1.1 연구의 배경

케이블에서 발생되는 화재사고의 주요 원인으로는 절연열화에 의한 절연파괴로 인해 단락 및 지락고장이 발생하게 되고 고장 지점에 따라 달라지지만 허용전류의 3∼10배 정도 고장전류가 흐르게 된다. 고장전류에 의한 발열작용에 의해 케이블 도체에서 열이 발생하게 되고 이로 인해 케이블의 절연체 및 시스가 착화되어 화재로 이어지게 된다.

고압 송․배전 선로에서는 케이블의 배열에 따른 유도 전압, 고조파에 의한 영향, 전류 불균형, 자기장 분포 등을 고려하여 설치하고 있으며, 이에 대한 연구도 이루어지고 있다^[1-5]. 저압 옥내 전선로의 경우 KS C IEC 60364-5-52(저압 전기설비-제5-52부: 전기기기의 선정 및 설치-배선설비), 전기설비기술기준의 판단기준 제 194조(케이블 트레이 공사)에 의해 포설 방법 및 전선의 회로수, 주위온도, 전압강하 등 현장 여건을 고려하여 케이블을 설치하도록 하고 있으며, 케이블 트레이를 이용하여 수직 또는 수평 방향으로 설치하고 있다^[6-7]. 하지만, 그림 1에서와 같이 케이블 트레이에 설치하여 사용함에 있어 케이블을 적층하여 사용하는 문제가 발생하고 있다. 케이블 트레이에 적층하여 사용할 경우 열의 축적이 일어나고 이로 인해 케이블의 허용전류는 감소하게 되고 케이블에서 발생되는 열이 지속적으로 상승하는 형태로 악순환이 반복되어 케이블의 수명을 단축시킬 뿐만 아니라 단락 및 지락 등의 사고를 유발하여 화재를 발생시키는 요인으로도 작용한다. 케이블 화재는 전기적 결함을 비롯한 다양한 원인에 의해 착화되어 화재가 시작되며, 케이블을 통한 화염이 수직 및 수평방향으로 전파되어 화재 확산을 유도하는 매개체로 작용한다.

Fig. 1. Cable installed in the cable tray

본 연구는 케이블 트레이에 설치되는 케이블의 배열형태에 따른 열적인 상태변화를 통전되는 전류의 크기를 변화시키면서 화재 위험성을 분석 하였으며, 수직 또는 수평 배열에 따른 케이블의 화염전파 특성을 확인하였다.

2.1 케이블 트레이에서의 허용전류

케이블 트레이는 케이블을 지지하기 위해 사용되어지는 것으로 금속제 또는 불연성 재료를 이용하여 제작된 유닛 또는 유닛의 집합체 및 그에 부속하는 부속재 등으로 구성된 견고한 구조물을 말하며, 케이블 트레이가 적용된 공사방법에는 바닥 밀폐형, 통풍 채널형, 사다리형, 펀칭형 등이 사용되어 지고 있다^[7]. 저압 옥내 배선의 케이블 트레이 공사의 경우 KS C IEC 60364-5-52에 의한 시설 방법을 적용 가능하며, 공사방법, 케이블의 종류, 배치 방법, 주변온도 등에 따라 허용전류 감소계수를 적용하여 케이블의 허용전류를 도출하고 이에 맞는 케이블을 선정하여 시설하도록 하고 있다.

표 1은 기중 개방의 다심 케이블의 허용전류로 적용되는 복수의 다심 케이블 집합에 대한 저감 계수를 나타내고 있다. 수평 배열 형태의 천공형 트레이(A)와 수직 배열의 천공형 트레이(B)는 래더당 케이블의 수가 증가함에 따라 허용전류가 감소하며, 수평 배열에 비해 수직 배열의 경우 감소계수가 적은 것을 확인할 수 있다.

그림 2는 1.5$mm^2$, 17.5A의 허용 전류를 갖는 구리 전선을 케이블의 수가 증가함에 따라 표 1의 감소계수를 적용하여 나타내었다. 수평일 경우 케이블의 수가 3개일 경우 1개일 경우에 비해 허용전류가 82% 감소하는 것을 알 수 있으며, 9개일 경우 대략 73% 까지 감소하게 된다. 즉 케이블의 수가 증가함에 허용 전류가 감소하게 되고 이를 적용하여 케이블 트레이에 설치하여 사용해야 하지만 산업시설 및 일반 건축물에서 적층해서 사용하는 문제점이 발생하고 있다.

Fig. 2. Allowable current variation of cable with reduction factor

2.2 실험방법

케이블 트레이에서 케이블의 배열 형태에 따른 열적 특성을 분석하기 위해 그림 3의 (a)와 같이 트레이 양 끝단에 전류 통전을 위한 단자를 설치하고 VCTF(1.5$mm^2$×3, 허용전류 52.5A, 절연체 PVC, 최대 허용온도 70℃)케이블을 부착하여 실험에 사용하였다. 케이블의 길이는 실험 공간의 후드 및 장치의 크기 등을 고려하여 77cm로 산정하였고, 온도 변화를 측정하기 위해 열전대를 부착하였다. 케이블의 열적 특성 변화를 확인하기 위해 직류 전원 공급장치를 이용하여 허용전류의 1배, 2배로 증가시키면서 확인하였다. 실험 데이터의 측정은 내쇼날인스트루먼트의 시그널컨디셔닝 시스템과 랩뷰 프로그램을 이용하였다. 그림 3의 (b)는 수직 또는 수평 배열에 따른 케이블의 화염 전파 특성을 측정하기 위한 구성도이다. 케이블의 열적인 상태에 따라 수평 및 수직으로 전파되는 화염의 속도를 확인하기 위해 케이블의 온도는 허용전류의 0, 0.5배, 1배, 1.5배, 2배 전류를 통전하여 변화 시켰으며, 분젠버너를 이용하여 케이블을 착화시켰다. 분젠버너의 연료는 LPG를 사용하였으며, 유량계를 이용하여 10cc/min으로 일정하게 조정하였고 케이블과의 거리는 20cm, 화염 접촉시간은 20초, 실험시간은 화염접촉 후 2분간 진행하였다. 케이블의 화염전파 속도는 실험 종료 후 케이블이 연소된 거리를 기준으로 산정하였다.

Fig. 3. Hardware setup

3.1 배열형태에 따른 열적 특성

그림 4는 실험에 사용된 VCTF 케이블의 허용전류 배수에 따른 온도변화를 확인하여 케이블 트레이에서 배열 형태에 따른 열적 특성을 분석하기 위한 기초 실험 결과를 나타내고 있다. 케이블 트레이에 수평 방향으로 1개의 케이블을 부착하고 허용전류의 1배, 2배, 3배, 4배 통전시의 온도변화를 확인하였다. 허용전류 2배에서 케이블의 온도는 130℃까지 상승하여 열분해가 시작 되었으며, 3배 통전시 522℃까지 상승하여 절연체의 소손이 발생하였고 케이블에 부착된 열전대가 표면에서 떨어져 정확한 온도의 측정이 불가능 하였다. 이를 통해 열분해는 발생하지만 절연체의 물리적인 외형 손상이 발생하지 않는 허용 전류의 2배까지 통전하여 케이블 트레이에서 배열 형태에 따른 열적 특성을 분석하였다.

Fig. 4. Preliminary test results of temperature variation of the VCTF cable

그림 5는 1개, 3개, 6개의 케이블을 수평방향으로 배열 후 허용전류 1배, 2배 전류 통전시 온도변화를 나타내고 있다. 케이블의 수가 1개에서 3개, 6개로 증가됨에 따라 허용전류 1배에서의 내부 온도는 49℃, 51℃, 55℃로 증가되며, 2배에서는 146℃, 157℃, 163℃로 증가하였다. 수평방향으로 케이블 배열에 따라 내측의 온도는 최대 17℃, 외측의 온도는 최대 5℃의 차이를 보였다. 상대적으로 대류에 의한 열 전달과 열 축적이 발생되기 어려운 외측의 온도 차이가 낮은 것을 확인할 수 있다. 즉 케이블의 수가 증가됨에 따라 케이블간의 열 교환이 발생하게 되고 수평방향으로 열이 축적되어 내측에 위치한 케이블의 온도가 상승하는 원인으로 작용하는 것을 알 수 있다. 하지만 수평방향으로의 경우 케이블의 수가 6개 이상 증가되더라도 케이블간의 열 교환이 대칭적으로 발생함으로서 온도가 계속해서 상승하는 문제는 발생하지 않았다.

Fig. 5. Temperature variation of VCTF cable according to horizontal formation at cable tray

Fig. 6. Temperature variation of VCTF cable according to trefoil formation at cable tray

그림 6은 삼각형 형태로 3개의 케이블을 배열 후 허용전류의 1배, 2배 전류 통전에 따른 온도변화를 측정한 결과이다. 케이블 내측의 온도는 허용전류 1배에서 60℃, 2배에서 185℃로 6개의 케이블을 수평배열 했을 때 보다 22℃ 높은 온도를 보였으며, 1개의 케이블과 비교하여 39℃ 높은 온도로 상승하였다. 삼각형 형태일 경우 각 케이블에서 발생되는 열이 케이블의 내측에 집중되어 열의 상승을 가속화 시키는 요인으로 작용하고 있는 것으로 사료되지만, 외부로의 열 확산이 용이한 케이블 외측의 온도는 수평방향 배열과 비교하여 큰 온도 차이를 보이지 않았다.

Fig. 7. Temperature variation of VCTF cable according to square formation at cable tray

그림 7은 사각형으로 4개, 6개, 9개의 케이블을 배열 후 허용전류의 1배, 2배 전류 통전에 따른 온도변화를 측정한 결과이다. 케이블 내측에 설치한 열전대의 온도는 허용전류 2배에서 185℃, 255℃, 305℃로 상승하였다. 수평방향으로만 케이블을 배열했을 경우와 비교하여 약 2배 정도의 온도 상승을 보였다. 허용전류 1배에서의 온도는 배열 형태에 따라 온도 차이가 있지만 최대 62℃까지 온도가 상승하였다. VCTF 케이블의 경우 최대 허용온도가 70℃이고 온도 상승에 따른 절연저항이 급격히 감소하는 특징을 가지고 있다^[8]. 허용전류의 1배에서 케이블을 사용할 경우 케이블의 온도는 최대 사용온도까지 상승할 우려가 있을 뿐만 아니라 절연체의 열화를 가속화 시키는 원인으로 작용하여 단락 및 지락과 같은 사고를 유발하게 되는 원인으로 작용하게 된다.

3.2 케이블의 화염전파 특성

케이블은 구획되어 있는 건축물의 각 공간에 전기에너지의 사용을 위해 연결되어 있다. 케이블은 연소될 때 유독성 연기를 발생시킬 뿐만 아니라 화염이 전파되는 경로로 작용을 하고 있다. 따라서 대부분의 케이블은 난연 소재로 제작 되어 있으나 내화․내열 성능이 있는 케이블의 경우에는 경제성 때문에 일부 구간을 제외하고 사용되지 못하고 있다. 그림 3의 (b)에서와 같이 화염전파 특성 실험을 위해 장치를 구성하고 수직 및 수평방향으로 케이블을 부착 후 허용전류를 증가시키면서 전파속도를 확인하였다.

Fig. 8. Rate of flame spread in vertical and horizontal trays

그림 8은 케이블에 통전되는 전류가 증가함에 따라 수직 및 수평 방향으로의 화염전파 특성을 나타내고 있다. 수직으로의 화염전파 속도는 전류가 증가함에 따라 0.5cm/sec에서 2.7cm/sec까지 증가하였고 수평으로의 전파속도는 허용전류의 0.5배 이내에서는 케이블 착화를 위한 분젠버너 제거 직후에 바로 소화되었으나 1배, 1.5배, 2배에서는 0.25cm/sec에서 0.95cm/sec로 전파되었다. 케이블의 화염전파 속도는 동일 조건에서 수직방향으로의 전파속도가 수평방향에 비해 빠른 것을 알 수 있으며, 이는 케이블이 연소될 때 화염이 위쪽으로 상승하는 부력효과에 의해 발생하는 현상이다. 케이블에 통전되는 전류가 증가함에 따라 구리도체의 온도가 상승하게 되며, 열전달에 의해 절연체의 온도가 높아지게 된다. 이로 인해 절연체의 열분해 속도가 빨라지게 되고 연료 유입량이 늘어나기 때문에 온도가 높을수록 화염전파 속도가 빨라지게 된다. 따라서 과전류에 의한 케이블의 온도 상승뿐만 아니라 주변 온도 상승에 의해서도 화염 전파 속도는 빨라지게 될 것으로 판단된다.

Fig. 9. Picture of flame spread in vertical tray

그림 9는 수직으로의 화염 전파특성 실험 사진이다. 앞서 실험결과에서와 같이 허용전류의 2배에서 화염전파 속도가 가장 빠른 것을 확인할 수 있다.