콘칼로리미터 시험에 의한 공동구내 케이블의 연소특성 연구
Study of Combustion Characteristics of Cables inside a Common Duct by Cone Calorimeter Test
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Abstract
지하공동구의 공간적 특성상 대형재난으로 발생하기 쉬워 인명 및 재산 피해가 커지기 쉽다. 그 중 케이블 화재의 경우 정전, 방화시설, 고장 등 추가적인 피해가 발생한다. 이에, 본 연구에서는 지하 공동구 케이블 화재의 위험요소를 도출하고자 콘칼로리미터 실험을 진행하였다. 실제 지하공동구에서 사용하고 있는 전력 및 통신케이블을 종류에 따라 난연과 일반으로 구분하여 착화시간 및 최대 열방출율 측정하였다. 실험결과, 전력케이블 중 일반의 착화시간은 26초, 최대 열방출율은 190초에 187 kw/m2이며, 난연의 착화 시간은 50초이며 최대 열방출율은 100초에 145 kw/m2로 측정되었다. 또한 통신케이블 중 일반의 착화시간은 20초, 최대 열방출율은 40초에 179 kw/m2이며, 난연의 착화시간은 40초이고 최대 열방출율은 100초에 154 kw/m2이다. 본 실험을 통해 추출된 결과물은 지하공동구 화재 대응을 위한 화재 시뮬레이션의 인자값으로 사용될 것이다.
Trans Abstract
The spacial characteristics of an underground common duct often lead to disasters resulting in great damage to life and property. In the case of a cable fire, additional damages such as failure of power and fire prevention equipment occur. Accordingly, to derive the risk factors of an underground common duct cable fire, a cone calorimeter test was performed in this study. The fire simulation factor was obtained by measuring temperature changes with time, while the heat release rate (which depends on the cable type) was determined by a combustion test of the subject. The test and measurements were conducted mainly for incombustible and general power and communication cables used in a common duct. According to the test, for a general power cable, the ignition time was measured to be 26 s with a maximum heat release rate of 187 kW/m2 for 190 s. For a flame resisting power cable, the ignition time was measured to be 20 s with a maximum heat release rate of 179 kW/m2 for 40 s. For a general communication cable, the ignition time was measured to be 20 s with a maximum heat release rate of 179 kW/m2 for 40 s. For a flame resisting power cable, the ignition time was measured to be 40 s with a maximum heat release rate of 154 kW/m2 for 100 s. The test results will be used as fire simulation factors in response to a fire originating from an underground common duct.
1. 서 론
산업의 발전은 경제성장을 동반하며, 우리의 삶을 윤택하게 한다. 최근의 산업 및 생활 전반적으로 다양한 시스템의 발전은 각 시스템간의 그물망과 같은 연결망의 복잡성과 더불어 지하화 함에 따른 시스템간의 통합적 운영과 안정적인 관리가 주요 이슈로 대두되고 있다. 특히, 전력 및 통신 생활용수 등은 1978년 여의도 지하공동구를 시작으로 필요한 시설을 한 곳으로 모아 유지, 관리하는 시설인 지하공동구가 본격적으로 설치되게 되었다. Table 1에 따르면, 국토의 계획 및 이용에 관한 법률 제44조에 따라 건립된 지하공동구는 대표적으로 서울 8개, 인천 5개, 경기도 8개, 경북 2개, 그 외 1개씩 있으며, 최근에는 신도시에서 사회기반 시설물 구축을 위하여 지하공동구를 적극적으로 도입하고 있다(Fire Department, 2020).
Underground Common Duct Installation Status
지하공동구의 정의는 국토의 계획 및 이용에 관한 법률 제2조 제 9호에 의하면, 공동구는 전기, 가스, 수도 등의 공급설비, 통신시설, 하수도시설 등의 지하매설물을 공동 수용함으로써 미관의 개선, 도로구조의 보전 및 교통의 원활한 소통을 위하여 지하에 설치하는 시설물을 말하며, 그 외 지하 인공 구조물로서 폭이 1.8 m 이상이고 높이가 2 m 이상이며 길이가 50 m 이상인 것이라고 규정한다.
공동구의 형태로는 공공용 공동구, 단독구, 일반구, 지하구가 있으며, 공동구 수용시설의 종류는 전력, 통신, 상수도, 가스, 난방이 있다.
공동구 화재사례 중 여의도 지하공동구 화재(2000), 구리 전력구 화재(2006), Fig. 1에 나타낸 이미지와 같이 KT 아현지사 통신구 화재(2018) 등의 사례를 보면, 방재시설 미비와 전선피복, 배관 및 보온재 등 가연물질 사용, 케이블의 비난연화, 방방재구획의 미확보 등으로 인하여 화재가 빠르게 확산되었다. 또한, 기존에 설치된 화재감지장치의 경우에는 감지에 걸리는 시간이 길어 화재를 감지하였을 때는 이미 화재가 성장하여 불꽃이나 연기가 외부로 방출되고 난 뒤였다. 따라서 지하공동구에서 화재가 발생하면 작은 규모의 화재라도 심각한 인적⋅물적 1차 피해뿐만 아니라 사회적 2차 피해로까지 확대되는 경우가 많다.
Fire in the Communication Duct of the KT Ahyeon Branch
지하공동구 화재발생 원인은 내부적 요인과 외부적 요인으로 나눌 수 있으며, 내부적 요인은 도체 접속부 과열에 의한 발화, 단락에 의한 발화, 지락에 의한 발화, 누전에 의한 발화, 과전류에 의한 발화 및 접속불량으로 인해 스파크 발생에 의한 발화 등이며, 외부적 요인으로는 외부 발화원에 의한 화재, 타 구역에서 발생한 화재가 케이블로 통해 착화, 공사 중 용접 불똥에 의해 케이블의 착화, 방화, 담뱃불로 인한 발화 등이 있다. 즉, 화재발생 원인을 분석하면 케이블이 주 가연물임을 파악할 수 있다(Min and Song, 2015).
한국전력공사 자체조사에 의하면, 전력 케이블은 579개소 951.2 km, 지하공동구 케이블 중 279개소 364.7 km, 즉, 38.3%가 비난연 케이블이고 그 중 10년이 넘은 비난연 케이블의 비중은 98.1%에 달한다(Lee, 2018). 과학기술정보통신부에 따르면, 통신 케이블은 비난연 케이블이 46% 이하이다. 이러한 이유로 본 연구에서는 케이블의 난연과 일반을 중심으로 수행했다(Park, 2019).
본 연구에서는 지하공동구 케이블 화재의 특성을 분석하기 위하여 콘칼로리미터 시험을 통해 연소 특성 중 착화온도, 온도상승률 및 열방출율 확인하여 일반과 난연 케이블을 비교 분석하고자 한다. 시험대상 케이블은 지하공동구에서 실제 사용하고 있는 일반과 난연의 전력 및 통신케이블이다(Min et al., 2012).
2. 케이블 화재의 위험성
2.1 케이블 화재의 특징
케이블 화재의 특징은 착화되면 쉽게 연소하고 장기간에 걸쳐 연소를 한다. 화재 확산 가능성이 매우 높고 화재발생 후 케이블의 유독성 가스 발생하며 연소에너지가 높고 열기가 강하다. 농연, 부식성 및 유독가스가 발생되고 연소가 빠르며 화점을 알 수가 없다.
2.2 케이블 재료의 연소성 및 유독성
전선은 나전선, 비닐전선, 케이블 등이 있으며, 공동구에 수용되는 전선은 모두 케이블을 사용한다. 최근 규정이 변경되어 신규 설치 케이블은 전부 난연 외장 케이블을 쓰도록 하고 있으며, 소방 등 특별한 목적으로 사용되는 곳에는 화재 시 케이블의 종류에 따른 위험성이 Table 2와 같으므로 불연외장 케이블을 사용하여야 한다(Oh, 2004).
Type and Combustibility of the Cable Exterior
케이블의 재료는 기계특성, 내후성, 내약품성 등의 특성이 요구되는 우수한 비닐, 클로로프렌 등이 주로 사용되고 Table 3과 같이 케이블 재료가 연소하면 염화수소, 염소 등이 발생한다(Choi, 2007).
Gas Generated from Cable Material Combustion
3. 콘칼로리미터 시험
난연과 일반 케이블의 HRR값과 THR값을 측정하기 위해, 콘칼로리미터(ISO 5660) 시험을 실행했다. 케이블 종류에 따른 시간별 온도 변화, 착화시간 및 열방출율을 측정하고, 전력 및 통신 케이블의 단위실험체 연소시험을 통한 화재 시뮬레이션 인자값을 추출하기 위해 실험을 진행하였다. 시험 장치는 압력 측정구, 오리피스판, 열전대, 후드, 송풍기, 히터, 가스 샘플링 환형 프로브, 점화 장치, 추가적인 스크린, 송풍기 모터, 고정 틀과 시험체, 시험체 홀더, 질량 측정장치, 연기 측정부로 구성되어 있다. 그리고 온도측정을 하기 위해 필요한 휴대용 데이터로거(GL240)을 사용하였다(Min et al., 2017).
3.1 시험 방법
시험체의 분해연소를 통해 발생된 연소생성물의 분석으로 열방출율을 측정하는 시험방법으로 콘 형태의 히터를 이용하여, 50 kw/m2의 열유속으로 열을 가하며, 점화원으로는 전기 점화원을 사용하여 시험체에서 발생하는 가연성 기체를 착화시킨다. Table 5와 같이 시편의 표면은 가로 세로 100 mm × 100 mm 정사각형으로 동일하게 하고, 시편의 하단에는 알루미늄 호일과 단열재를 이용하여 바닥으로의 열전달을 최소화하였다. 시편의 길이는 100 mm로 동일하게 적용되었으며, 두께는 각각 전력케이블 30 mm, 통신케이블 10 mm로 시험은 총 3회씩 반복 진행되었다. 가열하여 발생되는 연소가스로부터 소모되는 산소의 양으로부터 대기 산소농도인 20.59% 중 소비되는 산소 1 kg당 13.1 × 103 KJ과 동일한 열량이 발생되는 원리를 이용하여 열방출율을 계산하였다.
Specimen Standard
3.2 시험체 종류 및 시험 장치
케이블 선정은 해당 연구 프로젝트와 연관된 오창 공동구의 케이블을 대상으로 하였으며 시험체의 종류는 전력 케이블은 L사의 국가표준 KS C 3101 규격에 맞춘 제품으로 일반(Fig. 2)은 22.9 kV 동심중성선 차수형 전력케이블(CN/CV)이며, 난연(Fig. 3)은 22.9 kV 동심중성선 수밀형 무독성 난연 전력케이블(FR CNCO-W)이다. 통신 케이블은 L사의 국제 표준 IEC 규격에 맞췄으며 일반(Fig. 4)은 SM-72C이며, 난연(Fig. 5)은 SM-144C이다.
General Power Cable (22.9 kV Concentric Neutral Impervious Power Cable-CN/CV)
Incombustible Power Cable (22.9 kV Concentric Neutral Watertight Nontoxic-FR CNCO-W)
General Communication Cable (SM-72C)
Incombustible Communication Cable (SM-144C)
Fig. 6은 원추형 히터의 열원 하에서 시험시편에서 발생하는 열방출율, 연기 발생율, 착화 시간, 산소 소모량, 일산화 및 이산화탄소의 생성량, 질량감소율 등을 측정하는 장비다.
Cone Calorimeter (ISO 5660)
3.3 시험 과정
준비된 시편과 시편홀더를 질량측정 장치 위에 놓고 시험을 시작한다. 그리고 준비된 전기 점화원으로 50 kw/m2의 열유속을 가하여 지속적으로 불꽃연소가 발생할 때까지 열을 가한다. 지속적인 불꽃연소가 발생한 때에는 발생되는 데이터 값을 기록한다. 모든 데이터를 수집한 후에는 시편과 시편홀더를 제거하고 만약 불이 꺼지지 않을 경우 불을 제거한다. 그리고 나서 질량 측정 장치에 열을 차단하는 장치를 설치한다. 이후 시험실에 산소량을 파악해서 똑같은 조건의 산소량이 맞는지 체크 후에 다시 시험을 시작한다.
본 시험은 선정된 시료를 콘칼로리미터에 수평방향으로 설치하고 외부 점화장치로 50 kw/m2의 열유속을 10분 동안 노출하여, 착화시간과 열방출율을 측정했다. 0초부터 2분 간격으로 일반 전력케이블과 난연케이블을 Tables 6, 7과 같이 진행과정을 나타내었다.
Power Cable Test Process
Communication Cable Test Process
4. 결과 및 고찰
4.1 시험 결과
콘칼로리미터 시험을 통해 전력케이블과 통신케이블의 열방출율을 분석했다. 콘칼로리미터 시험은 시편마다 3회씩 수행하였으며, 이를 평균값으로 표현하여 나타내었다.
열방출율(Heat Realease Rate, HRR), 총 열방출율(Total Heat Rate, THR), 착화온도, 착화시간. O2 및, CO2 를 측정하였다. 하지만 본 시험에서는O2, CO2 는 얻고자 하는 값은 실제 크기의 지하공동구를 생각하면 화재시뮬레이션 인자값에 사용하기 힘들기 때문에 추후 룸 코너 테스트(ISO 9570)에서 얻은 결과로 대체할 것이다.
4.2 일반과 난연의 전력케이블 비교 분석
Fig. 7은 전력 케이블의 HRR값의 콘칼로리미터 시험 결과 그래프이다. HRR 시험 결과, 일반은 26초에 착화가 되었고, 난연은 50초에 착화가 되었다. 일반은 190초에 187.45 kw/m2까지 최대 열 방출율이 증가하다가 190초부터는 HRR값이 감소하기 시작한다. 난연은 60초 까지는 0 kw/m2을 유지하는데 그 이후부터 100초까지 154.41 kw/m2까지 최대 열 방출율이 증가하다가 100초부터는 감소하기 시작한다. 난연이 일반에 비해 평균 HRR값이 약 1.6배 낮다.
Power Cable HRR Graph
Fig. 8은 THR 값의 시험 결과 그래프다. THR 시험 결과, 일반은 10초마다 평균 1.1 MJ/m2 증가하며, 난연은 60초까지 0 MJ/m2을 유지하다가 그 이후부터 평균 0.75 MJ/m2 증가한다. 즉 난연이 일반에 비해 전체적인 THR값이 1.4배 낮다.
Power Cable THR Graph
4.3 일반과 난연의 통신케이블 비교 분석
Fig. 9는 통신 케이블의 HRR값의 콘칼로리미터 시험 결과 그래프이다. 시험 결과, 일반은 20초에 착화가 되었고, 난연은 40초에 착화가 되었다. 일반은 40초까지 179.12 kw/m2까지 증가하다가 40초부터 210초까지 107.63 kw/m2까지 감소한다. 210초 이후부터는 120 kw/m2를 유지한다.
Communication HRR Graph
난연은 100초까지 평균 129.97 kw/m2까지 상승한 후 100초부터 320초까지 75.74 kw/m2까지 감소다가 그 이후로 계속 유지하게 된다. 하지만 난연 통신 케이블은 330초부터 시험이 끝날 때까지 온도가 상승하더니 440초부터는 HRR값이 일반 통신케이블을 넘어서게 된다. 난연과 일반의 HRR값을 정리한 경과, 440초를 기준으로 전에는 1.4배 낮다가 그 이후부터는 1.1배까지로 떨어져서 큰 차이가 없었다.
Fig. 10은 통신 케이블의 THR 값의 시험 결과 그래프다. THR 시험 결과, 일반은 10초마다 평균1.06 MJ/m2 증가하며 난연은 50초까지 0 MJ/m2을 유지하다가 그 이후부터 평균 1.12 MJ/m2 증가한다.
Communication THR Graph
440초까지는 난연이 일반보다 1.4배 낮지만, 그 이후부터 600초까지 성능이 1.05배로 떨어지게 된다. 440초부터 600초까지만 판단하면 난연이 일반보다 1.25배 더 높다.
5. 결 론
본 연구에서는 실제 지하공동구에서 쓰고 있는 케이블에서 콘칼로리미터 시험을 통해 난연과 일반의 HRR값과 THR값의 차이를 확인하여 케이블의 난연의 필요성과 시뮬레이션에 필요한 인자값을 얻기 위해 연구를 수행하였다. 케이블의 재료를 선정하고 시험을 통해 얻은 결과값으로 활용방안 및 시험 방법을 제시하여 다음과 같은 결과가 도출했다.
첫째, 최근 국내에 지하공동구의 화재 발생으로 인해 경제적, 사회적 피해가 커지고 있다. 특히, 대부분의 지하공동구의 주요 가연물은 케이블이며 케이블 화재의 특징은 연소하기 쉽고 장기간에 걸쳐 연소를 하고 유독성 가스가 발생하여 1차 피해 뿐만 아니라 2차 피해까지 뒤따르게 된다. 그러므로 화재에 대응이 필요하며 지하공동구 화재 발생 원인을 분석하여 손실을 줄일 필요가 있다.
둘째. 본 실험은 일반과 난연의 전력⋅통신 케이블을 가로 100 mm, 세로 100 mm의 정사각형 모양으로 만들고 시험편 안에 넣고 콘 형태의 히터를 이용해 50 kw/m2의 열유속으로 열을 가하여 3회씩 반복하여 콘칼로리미터 실험을 진행했다.
셋째, 일반 전력케이블은 착화시간 26초이며 난연은 착화시간이 24초 늦은 50초이다. 일반은 최대 열방출율은 190초에 187.45 kw/m2로 나타났으며 난연은 100초에 145.44 kw/m2로 나타났다.
넷째, 일반 통신케이블은 착화시간 20초이며 최대 열방출율은 40초에 179.12 kw/m2로 나타났으며 난연 통신 케이블은 착화시간이 40초이고 최대 열방출율은 100초에 154.41 kw/m2로 나타났다. 난연과 일반의 비교 결과 최대 열방출율은 440초까지는 난연이 일반보다 1.4배 낮았지만 440초 이후에는 난연케이블이 일반 케이블보다 열방출율이 높아지는 경향을 보였으며, 이와 같은 결과를 바탕으로 신설되는 공동구에는 난연보다는 불연성 케이블 사용을 권장한다. 또한 전력케이블과 통신케이블의 크기로 인해 같은 케이블 트레이 내에서 도 가연물의 양 차이로 인해 열방출율이 더 크게 나타나는 것으로 보인다. 본 연구 논문의 시험 결과로 룸코너 테스트(ISO 9705)의 기초가 되는 자료 및 시뮬레이션의 인자값을 활용하여 공동구 위험성 평가 시뮬레이션에 활용되기를 기대한다.
감사의 글
이 논문은 2021년도 정부(과학기술정보통신부, 행정안전부, 국토교통부, 산업통상자원부)의 재원으로 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2020-0-00061, 디지털트윈 기반의 지하공동구 화재⋅재난 지원 통합플랫폼 기술개발).
