3.1 기초 실험 구성 및 방법

연선을 전원전선으로 사용하여 콘센트의 접속구에 연결한 경우, 사용자 부주의로 인해 연선의 일부만 체결될 수 있다. 이런 상태에서 부하를 연결하여 사용할 경우, 접속불량에 의한 과열이 발생할 것으로 예측할 수 있다. 이에 따라, 기초실험에서는 체결된 연선의 가닥 수와 전류량을 변 화시켜 접속구에서의 발화 가능성을 확인하였다.

실험에 사용된 전선은 KIV(비닐절연전선) 2.5 mm²의 연선으로, 총 42가닥으로 구성되어 있다. 접속구에 접속되는 가닥 수를 42가닥, 20가닥, 10가닥, 5가닥으로 나누고 각각의 경우에서 전류량을 15 A, 20 A, 25 A, 29 A로 변화시키며 열 이력을 관찰하였다. 가정과 사무실에서 30 A 차단기가 많이 사용되므로, 접속구에 흐를 수 있는 최대 전류를 29 A로 설정하였다. 이 과정을 통해 연선 가닥 수와 전류량에 따른 발화 가능성, 발화 현상, 아크 에너지, 잔존물의 특징을 도출하였다.

실험구성은 Figure 2와 같이 30 A 주 차단기(Main breaker), 매입 콘센트, 전압⋅전류 측정용 오실로스코프(Waverunner 610Zi, Teledyne lecroy), 부하장치, 접속구 온도측정용 열화상 카메라(Ti-45, Fluke), 촬영용 카메라로 구성하였다. 전압 프로브(Voltage probe)는 접속이 불량한 접속구에서 발생하는 직렬 아크를 측정하기 위한 용도로, 접속구의 앞쪽(전원측)과 부하용 코드선(부하측)에 연결하였다. 부하장치는 저항(R, Resistance) 부하와 리액턴스(L, Reactance) 부하를 겸용하였다. 이는 가정, 사무실 등에서 사용하는 냉장고, 선풍기, 세탁기 등에 리액턴스 성분이 있기 때문이며, 이 실험에서는 인가한 전류의 30%를 리액턴스 성분으로 설정하였다.

Figure 2.

The composition of the basic experiment.

3.2 화재재현 실험구성 및 방법

화재재현 실험을 통해, 콘센트 접속구의 발화가 실질적으로 화재로 진전되는지 관찰하였다. 또한, 잔존물에 나타나는 특징을 기초실험 결과와 비교하여 공통된 점이 있는지 확인하였다.

조명, 청소기, 히터 등 실제 부하기기를 사용하여 Figure 3과 같이 구성하였다. 누전차단기(ELB)에서 ① 콘센트로 연결되는 전선은 연선을 사용하였으며, 5가닥만 접속점에 체결하였다. ① 콘센트에서 분기한 ②, ③ 콘센트에는 부하기기와 통전 확인용 전등이 연결되어 있다. 연결된 부하기기의 총 전류량은 29 A이다. 실험 조건은 대기온도 25 ℃, 습도 43%, 풍향 남향, 풍속은 3.2 km/h에서 실시하였다.

Figure 3.

The composition of the fire reproduction experiment.

4.1 전선 가닥 수 및 전류별 발화 가능성 실험

Figure 4는 콘센트의 접속구에 연선을 42가닥, 20가닥, 10가닥, 5가닥을 연결하고 15 A, 20 A, 25 A, 29 A의 전류를 인가하여 접속구의 온도변화를 600 s 동안 측정한 결과이다. 전류를 증가시킬수록 최고온도가 높아지는 것을 알 수 있다. 인가전류가 29 A일 때, 42가닥은 68.2 ℃, 20가닥 은 92 ℃, 10가닥은 115.2, 5가닥 258.4 ℃로 측정되었다. 핀받이를 감싸고 있는 내함은 Polybutylene terephthalate (PBT) 소재로, 열변형 온도는 200 ℃로 5가닥, 29 A를 인가하면 열변형 온도를 초과하는 것을 알 수 있다. 이에 따라, Figure 5와 같이 5가닥, 29 A에서 접속구가 열변형 되어 발화될 때까지의 온도변화를 관찰하였다. 초기 180 s 동안에는 256 ℃까지 온도가 급격히 상승하였으나 이후 온도가 190 ℃로 유지되었다. 1,000 s 후 미소 아크가 발생 되며 다시 온도가 급격히 상승하였으며, 1700 s에서 아크와 함께 화염이 발생하였다.

Figure 4.

The temperature distribution variation of connector according to the number of wire strand and the amount of current.

Figure 5.

The temperature graph and maximum temperature at 5 strands of wire, 29 A.

4.2 발화 과정과 발생하는 아크 에너지의 크기

Figure 6은 5가닥, 29 A를 인가하였을 때, 시간 경과에 따라 접속구에서 나타나는 현상을 관찰한 것이다. 접속된 전선에서 발생한 국부적 발열로 연기가 발생하고 (Figure 6(a), (b)), 전선에서 적열로가 형성되며 전선 피복과 콘센트의 절연물이 열분해 되기 시작한다(Figure 6(c), (d)). 시간이 지날수록 절연물의 용융 부위가 넓어짐에 따라 U-자 고정금구와 클립의 전선 고정력이 감소하여 접속구의 접촉저항이 더욱 증가한다. 이로 인해, 접속구에서 아크가 발생하고 적열로가 확장되며 온도가 가파르게 상승한다. 결국, 접속구에서 전선이 이탈하며 강렬한 직렬 아크가 발생한다(Figure 6(e)∼(g)). 강한 아크 에너지로 인해 화염이 발생한다(Figure 6(h)).

Figure 6.

The ignition process of the connector due to poor connection.

전선이 이탈하며 직렬 아크가 발생하는 이유는 전선이 접속구에서 떨어지는 순간 전류의 변화를 방해하는 방향으로 유기전압(e(t))이 발생하기 때문이다.

여기서 e(t)는 유기 기전력, L은 인덕턴스(m/H), di는 미소 전류, dt는 미소 시간을 나타낸다.

발생한 유기전압에 의해 Figure 7과 같이 아크 에너지(노란색 선)가 전압, 전류의 변화에 따라 나타난다. 아크 에너지는 식 (2)에 의해 계산되며, 45 ms 동안 발생한 총 아크 에너지는 약 36 J이다. 이는 초당 9000 W의 전력이 발생한다고 볼 수 있다.

Figure 7.

The arc energy generated at connector.

여기서 h(t)는 아크 에너지, v(t)는 순시 전압, i(t)는 순시 전류이다.

또한, 실험하는 동안 접속구에서 아산화동 증식현상이 발생한 것을 확인하였다. 산화물이 생성되지 않은 구리 전선에서는 접촉점에 아크가 발생하더라도 전류 파형이 변화하지 않지만 산화물이 증식된 후 접촉점에서 아크가 발생하면 전류 파형에 shoulder가 나타난다⁽¹¹⁾. 아크 발생 후 3주기 동안의 전류 파형에서 5번의 shoulder가 발생한 점으로 볼 때, 접속구에서 아산화동이 증식한 것으로 판단할 수 있다.

실험 결과로부터, 연선이 접속구에 불완전 접속될 경우, 과전류에 의한 과열과 직렬 아크에 의한 아산화동 증식으로 발열하여 화염이 발생하는 것을 확인하였다. 이에 따라, 전선 접속구에서 연선이 불완전 접속되면 화재 발생 가능성이 있는 것으로 확인되었다.

4.3 발화 후 잔존물 분석

Figure 8은 아크가 발생한 접속구를 3D CT로 관찰한 것으로, U-자 고정금구와 클립이 손상되었다. 5번의 추가적인 실험을 한 결과, U-자 고정금구 손상 2건, 클립 손상 2건, 고정금구와 클립 모두 손상 1건을 확인하였다. 이 결과를 통해 접속구에서 발생한 콘센트의 잔존물(고정금구와 클립)에서 손상이 발생하는 것을 확인하였다. 이는 국립과학수사 연구원의 라마다 호텔의 감정 결과와도 일치한다. 즉, 접속구의 연선의 불완전 접속으로 인하여 발생한 아크 열은 콘센트 주변 부속품을 용융시킨다는 것이 입증되었다.

Figure 8.

A trace of damage left in the remnants.

5.1 화재 양상

화재 재현실험을 통해, 콘센트 접속구의 발화가 실질적인 화재로 진전되는지 확인하였다. Figure 9는 연선을 불완전 접속시킨 ① 콘센트에서 화재가 발생하는 과정을 나타낸 것이다. 실험 시작 30 min 후에 온도가 상승하고 연기가 발생하기 시작하였다(Figure 9(b)). 연기가 발생하고 약 9 min 후 직렬 아크가 발생하며 ②, ③ 전등이 꺼졌으며, 이때, 최고온도는 565 ℃로 측정되었다(Figure 9(c)). 이후 간헐적으로 콘센트에서 아크방전이 발생하였으며 이후 콘센트는 바닥으로 떨어졌다(Figure 9(d)). 화염은 전선관을 따라 상부로 확대되었으며 결국, 전선관 내 전선이 단락되어 주 차단기가 동작하고 화염이 일시적으로 강해졌으나 이후 화세가 약해졌다. 이때, 최고온도는 634 ℃이었다(Figure 9(e), (f)).

Figure 9.

The ignition process by the fire reproduction experiment.

실험 결과로부터, 콘센트 접속구의 발화가 충분히 화재로 진전될 수 있다는 것이 증명되었다. 또한, 소락된 콘센트 주변에 가연물이 있다면 이차적인 발화원으로 작용할 수 있을 것으로 판단된다. 여기서 주의할 점은 확대된 화염으로 인해 전선에서 발생한 2차 단락이 화재의 원인으로 오인될 소지가 있다는 것이다. 실제로, 라마다 호텔의 발화 원인 콘센트의 전원 전선에서도 용융흔이 식별되었다^(8,9).

5.2 잔존물을 이용한 화재 감식기법

Figure 10은 소락된 콘센트 잔존물로, 내함이 본체에서 분리되어 있으며, 화염에 의해 단락된 용융흔이 식별되었다. Figure 11은 내함에서 접속구의 고정금구를 분리한 것으로, 기초실험과 유사하게 고정금구가 용융된 것을 알 수 있다. 화재 재현실험에서도 고정금구에 손상된 흔적이 식별되는 점으로 볼 때, 고정금구나 클립에서 손상된 흔적이 식별되면 콘센트 접속구에서 화재가 발생한 것으로 판단할 수 있다.

Figure 10.

Remnants of the fire reproduction experiment.

Figure 11.

Comparison of U-type hoder with and without arcing.