1. 서론
도시에서 흔히 볼 수 있는 가로등, 신호등, 입간판 및 저압 지중함 등과 같은 옥외 전기시설물은 편리함과 유익함을 제공함으로써, 국민생활 향상에 기여하는 바가 크다. 그러나 집중호우로 인한 홍수로 옥외 전기시설물이 파손되어 침수지역으로 전류가 누전될 경우 주변사람이나 보행자에게 위해를 줄 수 있다. 1990년대까지 가로등이나 신호등에서 누전되는 전기로 감전되는 사고는 심심치 않게 발생하는 인재였다. 그러나 2001년 7월 15일~16일 서울, 인천, 경기 등 수도권 지역에 내린 집중호우로 도로가 침수되면서 19명이 감전 사고가 발생하면서 정부는 가로등 및 신호등 분전함(제어함)에 누전차단기를 설치하도록 법제화하였으며, 많은 연구자들은 수중에서 전기시설물의 위험성 저감을 위한 연구를 수행해왔다.
Kim et al.(2005)은 물놀이 입용시설에서의 감전사고 메카니즘을 분석하고 국내 물놀이 입욕시설 조명설비에 대한 국내⋅외 시설규정을 비교분석하여 시설기준의 개선방안을 제시하였다. Woo(2009)는 Andrew의 인체 모델을 바탕으로 국제 규격 IEC-60479-1의 인체 저항비에 의한 인체 저항 값을 산정하여 침수된 공간 내에 잔류하는 인원 및 이를 복구하기 위해 투입된 인원에게 미칠 수 있는 2차적인 위험성을 연구하였으며, Lee(2004)는 감전사고를 예방하기 위한 목적으로 사고시 흐르는 누전전류 및 통전전류의 전위분포 및 전계분포를 분석하였다. 또한 Kim(2007)은 수중에서의 감전 메카니즘을 규명하고 방재대책을 수립할 수 있도록 실제 감전 상황을 유사하게 모의 할 수 있는 해석 장치로서의 인체 모형을 제작하고, 산업현장의 전기시설물이 침수될 경우 발생할 수 있는 감전위험성을 분석하여 감전재해방지에 기여하고자하였다.
이처럼 학술적 연구를 통해 기술적 방안을 마련하였으며, 가로등 및 신호등 분전함에 누전차단기를 설치하도록 법을 강화하고 있다.
그러나, 전력을 사용하는 입간판의 경우 누전차단기 설치가 잘 지켜지지 않고 있는 실정이다. 일부 지자체에서는 번화가 및 상가 거리를 단속하여 전력을 사용하는 입간판을 제거하고 있으나, 그 또한 일시적일 뿐 매장마다 치열한 손님유치 경쟁 속에 버젓이 불법적으로 운영되고 있어 보행자의 감전위험은 여전히 상존하고 있다.
이에 따라 본 연구에서는 침수환경에서 220V 상용전압 누전시 위험성을 실증실험으로 분석하였으며, 위험 범위 및 대처방안을 제시하고자 한다.
2. 이론적 배경
2.1 대지 전위분포
일반적으로 전기 기기의 누전방지를 목적으로 접지를 실시하며, 이를 위하여 접지봉이나 매쉬형태의 접지망을 대지에 매설하여 접지전극으로 사용한다. 이 접지전극에 흐르는 전류는 전력계통이나 전기 기기의 고장에 의한 고장전류, 계통의 불평형에 의한 불평형 전류, 그리고 누전전류 및 전력계통의 외부에서 발생하는 낙뢰와 같은 서지 전류 등으로 구분되며, 이러한 전류는 접지간극을 통해서 대지에 흡수된다(Bernstein, 1991).
이 전위를 대지전위라고 정의하며, 접지전극의 표면에서 나타나는 최대의 대지전위를 대지전위 상승(GPR, Ground Potential Rise)이라고 한다. 대지의 전기적 특성을 균질하다고 가정하면, 유입된 전류는 유입점을 중심으로 방사상 모양으로 퍼져 나가는 형상을 상정할 수 있다. 따라서 유입점으로부터 멀어질수록 전류분포가 작아져서 대지전원는 낮아지며, 충분히 멀리 떨어진 거리에서는 전위가 “0”이 되어 영전위가 된다. 이론적으로 영전위점은 전류의 유입점으로부터 무한대 거리인 점이지만 실질적 영전위점은 접지전극의 크기에 따라 위치를 상정하여 접지전극의 접지저항을 측정할 때 기준전위로 사용한다(Lee, 2004).
감전사고의 유형은 다양하나 크게 네 가지의 감전경로 형태로 구분할 수 있다. Fig. 1은 전기설비의 충전부와 인체사이에 일어날 수 있는 감전사고의 유형을 나타낸 것으로 a는 등전위면에서 접촉했을 때, b는 보폭전압이 발생한 상태에서 접촉하였을 때, c는 보폭전압이 발생한 상태에서 충전부와 떨어져 있을 때, d는 충전부와 떨어져 있고 등전위면에 서있을 때를 보여준다.
2.2 인체모형의 임피던스 구성
인체감전 모형은 인체에 인가되는 전압과 인체를 통과하는 통전전류를 평가해야 하므로 인체의 전기적 특성을 파악하는 것이 중요하다(Kim, 2007). 특히 인체조직 각부(피부, 내부조직 등)의 저항 및 전기적 특성을 파악하여 인체감전에 대하여 미치는 영향 등을 파악할 필요가 있다(IEC Publication 60479-1, 1994). Fig. 2는 인체 임피던스에 대한 전기적 등가회로를 나타내며, ZT는 인체의 전체 임피던스, Zs1, Zs2는 피부 임피던스, 그리고Zi는 내부 임피던스를 나타낸다.
2.3 인체모형의 각 부위별 임피던스
인체모형의 임피던스 결정은 IEC의 인체 임피던스를 기준으로 한다. 인체모형을 대상으로 하는 실험은 가장 최악의 조건임을 감안할 때 IEC에서 제시하는 575Ω이 가장 적절한 값이라고 보여진다. Table 1은 IEC 60469-1에서 제시하는 5%의 범주 내에 속한 표본군의 임피던스를 나타낸다. 인체가 대지와 촉수하는 순간의 회로를 변경하여 매 순간마다의 전압, 전류가 측정되도록 하며, 그에 대한 회로도는 Fig. 3과 같다(Kim, 2007).
Table 1
Distribution of Impedance at Each Body Due to IEC Criteria(575Ω)(IEC Publication 60479-1, 1994)
3. 감전이 인체에 미치는 영향
3.1 통전전류
인체를 통한 전류의 흐름은 다양한 종류의 생리적 영향을 일으킨다. 이러한 현상들은 전류의 감지, 반응 이탈, 마비, 호흡정지, 심실세동 및 화상 등이 있다. 이러한 현상들은 대략 통전전류의 크기와 시간으로 결정된다. 잠재적으로 위험한 상해를 줄 수 있는 전류를 피하기 위해서, 권고된 전류 제한 값은 전기 화상, 이탈 및 심실세동에 바탕을 두어야 한다. 이러한 현상이 방지되면, 유해한 다른 생리적 현상도 일어나지 않을 것이다(Kim, 2007).
이러한 통전전류와 시간의 영향 등에 대해 미국전기전자기술협회(Institute of Electrical & Electronics Engineers INC.)의 IEEE Std 80-2000에서 다음과 같이 설명하고 있다(IEEE, 2000).
3.1.1 최소감지전류(Perception current)
최소감지전류는 일반적인 경우 1mA 이하로 인식된다. 이는 전류의 흐름으로 손가락 끝 또는 손에 가벼운 따끔거림의 인식을 감지할 수 있는 통전전류의 크기이다(Dalziel. 1943). 참을 수 있을 정도의 고통한계전류는 2mA~8mA이다.
3.1.2 가수전류(이탈전류, Let-go current)
8mA에서 16mA의 전류를 가수전류라 부르며 참을 수 없을 정도의 고통이 발생하나 지속되더라도 일반적인 경우 자기 스스로 접촉된 충전부에서 탈출할 수 있다. 이와 같은 범위는 Dalziel 등의 실험결과로부터 얻어진 범위로, 여성 28명과 남성 134명에 대한 고전적인 실험 결과를 통해 여성의 평균 가수전류는 10.5mA, 남성의 평균치는 16mA이며, 최저 가수전류는 여성 6mA, 남성 9mA로 제시하였다(Dalzeil and Massogilia, 1956).
3.1.3 불수전류(교착전류, Freezing current)
불수전류는 참을 수 없을 정도로 고통이 발생하며 자기 스스로 접촉된 충전부에서 떨어질 수 없는 최소의 전류이다. Dalzeil(1960)은 9mA에서 25mA에서 범위를 불수전류로 분류하고 있으나, 통상적으로 최소 심실세동 전류인 50mA 이하까지 불수전류로 분류하고 있다.
3.1.4 심실세동 전류(Ventricular Fibrillation current)
인체에 통전되는 전류가 더욱 증가하면 전류의 일부가 심장부분을 흐르게 된다. 이렇게 되면 심장이 정상적인 맥동을 하지 못하여 불규칙적으로 세동을 하게 되어 결국 혈액의 순황에 큰 장애를 가져오게 되며 이에 따라 산소의 공급 중지로 인해 뇌에 치명적 손상을 입히게 된다. 이와 같은 심근의 미세한 진동으로 혈액을 송출하는 펌프의 기능이 장애를 받는 현상을 심실세동이라 부르며, 이때의 전류를 심실세동 전류라 한다. Dalziel(1960) 및 Dalziel and Lee(1969)는 심실세동 전류가 발생하는 범위를 60mA~100mA로 제시하였다. 하지만 통전시간에 따른 심실세동의 한계전류(Table 2)에 따라 52mA에서 5초간 전류가 인체 내에 통전하게 되면 심실세동 전류가 발생하게 되므로 통상적으로 50mA이상을 심실세동 전류로 보고 있다.
3.2 전압
3.2.1 허용전압((Allowable Voltage)
감전의 위험도를 나타내는 가장 큰 요소는 인체에 흐르는 전류이고 전압의 크기는 2차적인 것으로 감전에 대한 위험전압을 명시할 수는 없지만 인체가 전격을 받을 때의 몇 가지 경우를 가정하여 실험을 한 사례가 과거 발표되었다. 1930년 미국의 보험협회 안전시험소(Underwriters Laboratories)에서 양손에 펜치를 쥐고 60Hz 정현파 교류전압을 가해 13명의 남자에 대하여 실험을 했는데, 그 결과 견딜 수 있는 안전전압은 최저 20V, 최고 40V, 평균 27.8V로 제시하였으며, 1934년 International Harvest사에서 젖은 보일러 내에서 몇 V까지 안전 운전할 수 있는가를 조사하기 위해, 22명의 남자에 대해 실험을 행한 결과 12∼20V가 견딜 수 있는 최대 전압이라는 결과를 제시하였다. 누전이 생긴 경우 접촉전압은 사람이 접촉하는 상태에 따라서 인체저항이 변하고 통전전류도 변하므로 접촉상태에 따른 허용전압은 Table 3과 같다.
Table 3
Allowable Voltage During Touch at Leakage Facilities
3.2.2 보폭전압(Step Voltage)
보폭전압이란 전로가 어떠한 원인으로 누전사고가 나게 되면 접지 극을 통하여 대지를 귀로하여 누전전류가 흐르게 되어 접지극 주위의 지표면이 전위분포를 가지게 된다. 이 경우 주위에 사람이 있게 되면 인체의 양발사이에 전위차가 발생하며 이를 보폭전압이라 한다. 이와 같이 양발간 전위차가 발생하게 되면 대지의 전류가 인체를 통해서 다시 대지로 빠져나가게 된다. Fig. 4는 보폭과 전압과의 관계를 나타낸다.
4. 실험 방법
4.1 실규모 모형제작
침수상황에서의 전기시설물의 누전을 유도하기 위하여 크게 세 가지의 구성이 요구된다. 하나는 전기시설물에서 누전되는 전자를 대지전위분포가 형성될 수 있는 지반 모형, 둘째 누전이 발생하는 전기시설물이다. 본 연구에서는 행정자치부 고시 ‘옥외광고물 등 관리법 시행령’ 제 12조 7항, 제 16조 2항 2호에 의거 전기를 사용하는 입간판의 위험성을 강조하기 위하여 전기시설물을 입간판으로 선정하였다. 마지막으로 강우 유출수와 유사한 도전성 수용액의 제조이다.
먼저 대지전위 분포를 형성하기 위한 지반모형은 D5.6m× L7.2m×H1.2m의 규모의 수조를 통해서 구리 메쉬망을 바닥에 설치하고, 접지봉을 통하여 강제로 전류를 유도하였다. 두 번째로 누전용 입간판에 전기에너지를 공급하기 위한 전원장치의 구성은 Table 4에 나타나있으며, 구성회로도는 Fig. 6과 같다. 전류의 누전 방법은 입간판에 연결된 전선의 일부분을 손상시켜 전류가 누전되도록 유도하였다.
Table 4
Components of Power Supply Equipment
마지막으로 침수시 강우-유출수와 유사한 도전성 수용액을 제조하기 위해 염화암모늄(NH4CL)과 계면활성제를 혼합⋅교반하여 실제 빗물과 유사한 도전성 수용액을 제조하였다. 강우에 따른 유출수의 도전율은 Woo(2009)의 연구결과에 따라 현장에서 채취한 빗물의 도전율(198μS)을 참고하여 제조하였다(Table 5).
Table 5
Electric Conductivity of Six Type Sample That it is Collection at the Site(Woo, 2009)
| Rain water | Muddy water | Tap water | Sea water | Reservoir | Underground water | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Conductivity(μs) | 198 | 249 | 229 | 484 | 153 | 171 |
5. 실험결과
5.1 거리별 전위차 측정
본 실험 시나리오에서는 수중의 누전부에 직접 접촉 및 0.01m를 이격한 지점부터 0.2m 간격으로 물속에서의 전압을 측정하였다. 수중에서 누전부에 직접 접촉하였을 경우 220V에서 181.54V로 전압이 40V정도 감소하는 것으로 나타났으며, 0.01m 떨어진 지점에서 50.90V가 측정되었으며, 0.2m의 간격별로 나타난 측정값은 Table 6에 제시하였다. 측정결과로부터 나타난 값을 살펴보면 수중에 잠겨 있을 때 허용전압인 2.5V이상인 거리는 0.4m로 0.6m이상 떨어져야 허용전압 내의 범위에 드는 것으로 나타났다. 거리별 전위측정 실험전경은 Fig. 8에 나타나있다.
5.2 인체 내부 통전전류량 측정
인체 모형을 이용하여 전기시설물 누전부에 직접 접촉시 인체로 흐르는 통전전류량은 20mA로 나타났다. 실험을 통해 측정된 통전전류 20mA는 불수상태(AC 16mA 초과∼50mA)의 전류량으로 근육이 수축하고 스스로 전원으로부터 탈출이 불가능한 상태이다. 그러나 전선에 직접 접촉하지 않은 경우에는 인체 내부에 1mA정도로 최소 감지 전류정도가 통전하는 것으로 나타났으며, 전원지로부터 떨어져 전압이 급격하게 저하되어 인체저항 모형 내 통전전류량이 감소한 것으로 판단된다. 인체 내부 통전전류 측정에 대한 실험 전경은 Fig. 9에 나타나있다.
5.3 전위차에 대한 타 연구와의 비교
Jung and Jung(2007)은 침수환경 전원장치로부터 거리에 따른 전위분포를 알아보기 위해, 상용전압 220V의 전원을 투입한 후, 거리별 및 방향별로 전위차를 측정하였다.
실험조건으로는 본 연구와 유사하게 수위를 0.5m로 고정하여 수용액 도전율 200μs/m에서 800μs/m까지 200μs/m씩 증가시켜 0.2m 간격으로 1.95m까지 직선거리상의 전위차를 측정하였다. Jung and Jung의 연구결과는 Fig. 10(a)에서 나타나듯이 전원장치의 ABS제 케이스에 접촉하여 측정한 전위가 약 55V 정도 였으며, 1.6m까지는 비교적 선형적인 경향을 띠며 감소하였으나, 이후 전위가 급격히 감소하여 1.95m, 즉 모의수조의 내벽과 접촉하여 측정하였을 때는 거의 영전위에 가까운 값을 나타나는 것으로 나타났다. 또한, 도전성 수용액의 도전율의 차이에 따른 관측 값의 차이가 없는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 Jung and Jung의 연구와 마찬가지로 거리가 멀어질수록 전압이 감소하는 것으로 나타났으나, 동일한 상용전압 220V를 사용하더라도 감소폭은 서로 상이한 것으로 나타났다. 이는 침수시 누전에 따른 대지분포를 형성하는 실험장치의 구성이 달라 나타난 결과로 판단된다.
6. 결론
본 연구에서는 도로 침수시 옥외 전기시설물에 의한 전기감전 위험성에 대해 다음 두 가지를 분석하였다.
첫째, 최악의 조건임을 감안할 때 IEC 기준 5%내 범주에 해당하는 인체 모형을 제작하여 인체 내에 흐르는 전류량을 측정하였다. 그 결과 전기시설물에 직접 접촉할 경우 인체 통전전류량은 불수상태를 일으킬 수 있는 전류(20mA)가 흐르는 것으로 나타났다.
이는 극심한 고통을 느끼며 근육이 수축하여 스스로 전원지에서 벗어나지 못하는 전류량으로, 통전경로가 전원지-손-손 또는 전원지-손-발-대지로써 오랫동안 지속될 경우 폐가 수축하여 질식사로 이어질 수 있는 전류량이다. 본 연구의 실험시나리오는 수중에서 통전 경로가 전원지-수중-다리-대지로 형성되어 있어 실험 결과와 같은 전류량이 인체 내로 흐른다면, 종아리 및 허벅지 근육이 수축하여 관절 마디가 꺾이므로 통전시간이 오랜 시간 지속되지 않더라도 수중에 잠겨 익사할 수 있는 위험이 상존하고 있으므로 더욱더 위험하다고 할 수 있다.
두 번째는 전압이다. 감전의 위험도를 나타내는 가장 큰 요소는 인체에 흐르는 전류이고 전압의 크기는 2차적인 것으로 감전에 대한 위험전압을 명시할 수는 없지만 수중에 몸이 대부분 잠겨있을 때 허용전압은 2.5V로 정해져있다. 본 연구에서는 허용전압 내의 누전전압은 전원지로부터 이격거리 0.6m이상에서 관측되었다. 그러나 본 연구에서는 3m, Jung and Jung(2007)의 연구에서는 2m에서 ‘0’전압을 나타내고 있으므로 2m~3m 내의 범위도 안전하다고 할 수는 없다. 그러므로 보행중 도로가 침수된다면 신호등, 가로등, 입간판 등 옥외전기시설물에서 최소 2m~3m는 이격하여 보행하는 것이 바람직하다고 판단된다. 또한, 부득이하게 2m~3m내에서 보행을 하여야 한다면, 보폭거리가 넓을수록 전위차가 증가하게 되므로 최대한 보폭을 좁게 하여 총총 걸음으로 걷는 것이 감전재해에 더욱 안전하며, 만약 주변에 감전사고로 쓰러진 사람을 발견할 경우 감전사고의 위험이 없는 안전한곳으로 이동한 후 즉시 심폐소생술을 실시하여야 소생율을 높일 수 있다.
마지막으로 보행자 스스로가 감전 사고에 대처하기에 앞서 정부 및 지자체에서는 주기적인 시설 점검으로 옥외 전기시설물의 누전을 예방하고, 개인사업자의 경우 전기를 사용하는 입간판을 사용하지 아니하여 도처에 상존하고 있는 감전사고 위험성을 감소시키는 것이 우선시 선행되어야 한다고 판단된다.
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