2.1 수치 해석 모델

수치 해석에는 미국 NIST(National Institute of Standards and Technology)에서 개발한 FDS(Fire Dynamics Simulator, v6.9.1)를 사용하였다. FDS는 유한체적법(Finite Volume Method)에 기초하여 LES(Large Eddy Simulation) 기반의 난류 모델을 적용하고 있으며, 복사 열전달, 연소 반응, 대류 현상 등을 종합적으로 해석할 수 있어 차량·터널·건축물 등 다양한 화재 환경의 모사에 널리 활용되고 있다.

해석 도메인은 도로 폭과 화재 플룸의 상승 영역을 포함하도록 30 m(길이) × 15 m(폭) × 12 m(높이)로 구성하였으며, 0.2 m 균일 격자를 적용하여 총 약 675,000개의 계산 셀로 분할하였다. 해석 시간은 화재 성장-정상연소-감쇠의 전 과정을 포함하도록 3,600 s로 설정하였다. 연소 반응은 SFPE Handbook에 제시된 폴리우레탄(GM27)을 대리연료로 적용하였으며, 연소열 16.4 MJ/kg, 그을음 수율 0.198, 복사분율 0.537을 입력하였다^[13]. 화원은 각 화재원의 연소면에 단위면적당 열방출률(HRRPUA)을 지정하고 시간-열방출률 램프 함수를 부여하는 방식으로 구현하여, Table 1의 화재 성장·감쇠 곡선을 재현하였다.

가공전선은 계산 격자(0.2 m) 대비 외경(약 32 mm)이 현저히 작은 구조물이므로, 격자 해상 장애물이 아닌 라그랑지안 정적 입자(static Lagrangian particle) 기법으로 모델링하였다. 전선 경간을 따라 원통형 입자를 조밀하게 배치하고, 각 입자에 XLPE 절연층-알루미늄 도체-강심의 3층 원통 구조(Table 3)를 부여하여 화재로부터 받는 복사·대류 열유속에 대한 1차원 반경방향 열전도를 해석하였다. 전선 표면온도는 경간 길이방향 0.2 m 간격의 측정점에서 1 s 간격으로 기록하였으며, 화원 직상부에서의 최고 표면온도를 평가에 사용하였다.

개방 조건 전기 케이블 화재에 대한 FDS 격자 민감도 해석이 국내에서도 수행된 바 있으며^[18], 격자 크기는 특성 화재 직경($D^*$)을 기준으로 산정하였다. 본 연구에서 적용된 화재 시나리오 중 최소 열방출률인 5 MW를 기준으로 계산한 결과, 적정 격자 크기는 약 11.4–45.6 cm 범위에 해당하였다. 이는 FDS 권장 해상도 조건인 $D^*/\delta x$ 비율 10–16을 충족하는 값으로, 본 연구에서는 계산 효율성과 해석 정밀도를 동시에 고려하여 0.20 m 격자를 채택하였다. 경계조건은 개방(open boundary)으로 설정하여 외부 공기의 유입과 배출이 자유롭게 이루어지도록 하였으며, 이는 도로 환경과 유사한 개방 공간 조건을 반영한 것이다.

2.2 화재 모델링 및 시나리오

해석 대상 화원은 Table 1과 같이 도로부에 설치되는 MVDC 가공 전선로 하부에서 발생할 수 있는 화재를 고려하였다. 화재 시나리오는 차량 화재와 컨테이너 화재로 구분하였으며, 각 화재원의 최대 열방출률(HRR: Heat Release Rate)은 기존 실물 실험 결과 및 보고서를 근거로 설정하였다. 차량 화재의 경우 승용차 단일은 약 5 MW, 승용차 2대 동시 화재는 10 MW, 승합차 20 MW, 대형 버스 30 MW 수준으로 설정하였다^[13]. 전기차 화재는 배터리 열폭주(thermal runaway) 특성으로 인해 일반 차량 대비 장시간 연소가 지속되는 상이한 양상을 보이며, UNECE 보고서에 근거하여 단독 연소 조건에서 약 6 MW로 설정하였다^[15]. 컨테이너 화재의 경우 국내 화재 위험도 평가 연구에 따라 표준 컨테이너(6×3×2.5 m)는 약 35.77 MW, 대형 컨테이너(9×3×2.5 m)는 약 61.37 MW로 산정하였다^[14].

화원과 해석 대상물의 기하학적 배치는 Fig. 1과 같다. 차량 화재의 경우 실제 차량의 외형을 단순화한 형상을 모델링하고 연소면을 차량 상부 표면에 설정하여 화원의 물리적 높이가 해석에 반영되도록 하였다. 각 화원의 연소면 높이는 대표 차종의 주요 연소부 높이를 반영하여 설정하였다. 승용차(5 MW), 승용차 2대(10 MW) 및 전기차(6 MW)는 차량 화재가 주로 엔진룸 및 차체 하부에서 발생·성장하는 특성과 전기차 배터리팩이 차체 하부에 배치되는 구조적 특징을 고려하여 0.8 m로 설정하였으며, 승합차(20 MW)는 차체 중간부 높이인 1.2 m, 대형버스(30 MW)는 차체 전반이 연소에 관여하는 최성기 조건을 반영하여 차체 높이 수준인 3.0 m로 설정하였다.

Fig. 1 Example of FDS model configuration: (a) conductor thermal response analysis, (b) facility thermal response analysis

컨테이너 화재의 경우 참고문헌 ^[14]의 실물 화재 실험에서 도출된 열방출률 곡선을 적용하되, 연소면은 지면에 등가 면적의 화원으로 단순화하여 설정하였다. 이 경우 실제 화재에서 컨테이너 상부 개구부 등 높은 위치에서 화염이 형성되는 조건 대비 화염 기점과 전선 간 거리가 길게 모사될 수 있으나, 지면 화원 조건에서도 컨테이너 시나리오는 전 시나리오 중 가장 가혹한 열영향을 나타내어 10 m 초과 이격 또는 추가 방호 대책이 필요한 것으로 평가되었으므로, 화원 높이 반영 시에도 본 연구의 이격거리 권고는 안전측 결론을 유지한다. 아울러 연소면 높이 설정에 따른 불확실성은 화원-전선 간 유효 거리의 변화와 등가로 해석할 수 있으며, 본 연구의 전선 높이 매개변수 해석 결과(5-10 m)에 비추어 볼 때 ±0.5 m 수준의 높이 불확실성이 시나리오별 안전성 판정 결론을 변경하지 않는 것으로 확인되었다.

전선은 화원 연소면의 연직 직상부에 위치하도록 배치하였으며(수평 오프셋 0 m), 이는 부력 지배 화재 플룸(fire plume)의 중심선상에 전선이 노출되어 열영향이 최대가 되는 배치이다. 화원이 전선 축으로부터 수평·각도 방향으로 이탈할 경우 전선은 플룸 중심선에서 벗어나 수열량이 급감하므로, 직상부 배치는 전선에 대한 보수적(안전측) 평가 조건에 해당한다. 인접 시설물(컨테이너)은 화원의 측면에 수평 이격거리 3-6 m를 두고 배치하였으며, 이격거리는 화원 연소면 가장자리로부터 시설물 외벽까지의 수평 거리로 정의하였다.

화재 성장은 일반적으로 $t^2$ 화재 성장 모델(t-squared fire growth model)로 표현되며, 열방출률은 식 (1)과 같이 정의된다.

여기서 $Q(t)$는 시간 $t$에서의 열방출률(kW), $\alpha$는 성장률 계수($\text{kW/s}^2$)이다. 차량 종류에 따라 $\alpha$는 0.025–0.15 $\text{kW/s}^2$ 범위로 분류되며^[14], 성장 이후에는 최대 HRR에 도달한 시점에서 일정 시간 동안 열방출률이 유지되도록 입력값을 구성하였다. 이는 전선이 실제로 경험할 수 있는 복사 및 대류 열유속의 지속적 영향을 모사하기 위함이다.

다양한 운전 및 환경 조건에서 MVDC 전선과 인접 시설물의 화재 위험성을 평가하기 위하여 Table 2와 같이 네 가지 변수를 고려하였다. 전선 높이는 한국전기설비규정(KEC)의 특고압 가공전선 높이 규정에서 제시하고 있는 5, 6, 8, 10 m로 설정하여 지상고 변화가 전선의 열적 거동에 미치는 영향을 검토하였다. 컨테이너와 같은 시설물 표면과 화원 간의 이격거리는 KEC의 접근 상태에 따른 최소 이격거리인 3 m를 기준으로 3–6 m 범위에서 설정하여, 실제 환경에서의 설치 조건에 따른 열영향 차이를 분석할 수 있도록 하였다.

가공전선의 초기 온도는 IEEE 738 열평형 방정식을 기반으로 산출하였다^[19]. IEEE 738에서는 전선의 정상상태 온도를 식 (2)와 같이 열평형 조건으로 정의한다.

여기서 $q_s$는 태양열 흡수량($\text{W/m}$), $q_j$는 줄열 발생량($\text{W/m}$), $q_c$는 대류 열손실량($\text{W/m}$), $q_r$는 복사 열손실량($\text{W/m}$)이다. 국내에서도 열평형 기반 도체온도 산정을 활용한 연구가 수행된 바 있다^[20]. 본 연구에서는 이를 기반으로 무부하 기준 조건(외기온도 20 ℃)에서는 초기 온도를 20 ℃로 설정하였으며, 하절기 부분 부하(부하율 50 %, 외기온도 30 ℃) 조건에서는 전선의 정상상태 온도를 70 ℃로, 피크 부하 및 가혹 환경(부하율 70 %, 외기온도 40 ℃) 조건에서는 줄열 증가 및 열방산 효율 저하를 반영하여 100 ℃로 산정하여 화재 시뮬레이션을 수행하였다.

열적 영향을 평가하기 위한 대상물은 MVDC 전선 및 인접 시설물(컨테이너)이다. 전선은 강선, 알루미늄 도체, XLPE 절연체로 구성되며 전체 외경은 약 32 mm인 ACSR-OC 160 $\text{mm}^2$ 가공 배전선을 모델링하였다. 이러한 구조적 특성은 실제 현장에서 사용되는 배전선과 유사하며, 본 연구에서는 이를 MVDC 적용 사례로 확장하여 해석하였다. 시설물은 주변 가연물로부터의 영향을 확인하기 위해 일반 컨테이너를 모델링하였으며, 내부를 빈 공간으로, 표면은 강재로 구성하였다. 전선 및 시설물의 열물성은 Table 3과 같다.

본 연구에서는 전선과 인접 시설물이 직면할 수 있는 다양한 화재 상황을 종합적으로 고려하여 시뮬레이션을 구성하였다. 시설물 표면은 화원과의 이격거리를 3–6 m 범위에서, 전선로 표면은 설치 높이를 5–10 m 범위에서 각각 설정하였다. 화원은 차량 화재 5가지 유형과 컨테이너 화재 2가지 유형으로 정의하였으며, 이에 전선 높이(4가지), 부하율(3가지), 이격거리(4가지) 조건을 조합하여 총 66건의 시뮬레이션을 수행하였다. 이러한 구성은 실제 도로 환경에서 발생 가능한 대표적 화재 시나리오를 재현하고, 전선 및 시설물의 열응답 특성을 정량적으로 평가하기 위한 것이다.

2.3 평가 기준

화재 시나리오에 따른 전선 및 시설물의 열적 안전성을 검토하기 위하여 절연체와 구조강에 대한 임계온도를 평가 기준으로 설정하였다.

전선 절연체의 기능상실 기준은 XLPE(Cross-Linked Polyethylene)의 열적 거동을 반영하여 299 ℃로 설정하였다. XLPE는 약 300 ℃ 부근에서 분자 구조가 열적으로 불안정해지며, 유전 특성과 기계적 강도가 급격히 저하되는 것으로 보고되어 있다^[10]. 따라서 전선 표면온도가 이 수준에 도달하면 절연체가 더 이상 전기적 절연 성능을 유지하기 어려우며, 단락이나 절연 파괴로 이어질 가능성이 높은 것으로 판단하였다.

구조강의 임계온도는 538 ℃로 적용하였다. 강재는 약 500 ℃를 초과하는 온도에서 항복강도와 탄성계수가 급격히 저하되며, 538 ℃ 전후에서는 초기 강도의 절반 수준으로 감소하는 것으로 확인되었다^[11]. 이에 따라 시설물의 강재 표면온도가 이 범위에 도달하면 하중 지지 능력이 상실되어 구조적 안정성을 확보하기 어렵다고 평가하였다.

판정 방식은 시뮬레이션을 통해 산출된 전선 및 시설물의 표면온도가 각 임계온도에 도달하는지 여부를 검토하고, 이를 바탕으로 시나리오별 최소 설치 높이 및 적정 이격거리를 산정하는 방식으로 구성하였다. 이러한 평가 기준은 실제 도로 환경에서 MVDC 전선의 화재 안전성을 정량적으로 검증하고, 적정 이격거리 산정의 근거를 제공한다.

3.1 화재 시나리오에 따른 전선 열영향

본 연구에서는 7가지 화원과 ACSR-OC 전선의 설치 높이 4가지(5, 6, 8, 10 m), 부하율 및 외기온도를 변수로 하여 전선의 표면온도 변화를 FDS 시뮬레이션으로 분석하였다. Fig. 2–5는 기준 조건(초기온도 20 ℃, 무부하)에서 전선 높이 5, 6, 8, 10 m 각각에 대한 화원 규모별 전선 온도-시간 이력을 나타낸다.

Fig. 2 Conductor temperature profiles for various HRR scenarios at a height of 5 m(20 ℃)

Fig. 3 Conductor temperature profiles for various HRR scenarios at a height of 6 m(20 ℃)

Fig. 4 Conductor temperature profiles for various HRR scenarios at a height of 8 m(20 ℃)

Fig. 5 Conductor temperature profiles for various HRR scenarios at a height of 10 m(20 ℃)

승용차 단일 화재(5 MW)는 가장 낮은 설치 높이인 5 m에서도 최고온도 228.6 ℃로 절연 기능상실 기준(299 ℃)에 도달하지 않았으며, 6 m 이상에서는 108.3 ℃ 이하로 급격히 감소하여 전 높이에서 안전한 것으로 나타났다. 승용차 2대 동시 화재(10 MW)는 5 m에서 451초에 299 ℃, 680초에 538 ℃에 도달하여 전선 파단 위험이 확인되었다. 6 m에서는 675초에 299 ℃를 초과하였으나 538 ℃에는 미도달하여 파단 위험이 해소되었으며, 8 m 이상에서는 136.8 ℃ 이하로 안전 범위에 해당하였다.

전기차 화재(6 MW)는 HRR 규모는 승용차와 유사하나, 배터리 열폭주에 의한 장시간 지속 특성으로 인해 뚜렷한 차이를 보였다. 5 m에서 최고온도 510.2 ℃에 도달하였으며 299 ℃ 도달 시간은 815초(약 13.6분)로 나타났으나, 538 ℃에는 미도달하여 절연 기능은 상실되지만 즉각적인 전선 파단에는 이르지 않았다. 6 m에서는 299 ℃ 도달 시점이 2,931초(약 48.9분)로 매우 늦은 시점에 해당하였고, 8 m 이상에서는 89.4 ℃ 이하로 안전 범위 내에 머물렀다.

승합차(20 MW)는 5–10 m 전 범위에서 538 ℃를 초과한 유일한 차량 화재 시나리오로, 299 ℃ 도달 시간이 5 m에서 306초, 10 m에서 626초, 538 ℃ 도달 시간이 5 m에서 364초, 10 m에서 1,443초(약 24.1분)로 나타났다. 이는 정상 연소 지속시간이 약 1,402초로 다른 시나리오 대비 길어, 장시간 복사열 누적의 영향으로 판단된다. 대형 버스(30 MW)는 5–8 m에서 538 ℃를 초과하였으나, 10 m에서는 최고온도 270.7 ℃로 299 ℃ 미만을 유지하여 10 m 이상의 설치 높이에서 기능 유지가 가능한 것으로 확인되었다.

컨테이너 화재는 차량 화재 대비 현저히 빠른 열적 영향을 나타내었다. 표준 컨테이너(35.77 MW)는 5 m에서 35초에 299 ℃, 87초에 538 ℃에 도달하였으며, 대형 컨테이너(61.37 MW)는 각각 45초, 95초에 도달하여 5–6 m 높이에서 화재 발생 후 약 1–2분 이내에 전선 파단에 이를 수 있는 것으로 확인되었다. 8 m에서도 두 시나리오 모두 538 ℃를 초과(표준 컨테이너 406초, 대형 컨테이너 289초)하였다. 10 m에서는 표준 컨테이너(264.6 ℃)가 299 ℃ 미만을 유지한 반면, 대형 컨테이너(332.0 ℃)는 290초에 299 ℃를 초과하여 10 m에서도 절연 기능 유지가 어려운 것으로 나타났다. 이는 물류 거점이나 컨테이너 적재 구간에서 10 m를 초과하는 이격거리 또는 추가적인 방호 대책이 필요함을 시사한다.

Fig. 6 Conductor temperature response by installation height under 5 MW fire scenario (initial temperature: 70 °C, load factor: 50 %)

Fig. 7 Conductor temperature response by installation height under 20 MW fire scenario (initial temperature: 70 °C, load factor: 50 %)

Fig. 8 Conductor temperature response by installation height under 5 MW fire scenario (initial temperature: 100 °C, load factor: 70 %)

Fig. 9 Conductor temperature response by installation height under 20 MW fire scenario (initial temperature: 100 °C, load factor: 70 %)

Fig. 6–9는 전선의 운전 부하율이 화재 시 열응답에 미치는 영향을 평가하기 위하여, 5 MW 및 20 MW 시나리오를 대상으로 초기온도를 70 ℃(부하율 50 %, 외기 30 ℃)와 100 ℃(부하율 70 %, 외기 40 ℃)로 변화시킨 결과를 나타낸다. 부하율 조건에 따른 초기 전선 온도 상승은 기준 조건 대비 화재 시 임계온도 도달 시간을 단축시키는 주요 인자로 작용하였다.

5 MW 시나리오의 경우, 기준 조건(초기 20 ℃)에서는 5 m에서도 299 ℃에 도달하지 않았으나, 부하율 50 %(초기 70 ℃) 조건에서는 5 m에서 최고온도 300.3 ℃로 절연 기능상실 기준을 근소하게 초과하였으며, 299 ℃ 도달 시간은 1,085초(약 18.1분)였다. 부하율 70 %(초기 100 ℃) 조건에서는 5 m의 최고온도가 350.6 ℃로 상승하고 299 ℃ 도달 시간이 755초(약 12.6분)로 약 330초 단축되었다. 두 조건 모두 538 ℃에는 도달하지 않아 전선 파단 위험은 없는 것으로 나타났다. 한편, 6 m 이상에서는 부하율 70 % 조건에서도 최고온도가 219.3 ℃(6 m) 이하로 기준 미만을 유지하여, 5 MW 화재에서는 설치 높이를 1 m 증가시키는 것만으로 부하율 증가에 따른 위험을 상쇄할 수 있는 것으로 확인되었다.

20 MW 시나리오에서는 두 부하 조건 모두 5~10 m 전 범위에서 538 ℃를 초과하였다. 부하율 증가에 따른 영향은 주로 임계온도 도달 시간의 단축으로 나타났다. 10 m 높이를 기준으로 299 ℃ 도달 시간은 기준 조건 626초→ 부하율 50 % 466초→ 부하율 70 % 433초로 단축되었으며, 538 ℃ 도달 시간은 1,443초→ 765초→ 623초로 약 57 % 단축되었다. 이는 부하율 증가가 높은 열방출율 화재 환경에서 전선의 열적 취약성을 현저히 심화시키며, 설치 높이 증가만으로는 안전 여유를 확보하기 어려운 조건이 존재함을 나타낸다.

3.2 화재 시나리오에 따른 시설물 열영향

MVDC 전선로 주변에서 차량 및 컨테이너 등의 가연물 화재가 발생했을 때, MVDC 인접 시설물에 미치는 열적 영향을 정량적으로 분석한 결과를 정리하였다. 시뮬레이션은 실외 환경 조건을 반영하여 구성된 총 22개의 시나리오를 기반으로 수행되었으며, 각 시나리오에 대해 구조물 외벽과 기초부 등 주요 부위의 표면 온도 변화를 측정하였다. 여기서 이격거리는 화원 연소면 가장자리로부터 시설물 외벽까지의 수평 이격거리를 의미하며, 시설물은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 화원의 측면에 배치하였다. 즉, 전선이 화원 직상부에서 연직 방향 열영향을 받는 것과 달리, 시설물은 화원으로부터 수평 방향의 복사 및 간헐적 대류 열유속에 노출되는 조건이다. 구조물의 열적 피해 여부 판단을 위해 538 ℃를 적용하였다. 이는 철강 구조물의 항복 시작 지점으로, 이를 초과할 경우 구조적 성능 저하가 우려될 수 있다. Fig. 10은 시뮬레이션을 통해 산출된 시설물 표면온도 분포의 예시를 나타낸 것이다.

Fig. 10 Example of thermal effect simulation for facilities

Table 4는 화원별 시설물과의 이격거리에 따른 시설물 최고온도를 나타낸 것이다. 전기차 및 컨테이너 화재의 경우 이격거리 3 m에서도 시설물 표면온도가 구조강 임계온도(538 ℃)를 크게 하회하여, 4 m까지만 검토하였다. 전체 시나리오에서 시설물 표면온도는 최대 102 ℃(대형 버스, 이격거리 3 m)로 측정되었으며, 이는 구조강의 임계온도인 538 ℃를 크게 하회하는 수준으로 모든 시나리오에서 구조적 안전성이 확보된 것으로 판단된다. 또한 모든 시나리오에서 열 축적 효과로 인한 지연 상승이나 온도 급등 현상은 나타나지 않았다.

이격거리에 따른 온도 감소 경향을 보면, 화원과의 이격거리가 3 m에서 6 m로 증가함에 따라 시설물 표면온도가 전반적으로 40–55 ℃ 수준으로 감소하는 경향을 보였다. 이는 이격거리 증가에 따라 복사 및 대류 열유속이 급격히 감소하기 때문으로, 화원과의 이격거리 3 m 이상에서 시설물의 열적 영향이 최소화됨을 확인할 수 있다. 대부분의 화원에서 화재가 발생하더라도 시설물 표면온도는 평균 50–70 ℃ 수준에 머무르며, 단시간의 온도 상승 이후 일정하게 유지되는 특성을 보였다.

이러한 결과는 개방 공간 화재의 부력 지배 플룸(buoyancy-driven plume) 특성으로 설명할 수 있다. 화재로 방출된 열에너지의 대부분은 부력에 의해 연직 상승 기류를 형성하여 화원 직상부로 집중 수송되는 반면, 수평 방향으로는 주로 복사 열전달만이 작용하며 그 크기는 이격거리 증가에 따라 급격히 감소한다. 실제로 본 해석에서 동일 화원(대형버스, 30 MW)에 대해 직상부 전선은 5-8 m 높이에서 구조강 임계온도(538 ℃)를 초과한 반면, 수평 이격거리 3 m의 시설물 표면온도는 최대 102 ℃로 동일 임계온도 대비 약 19 % 수준에 그쳐 큰 안전 여유를 유지하였다. 이러한 결과로부터 연직 방향의 열영향이 수평 방향에 비해 상대적으로 크게 작용함을 확인할 수 있으며, 화원의 연소 면적(Table 1)이 클수록 플룸 폭과 복사 방출면이 함께 증가함에도 불구하고 개방 공간에서는 수평 방향 열유속이 구조적 위험 수준에 도달하기 어려운 것으로 판단된다. 따라서 선하지 화재에 대한 안전성 검토에서는 직상부 전선에 대한 연직 열영향이 지배적 설계 인자이며, 측면 시설물에 대해서는 상대적으로 완화된 기준 적용이 가능한 것으로 판단된다.

화원 규모별로 살펴보면, 승용차(5 MW) 및 전기차(6 MW) 화재에서는 이격거리 3 m에서도 시설물 표면온도가 각각 47 ℃, 89 ℃로 구조적 안전성에 문제가 없는 수준을 유지하였다. 승합차(20 MW)·대형버스(30 MW) 화재에서는 이격거리 3 m에서 각각 95 ℃, 102 ℃까지 상승하였으나, 이격거리 6 m에서는 41 ℃, 47 ℃로 감소하여 충분한 안전 여유가 확보되었다. 컨테이너 화재(35.77–61.37 MW)의 경우에도 이격거리 3–4 m 범위에서 최고 67 ℃ 수준에 머물러 구조적 안전성이 유지되는 것으로 나타났다.