1.1 연구의 배경

화재의 원인은 인적(부주의), 물적(전기, 기계, 화학적 원인 등) 요인과 자연적인 요인 등으로 분류된다. Table 1의 소방청 국가화재정보시스템 통계자료에 따르면 최근 5년간(2017-2021) 국내 화재 발생 건수는 연간 36,000건 이상으로 매년 감소 추세에 있으나 재산피해액은 2017년 대비 2021년 2배 가까이 증가하였다. 전기적 요인으로 인한 화재의 비중은 2017년 20.9%이며 2021년에는 5.2% 증가한 26.1%로 나타났으며, 전기화재에 따른 재산피해액은 2017년 대비 2021년 5.6배 가량 증가하였다^[1].

2021년 전기적 발화요인을 분류하면 Fig. 1과 같이 미확인 단락(29.3%), 절연열화에 의한 단락(21.3%), 트래킹에 의한 단락(12.7%), 접촉불량에 의한 단락(10.8%), 과부하/과전류(8%), 압착･손상에 의한 단락(4.6%), 누전･지락(2.7%), 반단선(1.8%), 층간단락(1%) 등이다^[2]. 이 중 단락과 단선에 의한 전기화재는 아크가 발화요인이 되어 주변의 가연물질, 착화물로 확대되어 발생한 화재로 볼 수 있으며, 전체의 79.3%를 차지한다^[1].

Fig. 1. Types of ignition sources in 2021

1.2 연구의 목적

국내에서는 전기설비의 안전과 소방방재적 차원에서 누전차단기, 과전류 차단기, 배선용 차단기 등을 사용하고 있다^[3]. 고장전류가 상대적으로 큰 병렬아크와 누설전류를 발생시키는 접지아크는 기존의 차단기를 통해 비교적 쉽게 차단될 수 있지만, 직렬 아크의 경우 큰 아크 임피던스로 인한 작은 고장전류로 인해 기존 차단기의 동작 범위 내에서는 검출과 차단이 어렵다^[4]. 기존 보호장치에 의해 검출되지 않는 영역의 아크일지라도 아크의 에너지는 단시간에 인화성 물질, 유기 절연 물질 등을 착화시키기에 충분하다^[5]. 따라서 직렬 아크에 의한 전기화재 감소를 위하여 아크 검출 및 차단이 가능한 아크차단기의 도입이 요구되고 있다. 하지만 현재로서는 아크차단기의 규정, 시험인증, 기술 등이 미비한 실정이다^[4-7].

해외의 경우, 국제전기기술위원회(International Electrotechnical Commission, IEC)의 국제 표준 IEC 60364-4-42, 미국 전기규정(National Electrical Code, NEC) 등을 통해 아크 검출기 및 차단기 보급의 기틀을 마련하고 있다^[8-9]. 특히 미국과 캐나다에서는 주택에 아크차단기를 의무 적용 중이며, 이를 통해 화재 감소 효과를 검증하였다^[10]. 또한 유럽, 호주와 뉴질랜드에서도 아크차단기에 대한 시험 표준과 설치 기준을 제정하여 필요에 따라 의무화 해나가고 있다^[11].

본 연구에서는 전기화재의 주요 원인인 아크 사고에 대한 보호대책으로 아크차단기의 국내외 적용 동향을 살펴보고 아크차단기의 국내 도입을 위한 규정 및 제도, 시험 규격 및 인증, 설치 도입 방식 등을 검토·고찰하고, 아크차단기 도입의 기대효과를 제시하고자 한다.

2.1 해외 동향

Table 2와 같이 해외 주요국가에서 아크차단기의 필요성을 인지하고 관련 기술기준을 제·개정하여 아크차단기의 법제화를 실시하고 있다.

미국의 경우 1990년대 중반 연간 40,000건 이상의 전기화재가 발생하였다. 특히 1996년 6억 8천만 달러 이상의 주거 자산 손실이 가정 화재로 인해 발생한 것으로 파악하고, 고급 유형의 회로 보호에 대한 코드 및 표준을 개발하였다. 미국 전기규정의 1999년 판에서는 전기 아크의 위험을 제거하기 위한 새로운 제안들이 있었으며, 그 결과로 210.12 사고 아크 회로 차단기(Arc Fault Circuit Interrupter, AFCI)를 통한 보호방법 의무화를 법제화하였다. 이 규정에서 주거 단위 침실에 설치된 단상 125V, 15A 및 20A 콘센트로 전원을 공급하는 모든 회로에 사고 아크 회로 차단기를 요구하였다. 3년 주기로 개정을 거쳐 2011년에는 사고 아크 회로 차단기에 대한 요구사항이 신축 건물과 기존 주택의 주방, 거실, 서재, 침실, 욕실 등으로 확대 적용되었다^{[12, 13]}. 또한 분기/지선(branch/feeder), 조합형(combination) 등의 사고 아크 회로 차단기는 1999년 제정된 설계 및 시험 표준인 UL1699 대전류 아크 보호에 대한 요구사항을 만족해야 한다^[13].

캐나다의 경우에는 2002년 캐나다 전기규정(Canada Electrical Code, CEC) 26.722에서 각 주택 침실에 설치된 콘센트로 전원을 공급하는 분기회로에 사고 아크 회로 차단기를 통한 보호가 제공되어야 함을 의무화 하였고, 여기에 적용하는 사고 아크 회로 차단기는 고장 아크가 검출될 시 전기회로의 차단을 통해 아크 고장으로부터 회로를 보호하기 위한 장치로 정의하였다^[14].

유럽연합의 경우에는 전기, 전자, 통신 원자력 등의 분야에서 각국의 규격·표준의 조정을 행하는 국제전기기술위원회가 아크 고장 검출 장치(Arc Fault Detection Devices, AFDD)의 일반적인 요구 조건에 대해 다루는 IEC 62606과 저압 전기설비의 안전을 위한 보호–열 영향에 대한 보호에 관한 IEC 60364-4-42를 제정함으로써 세계적으로 아크차단기가 보급될 수 있는 기틀을 마련하였다^{[8, 15]}. 특히 IEC62606-4-42에서 아크 고장 검출 장치는 숙박시설 구내, 화재확산구조물, 소실 시 대체불가능한 물품이 있는 장소 등과 더불어 세탁기, 건조기, 식기세척기 등의 부하가 연결된 주 회로에 설치하는 것을 권장한다.

독일의 경우에는 DIN VDE 0100-420을 제정하여 공장, 공항, 기차역, 지하철역, 박물관 등 공공건물, 데이터센터, 어린이집, 요양원 등에서의 아크고장 검출장치의 설치를 의무화하였다^{[11, 16]}.

영국의 경우에는 2018년 BS7671을 제정하여 아크고장 검출장치의 설치를 단순 권장하였다. 그러나 2022년 이를 개정한 BS 7671:2018+A2:2022에서는 일부 고위험 주거용 건물, 학생들을 위한 기숙시설, 요양원 등에서 아크고장 검출장치 설치 의무화를 규정하고 있다^[17-18].

오스트리아와 뉴질랜드의 경우에는 AS/NZS3000: 2018에서 숙박시설, 가연성 자재 저장시설, 가연성 자재 건물, 화재 확산 구조 등에서의 아크고장 검출장치의 사용을 권장하고 있다. 특히 뉴질랜드에서는 가연성 자재 저장시설, 대체 불가 품목 저장시설, 인화성 자재로 된 역사 유적, 학교 기숙사 등에서 아크고장 검출장치를 의무화 하고 있다^[19].

아크차단기 설치 권고와 의무화에 따라 전세계적으로 아크차단기 시장 또한 확대되고 있다. Global research & Data의 2019년 세계 아크차단기 시장 보고서에서는 아시아의 아크차단기 시장 점유율에 대해 다루고 있는데, 이 보고서에 따르면 아시아의 경우, 일본이 가장 높은 아크차단기 시장 점유율을 가지는 것으로 파악되었다. 2016년 중국은 24.87%, 인도는 9.11%의 아크차단기 시장을 점유하였고 일본은 2017년 시장에서 28.38%의 점유율을 차지하였다^[20]. 일본을 중심으로 아시아에서도 아크차단기의 시장이 점차 확대되고 있음을 확인할 수 있다.

2.2 국내 동향

국내에서는 아크차단기 설치와 관련하여서 한국전기설비규정(Korea Electro-technical Code, KEC)과 건설기준 설계코드(Korean Design Standard, KDS)에서 규정하고 있으며, 아크차단기 표준은 KS C IEC 62606 사고 아크 검출장치에 대한 일반조건을 기준으로 하고 있다.

한국전기설비규정의 113.3 열 영향에 대한 보호 조항에서 ‘고온 또는 아크로 인해 가연물이 발화 또는 손상되지 않도록 전기설비를 설치하여야 한다’라고 규정하고 있다^[21]. 이 조항을 통해 아크의 위험성을 인지하고 고온 또는 아크로 인한 사고에 대한 보호대책을 마련하도록 하고 있다. 또한 2장 저압 전기설비의 214.2 화재 및 화상방지에 대한 보호 조항에서는 ‘화재의 위험성이 높은 20A 이하의 분기회로에는 전기 아크로 인한 화재의 우려가 없도록 KS C IEC 62606에 적합한 장치를 각각 시설할 수 있다’라고 권장하고 있다.

건설기준 KDS 31 65 10:2019 간선 및 배선설비 4.4.3 간선 및 분기회로의 보호 조항의 (1)에서 ‘간선 및 분기회로의 과부하, 지락 및 단락, 아크고장 등의 상태로부터 보호에 관한 사항은 전기설비기술기준에 적합하게 설계한다’ 라고 규정하고 있다^[22].

2014년에 제정된 국내 아크차단기 관련 표준인 KS C IEC 62606 사고 아크 검출장치에 대한 일반조건은 IEC 62606의 기술적 내용 및 구성을 기초로 작성한 것이며, 이는 의무화 규정은 아니다. 또한 해당 표준에서 사고 아크 회로 차단기(Arc Fault Circuit Interrupter, AFCI)와 사고 아크 검출 장치(Arc Fault Detection Device, AFDD)를 유사한 것으로 보고 있다^[23].

미국의 UL1699 기준에 따라 국내에서도 아크차단기에 대한 인증을 수행하고 있기는 하지만 국내의 자체적인 기술기준 및 평가 기준으로 제시되고 있는 표준안은 아직까지 제시되고 있지 않다^[7].

이처럼 국내에서는 아크차단기 기술기준과 제도가 명확하게 마련되지 않은 상황이므로 기술개발, 인증시험, 제품 생산, 설치·보급 등의 산업 생태계가 형성되기 어려운 실정이다. 따라서, 국내 아크차단기 도입의 필요성 증대와 더불어 아크차단기의 기술력 향상, 사업성 증대, 투자 연계 등이 이루어지기 위해서는 국내의 자체적인 아크차단기의 기술기준 및 제도 도입이 필요하다.

3.1 아크차단기 용어 및 법제 정비

국내 아크차단기 표준은 IEC 표준을 기초로 하여 그 기술적 내용과 구성을 준용함으로써 아크차단기 용어의 정의가 불명확하게 되었다. 즉, 해당 표준에서 사고 아크 회로차단기와 사고 아크 검출장치를 동일한 아크 차단장치로 보고 있다. 차단기의 사전적 정의는 ‘전기회로를 개폐하는 장치’이며 검출기의 사전적 정의는 ‘물체·방사선·화학 물질 등의 존재를 검출하는 데 쓰이는 장치’임에 근거하여 아크 검출기는 아크차단기와 명확하게 다른 기능과 목적을 가진 장치라고 할 수 있다. KS C IEC 62606 사고 아크 검출장치에 대한 일반조건은 사고 아크를 검출하는 장치에 대한 사항이 아닌 사고 아크 차단기로서의 동작 특성, 시험 조건 등을 제시하고 있으므로 용어에 있어 혼동을 줄 수 있다. 향후 아크차단기의 법제화를 시행할 경우, 아크차단기와 아크검출기 등과 같은 용어의 경계를 정하여 불필요한 혼동을 없앨 필요가 있으며, 나아가 규정 간 용어의 통일을 이루어야 할 것이다.

3.2 아크차단기 시험·인증 기준 마련

국내에 도입된 아크차단기 관련 해외 표준으로 IEC 62606, IEC 60364 등이 있으나 국내 자체기준은 마련되어 있지 않다. 국내와 해외는 표준전압뿐만 아니라 안정성과 신뢰성에 대한 접근이 다르다. 따라서 국내 전기설비규정에 적합한 아크차단기의 자체적인 기준을 제시해야 한다. 시험·인증 기준의 경우 미국의 UL1699에 의거한 인증을 국내에서도 수행하고 있으나 이를 국내 기준으로 단순 적용하기에는 무리가 있다고 할 수 있다.

국내 아크차단기 기술 및 시험･인증 기준 마련을 위해 사고 아크 신호를 감지하고 구분하는 기술, 신호 처리와 분석 기술, 아크차단기의 민감도, 검출 대역에 대한 분석 등과 같은 기초 연구와 시험 및 인증 기준에 대한 전문가들의 자문과 협의가 필요하다. 아크를 검출하고 차단하는 기술 이외에도 아크차단기의 적용 범위, 성능, 시설 조건, 시설 방법, 시설 장소, 시험 평가, 점검 방법, 수명 등에 대한 기준이 함께 마련되어야 한다.

이러한 논의를 바탕으로 자체적인 시험·인증 기준을 마련하고 연구 개발 및 투자를 통해 국내외 아크차단기 기술 격차를 해소해나갈 수 있을 것이다.

3.3 아크차단기 설치 의무 법제화

한국전기설비규정 2장 저압 전기설비의 214.2 화재 및 화상방지에 대한 보호 조항에서 ‘화재의 위험성이 높은 20A 이하의 분기회로에는 전기 아크로 인한 화재의 우려가 없도록 KS C IEC 62606에 적합한 장치를 각각 시설할 수 있다’ 라고 명시하고 있다. 또한 KS C IEC 62606과 KS C IEC 60364-4-42 저전압 전기설비 - 제4-42부: 안전을 위한 보호 - 열 영향에 대한 보호 조항에서는 아크 고장 검출장치를 화재 취약장소 등에서 아크로 인한 재해를 예방하기 위한 장치로의 사용을 권장하고 있다^[24].

아크차단기 도입 및 설치 의무화를 시행하기 위한 방법으로는 첫째, 미국과 캐나다의 경우와 같이 아크차단기를 먼저 의무화한 후 개정을 통해 그 적용 범위를 넓혀가는 방법이 있으며, 둘째, 독일·영국, 뉴질랜드 등과 같이 IEC 표준으로부터 아크차단기를 권고 수준으로 제시한 후 관련 규정 제·개정을 통해 아크차단기의 의무화를 순차적으로 적용하는 방법이 있다.

현재 우리나라에서는 KS C IEC 표준과 KEC 기준에 근거하여 아크차단기를 이미 권고하는 수준에 있으므로, 독일과 영국, 뉴질랜드 등의 사례를 적용하는 것이 보다 용이하며 바람직할 것으로 본다. 아크차단기의 설치는 협소한 범위에서부터 의무화하고, 설치 범위와 적용은 점차적으로 확대하여야 할 것이다.