 손실을 가져온다. 특히 전기화재로 인한 재해는 개인과 산업체의 물질적 재산에 상당한 피해를 주며 국가경쟁력을 약화시키는 요인이 되기도 하므로, 근본적인 전기화재 확산방지 대책이 요구된다. 이에 최근 전기화재 확산방지 기능을 갖는 방화격벽이 장착된 케이블 트레이 시스템이 개발되었다. 본고에서는 이 개발 기술을 통해 전기화재의 현황과 그 방재대책을 위한 최적 방안 및 효과에 대해 설명하고자 한다. 전기화재 현황 1. 우리나라 전기화재 발생 추이 ‘행정자치부 화재 통계연보 2002’에 따르면, 1993년부터 2002년까지의 전기화재 발생 현황은 <그림 1>, <표 1>과 같다. 그림에서 발생건수는 1993년 7,153건과 비교하면 2002년에는 11,202건으로 약 1.6배 증가한 것을 알 수 있다. 또한 국내 총 화재 발생 중 전기로 인한 화재 발생 점유율은 1993년 38.2%, 2000년 33.9%, 2001년과 2002년 34.0%로, 대부분의 국내 총 화재 발생 중 30% 이상의 점유율을 차지하는 큰 원인이라는 것을 알 수 있다.

2. 화재사고 원인별 현황 2002년도에 발생한 전기로 인한 화재 점유율은 34.0%로 국내 총 화재 발생 중 가장 많았다. 그 화재원인을 분석해 보면 2002년 전기화재 총 발생 수 11,202건 중 합선이 8,743건으로, 전체의 약 78%를 차지하는 가장 큰 원인으로 나타났다. 그 외 전기화재 발생원인은 과부하 869건(약 7%), 접촉부 과열 183건(약 2%), 누전 522건(약 5%), 정전기 및 기타 885건(약 8%)이었다.(<표 2>, <그림 2>, <그림 3> 참조)

<표 3>은 1999년에서 2001년도에 걸쳐 발생한 전기로 인한 대표적인 피해 현황을 나타낸 표이다. 케이블 트레이 시스템 개발 위에 언급한 바와 같이, 전기화재로 인한 화재는 개인과 산업체의 물질적 재산에 상당한 피해를 주고 국가경쟁력을 약화시키는 요인이 되기도 하므로 근본적인 전기화재의 확산방지 대책이 요구된다. 이에 대한 대책으로 최근 전기화재 확산방지 기능을 갖는 ‘방화격벽이 장착된 케이블 트레이 시스템’이 개발되었다. 이 시스템은 소화 누출수 확산형 케이블 트레이 시스템으로, 케이블 트레이 하부 누수구 절곡 마감부를 하향화하고 중공부에 어긋나게 교체 배치하였다. 화재 시 상부 스프링클러 누출수가 상부 트레이를 통과하여 하부로 누수될 때 화재 부위로의 확산이 가능하도록 중공부를 격자형으로 설계한 것이다. (<그림 4> 참조)

또한 이 시스템에 열 발포성 내화재료 SSFP-201KST와 이 재료를 채용하여 개발한 차폐형 방화격벽을 이용하여 전기로 인한 화재 발생 시 화재 확산방지 효과를 한층 더 높였다. 1. 열 발포성 내화재료 (SSFP-201KST) 열 발포성 내화재료는 탄산칼륨, 암모늄 폴리포스페이트(축합인산염)와 같은 무기 난연 혼합물을 아미노계 혹은 셀룰로오스계 수지로 표면개질시킨 무기 발포제와 수용성 바인더, 유연제, 충진제 등을 이용하여 개발한 것이다(<표 4 > 참조). 이 내화재료는 고온에서 30배 이상 발포되어 표면에 다공성 탄화층을 형성시켜, 화재발생 시 불연성 탄화층에 의한 열차폐(Insulation) 효과로 열전도 및 확산을 방지한다. 또한 가연성 가스와 산소의 이동을 차단하여 주변으로 화염이 확산 전이되는 것을 방지하므로 전기화재 발생과 확산을 방지하는 기능이 우수하다. (1) 기존 재료와의 비교 기존 재료는 발포 배율이 10~20배 전후인 알루미늄 파우더계 분체물질이었다. 반면에 이 개발 재료는 방화격벽용 내화재료로 개발된 것으로 탄산염과 축합인산염 등을 아미노 및 셀룰로오스 수지로 표면개질시켜 무기 발포제를 제조하고 수용성 바인더, 유연제, 충진제를 사용하여 만든 것이다. 발포 배율이 30~50배 이상으로 발포되어 격벽 표면에 두꺼운 다공성 탄화층을 형성하므로, 열이나 가연성 가스를 차단하여 화염 확산을 방지할 수 있다. 또한 기존 재료는 탄화층의 강도부족으로 인해 탄화층이 쉽게 파손되어 가루가 날려 환경오염을 유발시킬 가능성이 많았는데, 개발 재료는 생성된 탄화층이 단단하므로 화재발생 시 가루날림으로 인한 주위 환경오염을 줄일 수 있다. (2) 제조 공정 개발된 내화재료의 제조 공정은 <그림 5>와 같다.

(3) 방화격벽 소재의 생산 공정 이 내화재료는 케이블 트레이 시스템의 방화격벽 소재로 쓰이는데, 그 방화격벽 소재의 생산 공정 과정은 <그림 6>과 같다.

2. 열 발포성 내화재료를 이용한 차폐형 방화격벽 고온 발포성 내화재료를 글라스화이버와 부직포 표면에 도포하고 화재확산 방화격벽 소재와 지지대를 결합하여, 전기에 의한 화재 발생 시 화염을 차단하는 기능을 지닌 차폐형 방화격벽을 개발하고, 이를 케이블 트레이 시스템에 채용하였다. (1) 특성과 기능 ① 다공선 탄화층에 의한 차폐(Insulation) 효과 화재 발생 시 방화격벽 표면이 30배 이상 팽창 발포되므로, 가연성 케이블의 표면을 차폐화시키며 화염의 확산을 차단시킨다.(<그림 8> 참조) (a) 화재 시 방화격벽이 30배 이상 발포탄화층 을 형성한 모습 (b) 실대물 시험 : 화재발생 시 화염차단 상태 (c) 실대물 시험 30분 후 시험체 상태 ② 격벽 재료의 흡열 및 에너지 커플링(Cupling)내화도료의 금속수산화물, 인산염 흡열 반응 과 증발잠열을 이용한 반응 열 흡수 기능이 탁월하다. ③ 산소 및 연소가스의 차단 효과화재 시 두꺼운 발포 탄화층(Char)을 형성시켜 가연성 촉진 물질인 탄화수소가스와 산소 전달을 차폐시켜 연속 연소반응을 차단한다. ④ 탄화 발포층 강도증가로 화재 시와 진화 시 원형 유지 및 날림 현상 감소 화재 후 단단한 다공성 탄화층 이 형성되어 탄화층 탄소분 날림현상이 감소되므로 주변 오염을 방지할 수 있다.(<그림 9> 참조) ⑤ 유연한 방화격벽 구조로 케이블 규격에 관계없이 설치 가능 유연한 판형 방화격벽으로 다양한 크기의 케이블 설치가 가능하며, 케이블 다층 상태에서도 간편하게 설치할 수 있다.

(2) 케이블 트레이용 방화격벽 구조 케이블 트레이를 구성하는 방화격벽은 상부 지지틀과 하부 격벽을 결합하는 볼트와 상부 지지틀, 두께 3㎜ 하부 격벽(표면개질시킨 복합 유기물로 이루어진 복합판)으로 구성된다. (3) 열 발포성 격벽이 장착된 케이블 트레이 시스템 제조 공정 열 발포성 내화재료로 만들어진 방화격벽이 장착된 케이블 트레이 시스템의 제조 공정은 <그림 11>과 같다.

3. 기존 제품과의 비교 기존 케이블 트레이 시스템에는 화재 발생 시 화재를 차단할 수 있는 장치가 없어 케이블 트레이 내에 있는 다량의 전선에 연쇄적으로 화염이 전이되었다. 반면에 이 ‘화재 확산방지를 위한 열 발포성 격벽이 장착된 케이블 트레이 시스템’은 탄산칼륨, 올리고머형 축합 인산염인 암모늄 폴리포스테이트, 수용성 바인더를 이용하여 개발한 ‘열 발포성 내화재료’와, 이 내화재료를 부직포와 글라스화이버에 균일하게 도포하여 개발한 ‘고온 열 발포성 방화격벽’으로 만든 것이다. 따라서 이 시스템은 화재 발생 시 화염의 이동을 차단하는 기능이 탁월하다. 또한 상하층 케이블 트레이 바닥면에 중공부를 어긋나게 배치하는 구조를 채용함으로써 소화수의 하부 누출량을 증가시켜 화재 진화 효과를 극대화시켰다. (1) 핵심 기술 비교 <표 5>는 기존 제품과 개발 제품의 핵심기술을 비교한 것이다. (2) 성능 비교 <표 6>에는 2007년 9월 1일에서 15일에 걸쳐 실시한 공장실사단 시료 채취 시험을 방재시험연구원에 의뢰한 결과를 나타내었다. 한편 30분 동안 화재 시 화염이 방화격벽을 통과하여 반대편 구역으로 화재가 전이되는지를 알아보는 발화전이 시험에서, 기존 제품은 유독가스가 극심하게 발생하면서 화재 20분 후 화재가 전이된 데 반해, 개발 제품은 유독성 가스 또한 거의 나오지 않았으며 화재 30분까지도 전이되지 않았다.(<그림 12> 참조)

마무리 우리나라의 전기화재로 인한 연간 인명피해와 재산상의 피해는 막대하다. 국내 총 화재발생 사건 중 전기로 인한 화재발생 비율은 34%이며, 그 중 전기합선과 같은 누전으로 인한 화재는 76%나 된다는 통계는 우리의 전력관련 설비와 기술이 낙후되어 있다는 사실을 입증한다. 이것은 전력 케이블 방염화의 필요성을 보여주는 것으로, 특히 산업체나 주요 기간 시설물이 전기화재로 인해 피해를 입게 되면 국가경제에 큰 손실을 가져올 수 있으므로 이를 방지하기 위한 방안의 하나로 전선 및 전력 케이블 트레이의 방염화가 필요하다는 것을 말해준다. 그러나 현재 우리나라 전력시설물에 대한 지하공동구 내 케이블 소방방재 측면에서의 관리규정이나 법규 그리고 방재 기술은 대단히 취약한 편이다. 따라서 전력 시설물의 소방방재를 위한 대책과 방안이 절실하게 필요한 이 시점에서 ‘고온 열 발포성 방화격벽이 부착된 케이블 트레이’의 개발은 그만큼 의미가 크다고 하겠다. 또한 이 개발 기술은 향후 소방방재산업 분야의 선진화와 전력설비용 케이블 트레이의 케이블 화재 확산방지에 도움이 될 것으로 전망한다.