2.1 연간 전기화재 분석

그림. 1. 전기화재 발생 비율 및 전기화재로 인한 재산 피해액

Fig. 1. Ratio and property loss of electrical fire

한국전기안전공사의 전기재해통계분석을 통해 2013년부터 2021년까지의 전체 화재 중 전기화재의 비율을 분석하였다⁽¹³⁾. 2013년부터 2021년까지의 화재 중 전기화재 발생 점유율의 평균은 20.28%로 나타났다(그림 1). 2016년 가장 낮은 수치인 17.4%를 기록하였고 2021년 가장 높은 수치인 22.7%를 기록하였다. 전기화재로 인한 재산 피해에서는 2016년 약 627억으로 가장 낮은 재산 피해가 발생하였고 2021년 약 6,026억으로 가장 높은 재산 피해가 발생하였으며 2019년 약 2,207억으로 두 번째 높은 수치를 기록하였다. 이는 전기화재로 인해 발생한 대형 화재인 이천 물류센터 화재(2021년)와 고성 대형 산불(2019년)의 영향이다. 이와 같은 대형 화재를 제외하더라도 전기화재로 인한 재산 피해는 증가하는 추세를 보이고 있다. 전체 화재 중 전기화재의 비율과 증가하는 재산 피해액을 살펴보면 국가 차원에서의 다양한 노력과 예산 투입에도 불구하고 피해액(건당 16.8백만원)과 비율(평균 21.5%, 연간 8,500건 내외)에서 감소 효과가 크게 나타나지 않았다.

그림. 2. 전기설비 운영 기간에 따른 (a) 일반용 및 (b) 자가용 전기설비의 전기화재 발생비율

Fig. 2. (a) Ratio of electrical fire by the operation year of electrical euipments installed for (a) genearal and (b) private use.

그림 2는 일반용 전기설비와 자가용 전기설비의 사용연도에 따른 전기화재 비율을 나타난 그래프이다. 전기안전관리법에 의해 자가용 설비(75kW 이상)는 1-4년 주기의 정기 검사가 이루어지고 있고, 전기안전관리자를 선임하여 지속적으로 전기설비를 관리하고 있다. 또한 검사에서 문제가 발생 시 해당 설비 교체를 하고 있다. 그 결과 주로 화재는 일반적인 전기설비의 고장률 모델인 Bathtub⁽¹⁴⁾ 모양의 분포가 아니라 20년 이상 된 설비의 화재 비율이 급격하게 감소하는 모습을 보여주고 있다. 반대로 2021년까지 제도적으로 전기설비 정기점검이 의무 대상이 아닌 일반용 전기설비의 경우, 20년 이상 된 설비의 화재 발생 점유율이 급격하게 증가하는 현상이 발생한다. 정기 검사 유무 이외에도, 전압의 계급, 부하 종류, 전력 사용량, 부품별로 다른 기대 수명 등 여러 가지 원인이 영향을 미치나, 전기설비의 지속적인 관리가 전기화재 감소에 어느 정도 기여할 수 있음을 보여준다.⁽¹⁵⁾.

현재 전기안전 설비를 위해서는 사업장과 세대마다 누전차단기와 배선차단기(Mold case circuit breaker)가 도입되어 있으며 수배전 설비의 경우 누전경보기, Surge protector, Fuse 등 다양한 설비들이 설치되어 전기사고 안전성 향상에 기여하고 있다. 하지만 설비의 장시간 동작으로 인한 열화, 원활한 전기 공급을 위해 일정 수준의 설정값을 유지하는 보호장치의 동작특성, 새로운 기기(직류 송배전, 에너지 저장장치, 신재생 발전원, 전기자동차 등) 등의 도입으로 인해 기존 보호 기기들로 보호가 힘든 설비들이 늘어나고 있다. 이는 새로운 형태의 전기화재 발생의 원인이 되어 전체 화재 건수와 피해액에 영향을 주고 있다. 이에 원격감시를 통해 실시간으로 위험을 파악하고 화재를 방지하는 시스템을 구축한다면 안전성 확보에 크게 기여할 것으로 예상된다. 따라서 원격 감시 설비 도입의 우선순위와 기능에 대해 통계를 기반으로 분석해 보았다.

2.2 피해 분석을 통한 우선 순위 도출

1) 피해 분석을 통한 우선 설치 장소 선정

원격 전력 모니터링 시스템을 활용한 원격 점검에 대한 초기 시스템 구성 시, 전기설비를 사용하는 모든 시설에 활용하는 것이 전기화재로 인한 피해를 줄이는 좋은 방안이다. 하지만 시스템 구성에 필요한 예산 확보의 문제와 방대한 데이터양에 대한 처리의 문제가 발생하게 된다. 이에 전기화재별 피해자 숫자와 피해 금액을 기반으로 우선적으로 적용하여야 하는 시설을 도출하고자 한다. 이를 위해 전기화재로 인해 발생하는 인명피해와 재산피해를 장소별로 분석하였다.

인명피해와 재산 피해의 수치만 고려하였을 때, 사망자는 주거시설이 255명으로 가장 높았고 부상자 또한 주거시설이 1,283명으로 가장 높았다. 재산 피해는 산업시설이 약 9,800억으로 가장 높게 나타났다. 하지만 주거시설과 산업시설의 경우 전체 개소의 모수가 다른 장소 대비 월등히 높아 피해액과 피해자 수치가 높게 측정이 되었다. 따라서 정확한 사고 피해 분석을 위해 장소에 따른 전기화재 발생 건당 피해액, 사망자, 부상자를 그림 3과 같이 비교하였다.

인명피해 부분에서는 의료시설이 사고 100건당 사망자 수와 부상자 수가 각각 3.6, 18.2명으로 주거시설 대비 2-3배 높게 나타났다. 그 다음으로 산림과 주거시설에서 화재가 발생한 경우 건당 피해자 숫자가 높게 나타났다. 일반적으로 화재 상황에서는 화재에 대한 빠른 감지가 이루어지는 경우 원활한 대피가 이루어져서 사망과 부상 확률이 낮아진다^(16,17). 그런데 전기화재로 인한 인명피해가 높게 나타난 주거시설의 경우 수면 등으로 인해 화재를 조기에 인지하지 못하여 신속한 대피를 하지 못한 경우가 많았으며, 의료시설의 경우 거동이 불편한 환자와 신체능력이 낮은 고령자들로 인해 신속한 대피가 어려워 많은 사상자가 발생한 것으로 예상된다⁽¹⁸⁾.

한편 전기화재로 인한 재산 피해 부분에서는 임야가 건당 약 11억으로 가장 높은 재산 피해를 기록하였다. 이는 고성 대형 산불(2019년)의 재산 피해액 산정으로 인해 높게 측정된 수치이다. 이를 제외하면 산업시설에서 건당 재산 피해가 2,560만원으로 가장 크게 나타났다. 화재 발생 시 산업시설의 경우 제품 및 기계 장비의 손상과 근로자들의 치료비 및 손해 배상금, 생산중단으로 인한 손해 배상 요구 등으로 인해 사고 발생 시 재산 피해가 높게 측정되었다⁽¹⁹⁾.

따라서 실시간 원격 감시 시스템을 적용하는 경우, 인명 피해가 크게 발생하는 의료시설에 대한 우선 도입이 시급하다. 또한 재산 피해가 크게 발생하는 산업시설에 대한 보급사업이 우선 진행된다면 그 효과가 클 것으로 예상된다.

그림. 3. 전기화재 사고 100건당 (a) 사망자 수, (b) 부상자 수. (c) 전기화재사고 건당 재산 피해액

Fig. 3. Average casualty of electrical fire per 100 cases depending on the installation sites: (a) Death, (b) Injuries, and (c) Property loss

2) 발화 원인 분석을 통한 우선 점검 항목 선정

현재 전기화재를 예방하기 위해 누전차단기, 배선차단기 등 다양한 안전장치를 법제화하고 있고, 이를 통해 전기화재 감소에 크게 기여하였다. 하지만 원활한 전기 공급을 위해 낮은 수준의 누전이나 짧은 기간의 과전류를 허용하는 기계적 특성으로 인해 전기화재를 완전하게 막는 것이 불가능하다. 또한 화재의 주요 원인이 되는 단락 발생에 효과적으로 대처하지 못하고 있는 상황이다. 더불어서 수용가에 설치된 차단기의 교체 주기는 법적으로 규정되어 있지 않아서 노후화된 차단기가 이상 상황 발생 시 정상적인 작동이 불가한 경우가 발생한다. 따라서 원격 점검 장치에 도입되어야 할 실시간 점검 항목의 도출을 위해 전기화재의 발화원인을 분석하였다. 이를 통해 발화 원인 중 원격 점검 장치를 활용하여 점검 가능한 주요 항목을 도출하였다.

그림. 4. 전기화재 발화 원인 (2013-2021)

Fig. 4. Cause of electrical fire (2013-2021)

그림 4에서 볼 수 있듯이 가장 비중이 큰 발화원인은 단락 (Short fault)이다. 미확인 단락을 포함한 절연 열화(Insulation fault), 트래킹(Tracking), 압착 손상 (Mechanical damage) 등에 의한 단락으로 발생하는 전기화재의 9년간 평균은 67.9%이다. 단락의 경우 노후화된 전선 및 전기기기의 절연 열화, 압착 손상과 트래킹과 같이 부도체 사이에 도전 통로의 형성과 같은 현상이 자주 발생하여 전기화재를 발생시키는 원인 중 가장 큰 비율을 차지하고 있다. 단락의 경우 순간 발생하여 전조 증상을 찾기 매우 힘드나, 단락 발생 전에 낮은 수준의 누설전류가 발생하거나 순간 과전류가 발생하는 경향이 나타난다. 현재 관리되지 않고 있는 낮은 수준의 누설전류나 순간 과전류를 측정하고 관리한다면 단락으로 인한 전기화재 감소에 기여할 수 있을 것으로 본다.

과전류(Over current)에 의한 전기화재의 9년간 평균은 전체 전기화재의 9.6%를 차지하고 있다. 지난 9년간 꾸준히 감소하는 추세를 보이지만 단락으로 인한 화재를 제외하면 접촉 불량과 같이 높은 비율을 차지하고 있다. 현재 과전류를 방지하기 위해 주로 많이 사용되는 설비는 퓨즈와 배선차단기(Mold case circuit breaker) 이다. 가정이나 소규모 사업장에서는 규정전류 보다 높은 전류가 일정 시간 이상 흐르면 자동으로 전기 공급을 차단하는 배선차단기를 주로 사용한다. 배선차단기가 높은 수준의 장시간 과전류를 차단하는 데 기여할 수 있지만, KS C IEC 60898-1에서 정의된 바와 같이 규정전류의 1.13배 이하의 전류가 장시간 흐르거나, 1.45배 이하의 전류가 1시간 이내로 흐르는 경우 원활한 전기 공급을 위해 전기 공급을 차단하지 않아서 설비가 과전류에 노출되는 경우 100% 보호가 불가능하다⁽²⁰⁾. 또한 2020년 국내 노후 설비를 중심으로 분석한 연구 결과에 의하면 많은 수의 설비가 장시간 동작으로 열화되어 과전류에서 제대로 동작하지 못하는 경우들이 보고된다⁽²¹⁾. 따라서 기준 이하의 낮은 수준으로 짧은 시간동안 발생하는 과전류에 대해 감지하고, 차단기 고장 유무에 상관없이 위험 상황이 반복적으로 발생하는 사용자를 인지할 수 있다면 과전류에 의한 화재에 대해 감소 효과가 있을 것이다.

9년간 누전(Leakage)에 의한 전기화재의 평균은 전체 전기화재의 3.9%를 차지하고 있다. 누전에 의한 가열이나 지락에 의한 사고를 예방하기 위해 누전 차단기와 접지선을 설치하여 사용하고 있다. 하지만 현재 가정과 사업장에 설치된 누전 차단기는 30mA 이하의 누전에 대해서는 원활한 전기 공급을 위해 인체 감전 보호 범위이내에서 허용하고 있기에 낮은 수준의 누설 전류를 완전하게 예방하지 못하고 있다^(22,23). 낮은 수준의 누설전류가 지속적으로 발생하는 경우 화재 확률은 낮으나 장기간 누전으로 발생된 열이 누적되는 경우 화재로 연결될 가능성이 있다⁽²⁴⁾. 한편 누전차단기 설치에도 불구하고 짧은 기간 동안 매우 높은 누전 전류가 발생하면 에너지가 그대로 전달되어 화재 가능성이 있다. 또한 노후화된 누전차단기의 오작동에 의해 누전이 발생하여도 제대로 동작하지 못하는 경우가 발생한다^(21,25,26). 이러한 이유로 매년 300건 이상의 누전 관련 전기화재가 발생하고 있다. 따라서 낮은 수준의 누설 전류 (30mA 이하)가 지속적으로 발생하는 경우 이를 기록하고 차단기 이외에 별로도 경고하는 시스템이 구축된다면 누전뿐만 아니라 전체 전기화재 예방에 효과적일 것이다.

반단선(Partial disconnection)과 접촉 불량(Poor contact, 9년간 평균 9.7%) 역시 화재의 원인 중 하나이다. 반단선의 경우 선의 일부가 파손되어 특정 부위의 온도 상승이 일어나 발화되는 화재이다. 반단선이 일어나면 순간 단락으로 방전을 일으키게 되고 높은 열로 주변 절연체의 특성을 약화시켜서 화재가 발생한다. 반단선이 발생하면 바로 화재로 연결되지 않고, 단락과 유사하게 발화 전에 장기간 동안 순간 과전류와 낮은 수준의 누전을 동반한다. 하지만 누전차단기와 배선차단기에서는 이에 대한 적절한 대처가 불가능한 문제점이 있다 ⁽²⁰⁾. 이를 실시간으로 감시하면 적절한 대처가 가능할 것으로 보여진다. 한편 접촉불량은 두 전선이 만나는 부위나 전선의 특정 부위에서 기계적 결합이 약해지거나 이물질들이 들어와서 저항을 증가시키고 이로 인해 화재로 연결되는 경우와 배전반에 입력되는 전선과 차단기 사이, 차단기와 옥내배선 사이, 전기 설비전기설비내부에서 전선의 결합이 외력이나 지속적인 진동으로 약해지는 경우 발생할 수 있다 ⁽²⁷⁾. 증가한 저항만큼 줄 히팅(Joule heating)에 의해 접촉 불량 부위에서 전력이 소모되고 온도가 상승하여 화재 발생이 가능하다. 접촉 불량의 경우 화재가 발생 가능한 지점에 대해서 온도 측정으로 방지가 가능하나, 전선의 길이가 길고 먼 전선에서 발생하는 열감지가 어려워 현실적으로 관리가 어려운 문제가 있다.

따라서 이를 정리해 보면 순간 과전류, 지속적인 누전에 대해 실시간으로 감지하고 관리하는 시스템이 구축된다면, 단락, 누전, 과전류, 반단선 등으로 인해 발생하는 전기화재를 줄이는 데 큰 기여를 할 수 있을 것으로 예상된다.

3) 기상 조건을 고려한 이상 신호 대응 시스템 구축

전기설비의 이상을 감지할 수 있다면 이에 걸맞게 이상 상황에서 조치를 취할 수 있는 시스템의 구축도 필요하다. 실시간으로 전송되는 전기설비의 상태 데이터를 기반으로 이상 신호가 감지되면 전문 기술자를 이용하여 설비에 적절한 조치를 통해 전기화재의 발생을 막을 수 있다. 하지만 초기 시스템 구성에 많은 인력과 비용이 들어가게 된다. 따라서 효율적인 시스템의 운용을 위해 전기화재가 빈번하게 발생하는 기간 전에 집중적으로 전문 기술자를 배치하고 출동하는 방안이 합리적이라고 생각된다. 따라서 그림 5와 같이 지난 9년간 월별 기상 데이터(강수량, 온도, 상대습도)와 화재 건수를 고려하여 집중 관리 기간을 도출해 보았다.

그림. 5. 월평균 (a) 습도, (b) 강우량, (c) 온도에 따른 전기화재 건수. (각 점은 월간 화재 건수와 평균 기후의 값)

Fig. 5. Number of electrical fires by monthly (a) average relative humidity, (b) prercipitation, and (c) average temperature. Each point represents a number of monthly electrice fires with average climate data.

그림 5(a)는 최근 9년간 월평균 습도와 전체 화재 중 전기화재 건수를 나타낸 그래프이다. 습도가 75% 이상으로 높아지면 뚜렷하게 전기화재의 발생 건수가 증가하는 것으로 나타났다. 순수한 물의 경우 부도체로 저항이 매우 높으나, 빗물이나 지하수의 경우 이온들이 다수 녹아 있어서 전기를 흐를 만큼 전도도가 높다^(28,29). 습도가 높을수록 절연재가 젖어 절연 능력이 감소할 수 있고, 플러그 사이에 수분이 붙어 방전이 발생할 수 있다⁽³⁰⁾. 이로 인해 단락, 누전 등으로 인한 화재 발생 가능성이 높아진다. 습도가 70%까지는 전기화재 건수와 상대습도 사이에 뚜렷한 경향성이 나타나지 않으나, 습도가 70% 이상인 경우 전기화재가 급격하게 증가하는 것으로 나타났다.

월간 강우량과 전기화재의 상관관계도 이와 비슷한 결과를 보여주었다. 그림 5(b)는 최근 9년간 월평균 강우량과 전기화재 발생 건수를 나타낸 그래프이다. 강수량이 낮은 겨울에도 급격한 전기 사용량 증가로 전기화재 발생이 증가하였지만, 월간 강수량이 600 mm 이상인 경우 전기화재 발생이 증가하는 현상이 나타났다. 앞에서 제시된 바와 같이 이온이 녹아 있는 빗물이나 강물로 인해 절연이 약해지는 경우 전기화재가 증가할 수 있다.

일반적으로 기온이 높거나 낮은 경우 냉난방 부하로 인해 전기 사용량이 증가하게 되고, 그로 인한 전기화재 발생 비율이 높게 나타나게 된다. 그림 5(c)는 최근 9년간 월평균 기온과 전체 화재 중 전기화재 발생 건수를 나타낸 그래프이다. 평균과 비교하면 기온이 낮은 겨울에는 난방용 전기설비 사용 증가로 전기화재 발생이 증가하고, 25°C 이상일 경우 냉방 부하 증가로 인해 전기화재 발생이 증가한다. 월평균 기온이 25°C 이상이거나 0°C 이하인 경우 월간 전기화재 건수가 모두 700건 이상 발생하는 특성이 나타났다. 날씨에 따른 전기화재 발생을 분석한 결과 습도, 강우량, 기온이 높은 경우 전체 화재 중 전기화재 발생이 증가하였고, 습도가 낮고, 강수량은 적지만 기온이 낮아 난방을 위한 전력 사용이 증가하는 겨울에도 화재가 증가하였다. 따라서 전기화재 발생 가능성이 높은 여름, 겨울에는 이상 신호가 감지되는 경우 시 빠른 출동을 할 수 있는 시스템을 구축해야 하며 여름, 겨울철 전에 이상 신호가 발생

그림. 6. 효율적인 원격 감시 시스템 구현을 우선순위 도출

Fig. 6. Setting Priorities for Remote Monitoring System

하는 사용자를 집중적으로 관리하여 전기화재 발생 가능성을 최소화해야 한다.

통계 분석을 정리해 보면 전기화재 감소를 위한 효율적인 원격 감시 시스템 구현을 위해 그림 6과 같이 세 가지 원칙으로 설치와 운영이 되어야 한다. 먼저 재산피해가 큰 산업용 전기설비와 인명 피해가 큰 의료복지시설에 우선적으로 원격 감시가 도입되어야 한다. 다음으로 원격 실시간 감시항목으로는 순간 고전류, 낮은 수준의 누전을 파악해서 알려주는 시스템을 구축하여 단락, 반단선, 과전류, 누전 등에 의한 화재를 감소할 수 있는 시스템을 구성해야 한다. 마지막으로 시스템이 구성되는 경우 여름, 겨울철 이전에 이상이 있는 설비에 대한 집중적인 관리가 필요하며, 전기화재가 급증하는 여름과 겨울철에는 이상 발생 시 바로 출동할 수 있는 시스템이 구축되어야 한다. 특정 기간동안 특정 횟수 이상의 이상 신호가 발생 시 위험도가 높은 시설로 간주하고 현장 점검이 이루어지는 시스템이 구축된다면 전기화재 감소에 기여할 수 있을 것이다.