Experimental Study of Flame Spread Characteristics of a Electric Cable Tray

승조 양; 흥열 김; 오상 권

doi:10.9798/KOSHAM.2016.16.4.31

Abstract

In case of electrical cable fire, the chance of fire spreading through penetrations is increasing rapidly. The present study has been conducted to investigate the fire spreading of electrical cable types. The subjects of the experiment are electrical cables are general PVC cable, fire retardant paint PVC cable and fire retardant cable. As a result of experiments, general PVC cables were burnt down and risen to about 900°C by the fire spreading. On the other hand, fire retardant paint PVC cables and fire retardant cables flame were controlled and risen to about 100°C by self resistance to flame. To prevent fire spread through penetrations, fire retardant cables are suited. In case of general PVC cables are installed at aged buildings, It is necessary to use fire retardant paint for fire safety.

Keywords: General Cable, Fire Retardant Paint Cable, Fire Retardant Cable, Flame Spread

요지

최근 건축물의 경우 전기에 의한 화재 건수가 증가하고 있으며 특히 전기 케이블 화재의 경우 관통부를 통한 화재 확산 가능성이 높아 이에 대한 고려가 필수적이다. 본 연구에서는 화재 위험성이 높은 건축물 또는 노후 건축물 등에 적용하기 위한 화재방호 설계를 위해서 케이블의 종류와 난연 도료에 의한 연소특성을 판단하기 위한 실규모의 화염 전파 성능 실험을 수행하였다. 대상 케이블은 일반 PVC 전기 케이블, 난연 전기 케이블, 난연 도료 도포 일반 PVC 전기 케이블이다. 실험결과, 일반 PVC케이블의 경우 최대온도가 900°C 이상까지 상승하였으며 실험체가 전소하였다. 난연 전기 케이블 및 난연 도료 도포 일반 PVC 케이블의 경우 최대온도가 100°C 이하까지 상승하였으며 케이블 전체로 화재가 확산되지 않고 자체적으로 소멸되었다. 따라서 화재 위험성이 높은 건축물의 경우 난연 케이블을 사용해야 하며, 노후 건축물 등 일반 PVC 케이블이 설치된 경우 난연 도료를 도포하여 화재 확산을 방지하는 것이 필요한 것으로 판단된다.

1. 서론

건축물 화재시 화재 확산을 방지하기 위한 가장 기초적인 전략은 건축물 내부의 방화구획 설정을 통해 인접 공간으로의 화염 확산을 억제하는 것이다. 방화구획은 화재시 공간 내의 화염을 가두는 역할을 하지만 수평·수직 관통부에 의해 화염이 확산되는 위험성을 가지고 있기 때문에, 화재확산 방지 재료를 사용하여 관통부를 마감하는 것이 필수적이다.

국민안전처의 화재통계 조사에 따르면 2015년 국내 전체 화재 건수 41,018건 중 전기에 의한 화재는 8,216건 (20%)으로 나타났다. 특히 케이블 화재는 전기적 결함을 비롯한 다양한 원인에 의해 점화되어 화재가 시작되는 원인인 동시에 케이블을 통한 주변 가연물로의 화재확산을 유도하는 매개체의 역할을 수행하기 때문에 많은 대형 전기 화재사고가 케이블 화재와 관련되어 있다. 이러한 전기 케이블은 전기도체 이외의 합성고무, 플라스틱 등으로 구성되어 있기 때문에 화재 발생시 격렬하게 연소하여 단시간에 화재가 확산된다. 특히, 공장 및 발전소 등과 같이 잠재적인 화재 위험요소가 매우 큰 시설물의 경우 케이블에서 발생된 화재가 전체 건축물 안전에 심각한 영향을 미치게 된다. 또한, 관통부에 설치되는 전선은 화염이 확산을 시킬 수 있는 가연물이 될 수 있기 때문에 “IEEE 1202: IEEE Standard for Flame Testing of Cables for Use in Cable Tray in Industrial And Commercial Occupancies”와 “KS C IEC 60332-3-21~25(Category A~D)” 등과 같이 전선의 연소성능을 평가하여 사전에 발화 및 화염확산을 방지하도록 하고 있다. 그러나 관통부의 화염억제 성능과 전선 자체의 화염확산 성능 평가와 같은 화재안전 제도가 미치지 못하는 노후 건축물 등과 같은 제도의 사각지대 건축물에서는 전선에 의한 화염확산 위험에 노출되고 있다. 그러나 기존 건축물과 같이 이미 전기 케이블이 배선된 경우에는 개발된 기술을 적용하지 못하고 있는 실정이다. Fig. 1은 국민안전처 화재조사 통계에 따른 2015년 화재요인별 화재건수에 대해 나타내고 있다.

Fig. 1

The Number of Fire Accident by Ignition Factor (2015)

본 연구에서는 화재 위험성이 높은 건축물 또는 노후 건축물 등에 적용하기 위한 화재방호 설계를 위해서 케이블의 종류와 난연 도료에 의한 연소특성을 판단하기 위해 실규모의 화염 전파 성능 실험을 수행하였다. 대상 케이블은 건축물에서 일반적으로 사용하고 있는 일반 PVC 전기 케이블, 난연 성능을 갖고 있는 난연 전기 케이블, 난연 도료를 도포한 일반 PVC 전기 케이블이다.

2. 케이블별 화재 전파 성능실험 계획

2.1 실험 계획

케이블 종류에 따른 화재 확산에 대한 성능을 평가하고자 Fig. 2와 같이 트레이에 케이블을 설치하여 실규모 연소 실험을 수행하였다. 수직으로 설치된 트레이 위에 케이블을 배선하고 화염 확산 을 판단하기 위해 불꽃의 도달길이와 케이블 손상 정도(케이블 피복재, 절연재의 용해, 용창, 탄화, 도체노출)를 측정하였으며, 추가적으로 트레이 상단부에 열전대를 설치하여 케이블 별 온도 추이를 분석하였다. 전기 케이블이 배선된 트레이는 높이 2.44 m, 폭 0.3 m이며 실험체당 총 10개의 케이블을 배선하였다. 트레이 종류, 높이, 폭은 특정 반도체 공장에서 실제 사용하는 제품을 사용하였다.

Fig. 2

The Experiment Plan

착화원은 0.3(L)×0.32(W) m의 햅탄 풀버너를 사용하였으며, 풀버너는 트레이 하부에 위치시켰다. 햅탄 풀버너는 룸코너테스터(Room Corner Tester)에서 열방출률을 측정하였으며, 측정된 열방출률은 최대 126.4 KW로 측정되었다. Fig. 3에서는 햅탄 풀버너의 열방출률 측정 모습과 결과를 나타내고 있다.

Fig. 3

The Measurement of Heat Release Rate of Heptane Pool Burner

Fig. 4

General/Fireproof Electrical Cable Section

2.2 실험 대상 케이블

연소 실험은 일반 PVC 케이블, 난연 도료 도포 PVC 케이블, 난연 케이블을 대상으로 진행하였다. 일반 전기 케이블은 10 SQ 4C VCT로써 주로 공장, 광산, 농장 등에서 0.6/1 kV 이하의 전압을 사용하는 이동형 또는 배선용으로 사용하는 전기케이블을 사용하였으며 피복제는 PVC로 구성되어있으며 도체의 최대 허용온도는 70°C 이하이다.

난연 도료 도포 전기 케이블의 경우 일반 전기 케이블에서 사용하는 VCT 케이블에 추가적으로 난연 도료인 KD-1000N 도포하였다. KD-1000N은 화재 발생시 방화성능을 발휘하여 피해를 방지하도록 설계된 도료로서 불꽃이나 열이 피도체에 접촉되는 것을 차단하는 동시에 가연성 물질의 열분해 현상을 지연시켜 연소를 방지하는 제품이다. 본 실험에 사용된 KD-1000N의 도장은 2회 실시하였으며 도막두께는 1 mm이다.

난연 전기 케이블의 경우 TFR-CV 케이블로써 전기 설비 기술 기준령에 준한 트레이용 난연 케이블이다. 사용 범위는 주거 및 사업적 용도의 건물내 및 산업용 배전회로에 사용하는 전력케이블로써 피복제가 난연성능이 있는 TFR PVC를 사용한 것이 특징이다.

3. 케이블 성능실험 결과 및 고찰

3.1 전기 케이블 성능실험 결과

연소 실험은 케이블에서의 화염이 소멸될 때까지 총 10분간 진행되었으며 착화원은 실험 시작 후 2분 뒤 소멸하였다. 연소 실험을 통해서는 각 케이블의 화염길이 및 최상층부의 온도를 측정하였다.

실험결과, 난연 도료 도포 전기 케이블에서는 착화원 화염이 소멸됨과 동시에 화염 크기가 급속도로 감소되어 실험 시작 후 2분 30초 후 화염이 자체적으로 소멸되었다. 또한 연소된 케이블의 최대길이는 최하단으로부터 0.73 m를 기록하였으며 화염 전파 평균 속도는 0.467 cm/s를 기록하였다.

난연 케이블에서는 착화원의 화염이 소멸된 후 화염 크기가 감소되었으며 실험 시작 3분 후 화염이 자체적으로 소멸되었다. 또한 화염의 최대 길이는 최하단으로부터 1.21 m를 기록하였으며 화염전파 평균 속도는 0.667 cm/s를 기록하였다.

일반 전기 케이블의 경우 난연/도료 도포 케이블과 착화원이 소멸된 이후에도 화염이 수직으로확산되었으며 케이블 전체가 전소하고 총 10분간 화재가 지속되었다. 특히 5분 경과 후 화염 전파 속도가 급격히 증가하여 7분 경과 시점에는 트레이 케이블 전체에 화염이 전파되었다. 화염 전파 평균 속도는 0.815 cm/s를 기록하였다.

연소 실험에서 난연 도료 도포 일반 케이블의 경우 난연 케이블에 비해 0.2 cm/s 낮은 전파 속도를 나타냈으나 총 연소시간 30초 차이로 유사한 경향을 나타냈다. 이는 일반 전기케이블과 달리 난연 도료 성분에 의해 피복제인 PVC에 화염이 접촉되는 것이 차단되었으며 동시에 가연성 물질의 열분해 현상을 지연시켜 자체적으로 화염 전파를 방지한 것으로 분석된다. 따라서 난연/도료 도포 케이블의 경우 화재 위험도가 높은 신축·노후 건축물에 적용하는 경우 방화구획 내 화재 확산을 크게 방지할 수 있을 것으로 판단된다.

이와 반대로 일반 전기 케이블의 경우 난연성능이 없는 일반 PVC에 화염이 노출되어 급속도로 화염이 전파되었다. 이는 방화구획 내 화재시 관통부를 통한 화염 확산이 발생할 확률이 매우 높은 것으로 판단되어 화재 위험도가 높은 건축물에 적용하는 것은 바람직하지 못하다고 판단된다. Table 2는 케이블의 종류에 따른 화재 전파 실험 진행사항을 나타내고있다.

Table 1

Combustion Experiment Results

Class	Total combustion time (sec)	Combustion length (cm)	Flame propagating velocity (cm/s)
Fire Retardant Cable	163	73	0.467
Fire Retardant Paint Cable	194	121	0.667
General Cable	420	220	0.815

Table 2

The Experiment Progress

0 min (Ignition)
1 min
2 min
3 min
5 min
7 min

3.2 전기 케이블 성능실험 온도 분석

전기 케이블 종류에 따른 화염 확산을 분석하기 위해 트레이 상단부에서 열전대를 설치하여 시간대별 온도 추이를 파악하였다.

측정한 시간대별 케이블의 온도 측정 결과 값은 Table 3과 같으며 이에 대한 온도 변화 추이는 Fig. 5와 같다.

Table 3

Real Scale Fire Experiment Results

Time (Sec)	Temperature (°C)
Time (Sec)	General PVC Cable	Fire Retardant Paint Cable	Fire Retardant Cable
0	14.2	13.8	14.1
60	72.5	56.1	29.8
120	96.2	36.2	21.3
180	139.3	22.5	16.4
240	163.5	19.0	16.0
300	176.7	18.5	15.6
360	657.2	18.4	15.4
420	392.9	17.5	15.4
480	242.0	17.6	15.6
540	75.1	17.1	15.4

Fig. 5

The Temperature Change of Real Scale Fire Experiment

난연 도료 도포 전기 케이블에서는 실험 시작 후 2분까지 착화원의 화염에 의해 완만한 온도 상승을 하여 약 100°C 이하의 온도를 기록하였다. 그러나 착화원의 화염이 소멸된 2분후에는 난연 도료의 열분해 지연 효과에 의해 케이블에 화염이 전파되지 않고 자체적으로 소멸되어 온도가 점차적으로 감소하는 것으로 나타났다.

난연 케이블에서는 착화원이 소멸된 2분까지는 완만한 온도 상승을 하여 약 100°C 이하의 온도를 기록하였다. 그러나 난연 도료 도포 전기 케이블과 같이 착화원의 화염이 소멸된 이후에는 난연 케이블의 자체적인 난연 성능에 의해 화재가 전파되지 않고 자체 소멸되어 온도가 점차적으로 감소하는 것으로 나타났다.

일반 전기 케이블의 경우 착화원 화염이 소멸된 2분 이후 화염이 전기 케이블 하단부에 전파되었으며, 실험 시작 5분까지 완만하게 온도가 상승하여 약 200°C를 기록하였다. 실험 시작 5분 이후에는 화염이 트레이 상단부까지 전파되어 급격한 온도상승을 나타냈으며 최대온도 900°C 이상을 기록하였다. 실험 시작 7분 이후에는 하단부를 시작으로 전기 케이블 전소되어 급격한 온도 하강을 나타내었다.

4. 결론

본 연구에서는 케이블 종류에 따른 트레이 케이블의 화염 전파 방지 성능을 파악하고자 성능 실험을 수행하였다. 실험체는 높이 2.44 m, 폭 0.3 m의 트레이에 전기 케이블 10개를 수직으로 배선하였다. 착화원은 트레이 하단부에 설치하였으며 최대 열방출률(HRR, Heat Release Rate)은 약 126.4 kW이다. 연소 실험은 일반 전기 케이블, 난연 전기 케이블과 일반 전기 케이블에 난연 도료를 도포한 난연 도료 도포 전기 케이블을 대상으로 성능 실험을 수행하였다. 또한 트레이 상단에 열전대를 설치하여 케이블 종류에 따른 시간별 온도 변화를 측정하여 화염 전파 현상을 측정하였다. 케이블 종류에 따른 화재 전파 성능에 대한 결론은 다음과 같다.

(1) 건축물에서 일반적으로 사용하는 일반 전기 케이블에 대한 실험 결과 피복제인 PVC에 의해 화염 전파 속도가 매우 높게 나타났으며 자체적인 화재 소멸 없이 시험체가 전소하였다. 따라서 화재 위험성이 높은 건축물의 방화구획에 사용시 관통부를 통해 대형화재를 유발할 가능성이 매우 높으며 이에 대한 방지 대책을 계획할 필요성이 있는 것으로 판단된다.

(2) 화재 위험도가 높은 건축물에서 주로 사용하고 있는 난연 케이블 실험 결과 트레이용 난연 케이블의 경우 피복제인 TFR PVC의 난연 성능에 의해 화염 전파 없이 자체적으로 화재가 진압되었다. 따라서 일반 전기 케이블과 달리 화재 위험성이 높은 공장 및 발전소 등의 방화구획 내 사용시 관통부를 통한 화재 확산 가능성이 낮은 것으로 판단된다.

(3) 건축물에서 사용하는 일반 전기 케이블에 난연 도료를 도포한 난연 도료 도포 전기 케이블에 대한 실험 결과 난연 도료 성분에 의해 일반 전기 케이블의 화재 확산이 발생하지 않았으며 자체적으로 화재가 소멸되는 것으로 나타났다. 따라서 난연 전기 케이블과 같이 난연 도료를 도포함으로서 관통부를 통한 화재 확산을 크게 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.

(4) 노후 건축물의 경우 일반적으로 일반 전기 케이블을 사용하여 방화구획 내 관통부를 통한 화재 확산 위험도가 매우 높다. 그러나 신축 건축물의 경우 난연 전기 케이블을 설치하는 것이 가능하나, 노후 건축물의 경우 기존에 설치되어 있는 일반 전기 케이블을 난연 전기 케이블로 교체하는 것이 경제적인 측면과 시공적인 측면에서 큰 어려움이 있다. 따라서 실험 결과와 같이 난연 도료를 일반 전기 케이블에 도포함으로써 노후 건축물의 관통부를 통한 화재 확산 피해를 크게 방지할 수 있을 것으로 판단된다.