 전기화재의 주요 발생원인 분석 및 사전 예방 환경 구축 방안
2018년 소방청의 화재 통계에 따르면, 전체 화재(42,337건) 가운데 전기적 요인에 의한 건이 24.7%(10,470건)에 이른다. 전기화재는 부주의에 의한 화재(48.1%) 다음으로 큰 비중을 차지했다. 특히, 산업시설의 화재는 대부분 전기적 요인에 의한 것이고, 감시자의 시선이 없는 심야에 발생하는 특징이 있다. 전기적 요인에 의한 화재를 예방하기 위해 그 원인인 온도나 가스, 연기, 불꽃 등을 감시하는 검출센서를 설치하거나 그 징후를 판단하고 단계별로 경고하는 인공지능이 개발되고 있다. 이번 호에서는 에너지 관리 및 자동화 분야의 디지털 혁신을 선도하고 있는 글로벌 기업 슈나이더일렉트릭(Schneider Electric)의 송인권 팀장의 글로 전기화재 예방 방안에 대해 알아보았다. <편집부>
글 송인권 Offer Marketing 팀장(Power Products, Home & Distribution, Schneider Electric)
전기 화재(Electrical Fires)의 발생
건물 전기는 화재의 일반적인 원인이며, 절연체로 인한 화재 및 느슨해진 접속부를 포함한 모든 위험이 과전류 보호를 통해 해결될 수 있는 것은 아니다. 전기 화재가 초래할 수 있는 영향에 대해 간략하게 살펴보면 다음과 같다.
○ 국제 화재 및 구조 서비스 협회(International Association of Fire and Rescue Services, CTIF)에 따르면 소방관 투입이 필요한 전 세계 화재의 35%가 빌딩에서 발생한 것으로 나타났다.
○ 유럽 화재소방 학회(European Fire Academy, EFA)와 같은 조직과 빌딩 피해를 측정하는 재산 손해 보험 회사는 빌딩 화재 원인의 25%가 전기라고 밝혔다.
○ AXA 보험회사(AXA Insurance)는 화재를 경험한 모든 조직 중 절반이 향후 5년 이내에 폐업 위기에 처하게 됐다.
○ 미국 소방청(U.S. Fire Association, USFA)에 따르면 비거주 빌딩 화재 약 10%의 직접적인 원인이 전기인 것으로 나타났다(교육 관련 시설 15%, 소매업 또는 사무실 19%, 기간 산업 시설 16.5%). 이는 산업 부문의 화재 원인인 과열된 전기 부하를 포함하는 경우 30%까지 높아진다.
○ 독일 보험 협회(German Insurance Association)에 따르면 독일에서 발생한 화재 31.7%의 원인이 전기인 것으로 나타났다.
○ 인도의 경우 산업 재해의 56%가 전기 고장으로 인해 발생했다.
전기 화재는 비즈니스 연속성 저해는 물론, 비즈니스 기회비용, 자산, 생산 비용 손실을 초래하며 막대한 손실을 입힐 수 있다. 결과적으로 화재 사고의 막대한 손실 규모로 인해 조직이 존폐 위기에 처할 수도 있다는 사실이 여러 조사 결과를 통해 나타나고 있다.
전기 설계가 IEC 표준 및 국가 규정을 포함한 요구사항을 충족하고, 규정을 준수하는 장비를 설치하는 경우, 전기기기의 과전류, 과전압, 과열로 인한 전기 화재 위험이 크게 감소한다. 하지만 전기 설비는 더위 및 습도와 같은 환경적인 요인으로 인해 시간이 지나면서 성능이 저하되는 경우가 많다. 또한 사용 중에, 또는 부식성 화학 반응의 결과로 인해 설비가 손상될 수 있다.
과전류 보호 한계 이하로 내려가는 전기 전류로 인한 화재 위험에 대해 살펴보고, 신규 설비 및 기존 설비에 대한 위험 요소에 대비할 수 있는 방법을 배전반, 전원 및 분기 회로, 말단 분전 및 회로의 각 영역별로 살펴보고, 문제를 사전에 해결할 수 있는 방법을 확인해 보자.
1. 저압 주 배전반, 분전반, 제어 배전반
1-1 IEC 61439 표준에 따라 장비 및 배전반을 설계해야 하는 이유
저압(LV) 주 배전반 및 분전반에서 발견할 수 있는 화재 위험의 특성으로는 정상적인 작동에서의 높은 강도, 높은 단락 전류, 온도 상승 문제를 일으키는 일부 격실 내 부스바, 전원 연결 문제, 내부 아크 사고 가능성을 들 수 있다. 이는 화재 위험을 저감하기 위해서 가장 우선적으로 고려해야 할 항목 중 하나이다.
수많은 접속, 스위치 및 특히 인버터, 보조 전원 공급 장치 및 변압기가 갖춰진 기계 제어 판넬도 전기 화재 위험을 완화할 수 있도록 신중하게 설계, 제작되어야 한다.
IEC 61439 표준에 따라 장비 및 배전반을 설계하면 적절한 IP 보호 등급이 보장되고 절연 고장 또는 과도한 온도 상승으로 인한 화재 위험을 크게 줄일 수 있다. IEC 61439 표준은 모든 측면을 준수하는 ‘시스템’ 설계, 배전반과 장비 간의 상호작용 및 일관성 확인, 전기적/기계적/구조적 위험 요소 차단, 시스템 유지보수와 시스템 업그레이드 주기 간소화 등을 포함해 광범위한 요구 사항을 규정하고 있다.
이러한 요구사항 외에도 내부 아크 폴트 작용은 내부 고장으로 인한 아크 조건하에서 테스트하기 위해 IEC/TR 61641 가이드에 따라 평가가 가능하다. 기계 내 전기 장비용 제어 판넬 및 기타 외함은 IEC 60204 를 준수해야 한다. 이 표준에서는 단락 발생 시의 동작과 모터의 열 동작 과부하 보호 등을 다루고 있다.
1-2 전원 연결 문제
저압 장비에서 발생하는 전기 화재의 주요 원인 중 하나는 케이블, 부스바, 차단기의 잘못된 전원 연결이며, 특히 현장에서 연결 작업이 완료될 때 그러한 위험이 커진다. 잘못된 전원 연결은 전기 접촉 저항의 증가로 이어질 수 있으며, 이는 열 폭주를 초래하게 된다.
1) 부스바 배전 시스템
배전반 또는 제어 판넬을 위한 광범위한 연결 및 배전 시스템을 선택할 때는 차단기, 모터 스타터 등을 비롯한 관련 개폐 장치 및 보호 장치와 함께 작동하도록 설계되고 테스트된, 장치 피더, 전원 부스바, 배전 블록이 포함되어 있는지 확인해 보는 것이 좋다. 이와 같은 다양한 액세서리는 배선을 간소화하고 배전반 내의 전원 연결 안정성을 개선하는 데 도움이 되기 때문이다.
2) 안전한 전원 접속
또한 안전한 전원 접속을 위해서는 크리프(creep) 변형으로 인한 느슨함을 방지하는 기술을 고려해 볼 필요가 있다. 이러한 기술은 열팽창, 크리프, 외부 진동으로 인해 느슨함이 발생할 경우 케이블에 스프링 압력 비축을 추가함으로써 기존의 볼트를 이용한 전원 연결보다 훨씬 안정적인 연결을 제공하기 때문에 전원 연결로 인한 화재 사고를 미연에 방지할 수 있도록 해준다. 또한 이러한 압력 비축은 접촉 저항을 낮춰 다양한 운영 환경에서 연결을 유지시켜주므로 온도 상승을 낮추며 화재로 이어질 가능성이 있는 열 폭주의 위험은 물론, 단락 시 케이블이 전원 연결부에서 빠져나갈 위험도 줄여준다.
3) 실시간 열 모니터링
실시간 열 모니터링(Thermal monitoring)은 전기 화재 방지 메카니즘에 빠질 수 없는 핵심 요소이다. 부스바, 케이블, 변압기, 인출형 차단기 연결부의 온도를 모니터링하고, 장비 고장을 일으키기 전에 정상적인 작동 조건에서 온도차를 감지해 잘못된 연결을 조기에 감지한다. 또한 비정상적으로 온도가 상승할 경우 사전 경고 및 경고 전송하고, 전기 설비의 열 상태에 대한 간편한 보고를 통해 더욱 신속한 대응이 가능해진다.
2. 전원 및 분기 회로
2-1 도체 절연 고장
저강도 아크 폴트(Arc Faults)는 습하고 먼지가 많은 환경에서 실질적인 위험이 된다. 잔류 전류 장치를 통해 이러한 아크 고장이 위험한 수준에 이르기 전에 위험 요소를 감지할 수 있는 환경을 구축해야 하는 이유가 여기에 있다. 예를 들어 먼지가 많고 습한 환경에서 선도체와 접지 간의 절연 고장은 선도체 내력에 따라 강도가 낮은 아크 고장으로 이어질 수 있으며, 화재를 일으킬 수 있을 만큼 매우 위험성이 크다. 일부 테스트에서는 300 ㎃의 낮은 고장 전류조차도 실제 화재 위험을 일으킬 수 있는 것으로 밝혀진 바 있다.
오염되고 축축한 절연 표면은 소량의 방전을 일으킬 수 있고 이로 인해 전도성을 높이는 탄소 침착물이 생길 수 있다. 누설 전류가 300 ㎃를 초과하면 탄소 침착물 및 절연체가 빠르게 발화되어 화재를 일으킬 수 있다. 잔류 전류 장치(RCD)는 300 ㎃ 미만의 누설 전류를 감지하므로 이러한 위험 요소를 방지하는 데 효과적이다.
2-2 절연 결함 방지
저전압 설비에서 대부분의 전기 단락은 선도체와 접지 간의 절연 고장이다. 감전을 방지하는 보호 조치는 위험할 수 있는 선도체와 접근 가능한 전도성 부품 간에 고장이 발생할 경우 자동으로 공급을 차단한다. 하지만 케이블 과전류 보호 임계값보다 진폭이 낮고 간접 접촉 위험이 없는 접지와 선도체 간 고장이 발생할 수 있다.
1) 잔류 전류 장치(누전차단기)로 보호 -RCD(TT, TN-S, IT)
IEC 60364 표준은 절연 고장으로 발생하는 누설 전류로 인한 발화를 방지하기 위해 300 ㎃ 미만의 감도를 가진 잔류 전류 장치(RCD, 누전차단기)의 사용에 대해 규정하고 있다. 이는 아래와 같은 경우에 필수적으로 고려해야 한다.
○ 먼지가 많은 창고, 목공소, 제지 공장 등, 보관하거나 가공된 재료의 특성으로 인해 특정한 화재 위험이 있는 장소(IEC 60364-4-42 2010 422.3)
○ 농업 및 원예 관련 건물(IEC 60364-7-705 2006 411 및 422)
○ 특히, TN-C 시스템은 이러한 분야에 허용되지 않음  [그림 1] 300 ㎃ 감도를 가진 잔류 전류 장치의 반응 시간은 누설 잔류 전류로 인해 발생하는 화재를 효과적으로 방지하는 것으로 알려져 있다. [그림 2] 과전류 보호 곡선 및 누설 전류
2) 지락고장 보호장치 -GFD (TN 시스템)
TN-S 시스템에서 특히 케이블이 금속 덕트내에 설치된 경우, RCD보다 덜 민감하지만 단락 전류보다 더 민감한 절연 고장 보호 방식은 화재 방지를 위한 효과적인 절충안을 제공한다. 이 지락고장 보호는 차단기 안에 내장된 RCD를 적용할 수 없다고 요구되어지는 곳에서 중성선이 분리되지 않는 TN-S(3극 차단기 및 외부 중성선 CT)에서도 사용할 수 있다. TN-C시스템에서는 선도체와 PEN에 설치한 변류기에 의해 지락 전류가 상시적으로 부적합하게 계측되거나 원치 않는 트립을 초래하게 되므로 잔류 전류 장치 (RCD, 누전차단기)는 사용될 수 없다. 따라서 차단기의 정격과 동일한 트리핑 값을 가진 누전 보호가 권장된다. 북미에서는 이러한 보호가 일반적으로 사용되고 있으며 이를 ‘지락고장 보호’(ground fault protection)라고도 한다. 다른 유형의 접지 고장 보호(GFP)로는 아래와 같이 다양한 타입의 GFP를 설치된 측정 장치에 따라 사용할 수 있다.
○ SGR(Source Ground Return): 절연 고장 전류는 MV/LV 변압기의 접지된 중성선에서 측정된다. CT는 고장 차단기 외부에 있다.
○ RS(Residual Sensing): 절연 고장 전류는 상 CT와 중성선 CT의 벡터합을 이용하여 계산된다. N상 도체의 CT는 차단기 외부에 있을 수 있다.
지락고장보호는 차단기에 포함될 수 있거나 독립형 계전기에 의해 수행될 수 있다. 모든 경우 GFP에 의해 작동되는 장치는 단독으로 또는 다른 과전류 보호 장치와 함께 협조하여 설치 지점에서 최대 고장 전류를 차단할 수 있어야 한다.
3) 절연 감시 장치를 통한 보호
IT 시스템의 가장 큰 장점은 1차 절연 고장이 발생할 때 서비스의 연속성과 감전 방지가 보장된다는 것이다. 하지만 이러한 고장으로 인해 시스템은 더 이상 격리되지 않고 TN 시스템으로 동작한다. 따라서 IT 시스템의 가장 큰 장점을 유지하고 관리하려면 절연 감시 장치가 반드시 필요하다. 절연 고장이 있을 경우 알람이 출력되므로 유지보수 직원은 신속하게 문제를 해결하고 시스템을 정상적인 배전 상태로 되돌릴 수 있다. 절연 감시 장치(IMD)는 다음 기능을 수행한다.
○ 시스템의 절연 저항 및 누설 커패시턴스의 상시적인 측정
○ 시스템의 절연 저항이 설정 임계값 아래로 떨어지기 시작할 경우 예방 알람
2-3 누전 감시
보호 시스템의 감도를 높이면 화재 위험이 감소될 수는 있지만, 실제 고장이 아닌 장애로 인한 예기치 않은 트리핑 위험이 증가할 수 있는 것이 문제이다. 감도와 서비스 연속성 간의 균형을 맞추기 어려운 경우 트리핑 없는 누전 감시에 도움이 된다. 중국을 비롯한 일부 국가에서는 누전 감시를 화재 감지 및 알람 시스템으로 활용하고 있다. 누전 감시 및 알람을 통해 절연 열화를 조기에 감지하고 비정상적인 누설 전류를 확인할 수 있다.
2-4 도체 크기 선정
전기 설계자는 도체로 인해 야기될 수 있는 전기 화재 위험을 방지하는데 부스덕트를 활용하는 방안을 고려할 수 있다.
1) 도체 크기 선정 및 보호
도체의 크기를 선정하고 적절한 과전류 보호를 선택하는 것은 설비 설계의 핵심 단계이다. 크기가 작은 케이블은 단락 시 과열 및 기계적 응력을 발생시킬 수 있다. 먼저 절연 파괴를 초래하고, 그 다음에는 케이블 연결을 손상시킬 수 있다. 3차 고조파 및 3의 배수가 전류에 존재할 때 중성선 크기 선정에 특별한 주의가 필요하다. 중성 도체의 보호는 케이블이 지나지게 커지는 것을 방지하기 위해 필요하다.
2) 부스덕트와 케이블의 차이점
설치시 케이블로 인해 여러 가지 문제가 발생할 수 있다. 그중에서도 배전반에서 여러 케이블을 단말처리해야 하는 문제가 있다. 케이블 인입 구멍은 현장에서 뚫어야 하는데 이러한 구멍을 정확하게 배치하고 파편이 전기 연결부에 떨어져 단락을 일으킬 위험을 방지하기 위해서는 특별한 주의가 필요하다. 또한 회로 보호 도체뿐만 아니라 설치 시 케이블을 받치기 위해 케이블 트레이도 설치해야 한다. 케이블은 배전반 안에 올바르게 정리하고 종단해야 한다. 이러한 모든 작업에는 절연 손상, 코어 자체 손상, 화재 위험을 증가시키는 잘못된 단말처리에 대한 위험이 내포되어 있다. 그에 반해 부스덕트는 훨씬 더 간단하다.
큰 전류의 경우, 여러 케이블을 병렬로 연결하면 전류가 균등하지 않게 분배되고 비정상적인 온도 상승 위험으로 이어질 수 있다. 설치 표준 IEC 60364의 5.523.6장에서는 4개조를 초과하는 병렬 케이블의 경우 부스바 트렁킹 시스템(부스덕트)을 사용하도록 권장하고 있으며, 프랑스에서는 UTE C 15-105의 B.6.2장에 따라 이는 필수 사항이다.
부스덕트의 또 따른 주요 이점은 분전 박스 대신에 탭오프 장치를 사용하는 것이다. 여기에는 보호 장치가 포함되어 있어서 부스덕트가 빌딩의 다른 하위 회로로 전원을 공급할 수 있다. 그리고 모듈형 차단기 및 배선용 차단기를 포함하여 다양한 보호 장치를 이용할 수 있다. 정격 성능은 구현에 관계없이 표준을 준수하며, 탭오프 장치는 원활하게 설치되고 시간이 지남에 따라 높은 접촉 품질을 제공한다.
도체의 기계적 보호는 설치류, 수분, 오염 물질 등과 같은 외부 요인으로 인한 절연 고장 위험을 현저히 감소시켜 준다. 앞서 언급한 IEC 60364-4-42 2010 422.3에서는 이러한 요인이 절연 고장으로 인한 화재를 일으킬 가능성이 없는 것으로 간주되기 때문에 부스웨이는 특별히 화재 위험이 있는 장소에서 300 ㎃ RCD에 의해 보호될 필요가 없다고 명시하고 있다.
3. 말단 분전 및 회로
3-1 도체 절연 고장
최종 회로는 전원 및 분기 회로와 마찬가지로 절연 고장으로부터 보호되어야 한다. 말단 분전반 및 회로에 대한 전기 화재 가능성은 연결 개수, 낮은 단면적, 케이블 설치 방법 유형에 의해 증폭된다. 국제 표준 IEC 60364 시리즈 및 각 국가별 관련 표준에 따르면, 누전 전류를 방지하기 위해 300 ㎃ 미만의 감도를 가진 RCD를 사용하는 경우 절연 고장으로 인한 화재 위험을 효과적으로 방지할 수 있는 것으로 인정되고 있다.
30 ㎃ 감도(예: 소켓 콘센트 회로)를 통한 감전 방지 요구사항이 존재하기 때문에 최종 회로는 이미 절연 고장을 방지할 수 있다. 이 경우 절연 고장으로 인한 화재도 방지할 수 있다.
3-2 전원 연결 문제
말단 배전에서 회로 및 회로의 연결(스위치, 소켓 등) 수가 현저하게 증가한다. 연결 문제 위험성이 현저하게 높아지는 것은 그러한 이유 때문이다. 나사 없이 스프링을 이용하는 경우 잘못된 설치 가능성을 줄이고 시간이 지나도 문제가 발생하지 않는다.  [표 1] 전기화재 예비 사양에 고려해야 할 핵심사항 송인권 Offer Marketing 팀장(Power Products, Home & Distribution, Schneider Electric)<Energy News>
| 
장바구니
주문내역
: 
