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Fire Sci. Eng. > Volume 35(2); 2021 > Article
전기화재예방시스템(ETEC-DPS)의 개발 및 안전성 평가

요 약

본 연구에서는 전선로에서 발생되는 화재전류(Igr)를 실시간 검출하여 전기화재를 예방하기 위한 전기화재예방시스템(ETEC-DPS)을 개발하는 데 있다. 그리고 개발된 제품에 대한 안전성을 검증하여 제품의 객관성을 제시하고자 한다. ETEC-DPS에 적용된 인쇄회로기판(Printed circuit board, PCB)의 크기는 가로가 90 mm이며, 세로는 55 mm이다. PCB는 난연성 ABS 수지(Acrylonitrile butadiene styrene resin)를 사용하여 제작하였다. 화재전류의 디스플레이는 유효숫자 3개를 표시할 수 있고, 전선로에 흐르는 Igr은 0.1 mA 단위까지 실시간 검출할 수 있다. 전선로의 Igr이 증가하여 설정된 값에 도달하면 LED 램프의 점멸과 동시에 경보음이 발신하도록 설계되었다. RS485 통신 기능이 내장되어 있어서 전선로의 상태를 관리자의 PC에서 실시간 확인이 가능하다. 그리고 분기회로에는 LED 램프가 내장된 누전경보차단기(JER-E2S)를 설치하였다. 또한, ETEC-DPS의 안전성 평가를 위해 Igr의 표시, LED 램프의 점멸, 경보음 발신 및 통신 기능을 평가하였다. 개발된 ETEC-DPS는 모든 평가 항목을 만족하였으며, 건축물에 설치하면 전기화재의 발생을 근원적으로 예방할 수 있을 것으로 판단된다.

ABSTRACT

In this study, we developed an electrical fire prevention system (ETEC-DPS) to prevent electrical fires by detecting the fire current (Igr) generated from electrical wires in real time. We aimed to present an evaluation of the product by verifying its safety. The printed circuit board (PCB) used inside the ETEC-DPS was 90 mm wide and 55 mm long. The PCB was produced using a flame-retardant ABS resin. Three valid numbers were displayed for the measurement of the fire current, and an Igr of up to 0.1 mA flowing into the wire was detected in real time. It was designed to sound an alarm at the same time that the LED lamp flashed as the Igr of the wire increased and the set value was reached. RS485 had a built-in communication function, which checked the real-time status of the electrical wire on the administrator’s PC. In addition, a short circuit warning breaker (JER-E2S) with built-in LED lamps was installed in the quarterly circuit. In addition, for the safety assessment of the ETEC-DPS, the marking of Igr, flashing LED lamps, alarm sound transmission, and communication functions were evaluated. The developed ETEC-DPS satisfied all the assessment items and is believed to be able to fundamentally prevent the generation of electrical fires if installed in a building.

1. 서 론

한국전력통계의 총발전량(Gross generation)은 2014년 540,379 GWh에서 2019년에 585,301 GWh로 약 8.3% 증가하였다. 그리고 2014년도 국민 일인당 전기사용량(Electricity consumption per capita)은 9,305 kWh/man에서 2019년 10,039 kWh/man로 약 7.8% 증가하였다(1). 2019년 소방청 화재 통계에 의하면 화재 발생 건수는 40,103건으로 인명 피해는 2,515명으로 조사되었다(2).
KESCO의 2019년 전기재해 통계에 의하면 부주의에 의한 화재가 20,147건으로 50.2%로 가장 높고, 전기적 요인에 의한 화재가 8,155건으로 20.3%, 기계적 요인에 의한 화재가 4,042건으로 10.1%이다. 그리고 전기설비에서 발생된 화재 8,155건을 분석한 결과 일반용 전기설비에서 5,273건으로 64.7%를 점유한 것으로 분석되었다. KESCO의 안전관리대행수용가에서 발생한 기기별 설비사고는 5,570건 이다. 저압설비에서 3,411건으로 약 61.2%가 발생하였다. 또한, 고압설비에서 67건으로 약 1.2%가 발생했으며, 특별고압설비에서 2,092건으로 약 37.6%가 발생된 것으로 분석되었다(3).
건축물에 설치되는 전기설비에서 발생되는 사고는 누설전류 및 과부하(4,5), 트래킹 및 접촉(속) 불량(6) 등이 있다. 일반적으로 정상적인 전선로의 누설전류는 없거나 무시 가능할 정도이다. 그러나 전선로가 열화(劣化)되면 누설전류가 반복적으로 흐르고 그 때 발생된 줄열에 의해 열화는 점점 진행된다. 시판되는 일반 배선차단기, 일반 누전차단기, 누전경보기(NFSC 205) 등은 누전에 대한 경보기능, 전기화재 예방기능, 오동작 방지기능(7-13)이 없거나 기능을 발휘하기 어렵다. 그러므로 전기화재를 효과적으로 예방하고 경보하기 위해서는 실시간 누전검출 및 경보기능이 내장된 전기화재예방시스템의 개발이 요구된다(14).
따라서 본 연구에서는 전선로에서 흐르는 화재전류(Igr)를 실시간 검출하여 전기화재를 예방하기 위한 전기화재예방시스템(ETEC-DPS, ETECKOREA Co., Korea)을 개발하는 데 있다. 그리고 개발된 제품에 대한 안전성을 확인하기 위한 평가를 실시하여 제품의 객관성을 제시하고자 한다.

2. 관련 이론

현재 시판되는 대부분의 누전경보기 또는 누전차단기는 합성누설전류(Ig)를 검출하는 기능이 내장되어 있다. 그러므로 전선로에 필연적으로 생성되는 용량성누설전류(Igc)에 대한 오동작으로 누전차단기가 꺼짐(OFF)에 따라 전기사용의 불편함을 경험하게 된다. Igc는 전기기기 및 장치 등에서 발생되는 각각의 고유 값으로 감전사고 및 전기화재 등과 직접적인 관련성이 없다. 전기화재를 유발시키는 전류는 저항성누설전류 즉, 화재전류(Igr)이며, Igr을 실시간 검출하여 관리자에게 통보해주는 기능이 있을 때 전기화재를 혁신적으로 예방할 수 있다(14).
일반 주택 및 건축물에 설치되는 누전차단기(ELB or RCD)(15)는 인체의 감전사고를 예방하기 위해서 설치하는 기기이다. 즉, 전기화재 및 전기설비 사고를 예방하는 기능이 없거나 매우 미약한 것이다. 그리고 주로 산업 현장에 사용되는 배선차단기(MCCB)(16)는 단락 및 지락사고가 발생했을 때 전기설비의 소손을 방지하기 위해 설치하는 기기이므로 전기화재 및 감전사고 예방기능이 없다.
소방법에 제시된 화재안전기준 NFSC 205의 누전경보기(ELD)(17)는 고압 및 특별고압 전기설비의 수배전설비 내부에 설치하는 것이다. ELD의 작동전류는 누설전류가 200 mA, 500 mA, 1,000 mA 등이 흐를 때 경보하는 설비이므로 실질적으로 감전사고 및 전기화재 예방기능이 없는 기기이다. 왜냐하면 인체에 감전전류가 흘러 통증을 느끼기 시작하는 전류는 약 10 mA이고, 사망에 이르는 전류는 50~100 mA 정도이다. 또한, 전선로의 길이가 10 m이고, 연동선의 단면적이 4 mm2인 전선로에서 화재전류(Igr)가 15 mA 정도로 24 h 동안 누설된다면 발생되는 이론발열량은 약 0.0486 mJ이다. 이와 같은 발열이 지속된다면 전선로의 취약한 부분의 절연 성능은 점점 저하되고, 화재전류의 크기는 점점 증가하게 된다. 그리고 전기의 사용이 지속되고, 축열량이 방사량보다 커져 열평형이 깨지고 축열이 지속되면 주변의 가연물에 착화되어 화재로 진전될 수 있는 것이다. 즉, ELD의 경보를 위한 최소감도전류는 200 mA이므로 인체 감전보호 및 전기화재 예방기능이 없는 기기라고 판단하는 것이 산업 현장에 부합하는 해석이다.
전기설비기술기준의 판단기준 부칙 제2015-44호의 제1조 규정이 2017년 1월 1일 변경되었다. 자가용전기설비는 공사계획신고(변경) 시점을 기준으로 적용하며, 일반용전기설비는 사용전 점검 신청일자를 기준으로 적용하다. 다만, 건축법 제11조, 제14조, 주택법 제15조에 의거 2017년 1월 1일 이전에 건축법에 따른 건축허가 또는 신고, 주택법에 따른 사업 승인을 확인할 수 있는 서류를 제출한 것은 종전의 기준에 따를 수 있다.

3. PCB 및 회로도의 설계

Figure 1은 본 연구에서 개발된 전기화재예방시스템(ETEC-DPS)의 내부에 적용된 인쇄회로기판(PCB; Printed Circuit Board)의 Silk를 나타낸 개략도이다. Figure 1(a)는 Top이며, Figure 1(b)는 Bottom을 각각 나타낸 것이다. Silk의 크기는 가로가 90 mm이며, 세로는 55 mm 정도이다. 물리적인 충격 및 진동에 영향을 적게 받도록 모서리를 나사로 고정할 수 있도록 설계되었다. 또한, PCB에 부착되는 부품은 전기적인 내력을 갖도록 일정 간격을 이격시켰으며, 좌측에서 전원을 공급하여 우측으로 신호가 전달되는 순방향 회로를 구성하였다. 또한, 사용된 PCB는 ABS 수지(Acrylonitrile butadiene styrene resin)를 기반으로 난연성이 있는 재질을 사용하여 화염의 확산 및 스트레스에 내성이 있도록 제작하였다.
Figure 1
Design and layout patterns of PCBs applied to ETEC-DPS.
kifse-35-2-61f1.jpg
Figure 2는 ETEC-DPS 각각에 적용된 회로도를 나타낸 것이다. Figure 2(a)는 ETEC-DPS에 적용된 LED 램프 및 경보 회로를 나타낸 것이다. 바이어스 전압은 DC +5V를 적용했으며, 화재전류(Igr)가 13 ± 2 mA 또는 18 ± 2 mA 흐를 때 LED 램프의 반복적인 점멸 및 70 dB 이상의 경보음이 연속 발신되도록 구성하였다.
Figure 2
Circuit diagram applied to ETEC-DPS.
kifse-35-2-61f2.jpg
Figure 2(b)는 ETEC-DPS의 전면에 Igr을 실시간 표시하는 디스플레이를 나타낸 것이다. Igr은 유효숫자 3개를 표시할 수 있고, 실시간 측정된 값은 0.1 mA까지 7-세그먼트로 표시된다.
Figures 2(c) and 2(d)는 ETEC-DPS에 적용된 485 통신의 회로도를 나타낸 것이다. COMM485 Slave 모듈은 ETEC-DPS의 화재감지 신호 포트와 연결 시 Isolation 되어 있어 안정성이 확보되어 있고, 공급 전원은 COMM485 Master를 통해 공급되어 각각의 Slave 모듈에 대하여 별도의 전원공급장치가 필요 없다. 또한, COMM485 Master는 최대 32개의 Slave 모듈과 연결을 지원할 수 있다. COMM485 master는 USB 시리얼 인터페이스를 제공하여 워크스테이션을 통해 실시간으로 상태를 모니터링할 수 있고, 전선로의 상태 모니터링을 위한 워크스테이션용 UI를 제공할 수 있도록 설계하였다.
Figure 3은 주택용 세대 분전반에 외장형 ETEC-DPS 및 누전경보차단기를 설치한 예를 나타낸 실체사진이다. 외장형 ETEC-DPS의 크기는 가로 95 mm, 세로 60 mm, 높이 31 mm이다. 주택용 세대 분전반에 센서를 설치하고, 실시간 추출된 신호를 분전반 외부에서 확인하는 구조이다. 중앙에 디지털 숫자표시부가 있고, 좌측에 LED 램프, 우측에 경보음을 발신하는 구조이다. 그리고 경보음을 확인하고, 소리를 차단하기 위한 ON/FF 스위치가 있다. 화재전류 디지털 숫자 표시부의 ON/OFF를 위한 스위치가 있어서 관리자의 편리성을 부여하였다. 각각의 분기회로에는 LED 램프가 내장된 누전경보차단기(JER-E2S, ETECKOREA Co.)가 설치되어 있어서 각 분기회로의 상태를 동시에 확인할 수 있어서 전선로의 위험성을 즉시 조치할 수 있도록 구성하였다.
Figure 3
Examples of exterior ETEC-DPS and JER-E2S installed on residential generation distribution boards.
kifse-35-2-61f3.jpg
ETEC-DPS를 세대 분전반에 설치하고, 그 상태를 실시간 관리자의 모니터로 전선로의 상태를 확인하기 위해서 USB to RS485 통신을 컴퓨터에 설정할 수 있다. 다음과 같은 절차에 따라 설치하면 관리자는 실시간 정보를 자신의 모니터에서 확인이 가능하다.
1) ETEC-DPS를 각각의 세대 분전반에 설치한다.
2) ETEC-DPS와 USB to RS485 통신 커넥터를 연결한다.
3) 컴퓨터에 프로그램을 설치하고, dps-demo 구동 프로그램을 작동시키기 위해 2회 클릭한다.
4) 프로그램이 정상적으로 구동되면 다음과 같은 초기 화면이 나타난다.
kifse-35-2-61f4.jpg
5) “kifse-35-2-61f5.jpg” 부분의 ‘COM7’를 USB to RS485 통신 커넥터의 포트 숫자를 입력한다.
6) Start를 클릭하면 시스템이 작동한다. 이때 화면의 하단은 녹색으로 표시된다. 녹색은 전선로의 정상상태를 의미하며, 우측 하단의 직사각형의 작은 박스는 녹색으로 반복 점멸한다.
7) 전선로에 어떤 이유에 의해 Igr이 전선로에 흐르면 컴퓨터의 화면은 적색으로 바뀌고, 동시에 “화재전류(Igr) 발생 !!!” 경고 메시지가 표시된다.

4. 전기화재예방시스템의 안전성 평가

개발된 ETEC-DPS의 객관적인 평가를 위해 독립된 회로를 구성하였으며, 절연변압기를 전원부의 전단에 설치하여 안정된 전원을 공급하였다. Figure 4는 저항성누설전류 즉 화재전류(Igr)가 13 ± 2 mA 또는 18 ± 2 mA 흐를 때 LED 램프가 반복 점멸하는 기능을 평가하는 실체사진이다. ETEC-DPS는 Igr의 검출 경보치를 선택하기 위한 선택스위치가 있어서 부하의 특성 및 사용자의 편리성을 고려하여 Igr의 경보치는 13 ± 2 mA 또는 18 ± 2 mA 등으로 설정이 가능하다. 전원스위치를 ON하고, Igr을 기준 값만큼 서서히 증가시켜 평가를 진행한다. 정밀 전류계를 이용하여 각각의 경보전류를 측정하고, 그 값을 기록한다. Igr이 13 ± 2 mA 또는 18 ± 2 mA에서 5회 반복하여 진행되었다. 측정된 검출 결과는 Table 1과 같으며, 오차 범위 내에서 정확하게 작동하는 것을 확인하였다.
Figure 4
Photographs of entities for evaluating flashing of LED lamps when Igr flows 13 ± 2 mA and 18 ± 2 mA.
kifse-35-2-61f6.jpg
Table 1
As a Result of Measuring the Operation Status of the LED Lamp when Igr Flows Through the Set Value
Conditions 1st 2nd 3rd 4th 5th
Igr 13 ± 2 [mA] 13.3 13.2 12.8 13.5 13.2
Igr 18 ± 2 [mA] 18.2 18.4 18.1 18.2 18.5
LED lamp ON ON ON ON ON
Judgement Good Good Good Good Good
Figure 5는 Igr이 13 ± 2 mA 또는 18 ± 2 mA 흐를 때 음향경보의 작동 상태를 평가하는 실체사진이다. 전원스위치를 ON하고, Igr을 점점 증가시키며 평가를 진행하였다. 각각의 조건에서 결과를 측정하여 기록하고, ETEC-DPS의 음향경보 ON/OFF 스위치의 작동 여부를 확인한다. 실험은 5회 반복하여 연속 진행되었다. 실험을 통해서 측정된 검출 결과는 Table 2와 같으며, 오차 범위 내에서 정확하게 작동하는 것을 확인하였다.
Figure 5
Photographs of entities for evaluating the operation of the alarm sound when Igr flows 13 ± 2 mA and 18 ± 2 mA.
kifse-35-2-61f7.jpg
Table 2
As a Result of Igr Measuring the Operation Status of the Alarm Sound as it Flows Through the Set Value
Conditions 1st 2nd 3rd 4th 5th
Igr 13 ± 2 [mA] Alarm sound [dB] 100.2 100.5 99.8 100.8 100.3
Igr 18 ± 2 [mA] Alarm sound [dB] 100.4 100.3 100.5 100.4 100.6
ON/OFF switch Ok Ok Ok Ok Ok
Judgement Good Good Good Good Good
Figure 6은 ETEC-DPS의 통신 기능을 평가하기 위해 나타낸 실체사진이다. ETEC-DPS이 경보를 발신할 때 실시간 통신을 이용하여 사용자의 PC로 확인할 수 있다. 시스템의 전원스위치를 ON하고, Igr이 13 ± 2 mA 또는 18 ± 2 mA로 각각 설정하고 평가를 반복실시하였다. 정밀 전류계를 이용하여 각각의 Igr을 측정하고, 사용자의 PC에서 이루어지는 실시간 경보 여부를 기록한다. Table 3은 ETEC-DPS의 통신 기능을 평가한 결과를 나타낸 것으로 시스템의 구동과 동시에 실시간으로 통신이 가능한 것을 확인할 수 있었고, Igr이 위험 전류에 도달하면 관리자의 PC에서 전선로의 위험 상태를 실시간 경보하였고, 표시되는 것을 확인할 수 있었다.
Figure 6
An entity photograph to evaluate the communication capabilities of ETEC-DPS.
kifse-35-2-61f8.jpg
Table 3
Results Evaluation of Communication Capabilities of ETEC-DPS
Fire current Setting value Judgement
Igr 18 ± 2 [mA] or 13 ± 2 [mA] At the same time as the system is operated, the status of the electric wire can be checked on the administrator’s PC, and when the fire current (Igr) flows, an alarm sound is emitted. Good
Good

5. 결 론

저압용 전선로에서 발생되는 화재전류(Igr)를 실시간 검출하여 표시할 수 있는 전기화재예방시스템(ETEC-DPS, ETECKOREA Co., Korea)을 개발하였고, 개발된 제품에 대한 안전성을 평가하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
1) 개발된 ETEC-DPS의 내부에 적용된 인쇄회로기판(PCB)의 크기는 가로가 90 mm이며, 세로는 55 mm이다. PCB는 난연성 ABS 수지를 사용하여 제작하였다.
2) Igr의 디스플레이는 유효숫자 3개를 표시할 수 있고, 전선로에 흐르는 Igr을 0.1 mA 단위까지 실시간 검출하여 표시할 수 있다. 전선로에 Igr이 증가하여 설정된 값에 도달하면 LED 램프의 점멸과 동시에 경보음이 발신하도록 설계되었다.
3) RS485 통신 기능이 내장되어 있어서 전선로의 상태를 관리자의 PC에서 실시간 확인이 가능하다. 그리고 분기회로에는 LED 램프가 내장된 누전경보차단기를 설치하였다.
4) ETEC-DPS의 안전성 평가를 위해 Igr의 표시, LED 램프의 점멸, 경보음 발신 및 통신 기능을 확인하였으며 모두 설계조건에 충족하는 것으로 평가되었다.
이상의 결과에서 알 수 있듯이 개발된 ETEC-DPS를 건축물에 설치하면 전기화재의 발생을 근원적으로 예방할 수 있고, 전원 품질이 우수한 전기에너지의 공급에 기여할 것으로 판단된다.

후 기

이 논문은 2020년도 전주대학교 연구년 지원에 따라 이루어졌다. 그리고 ㈜디에스와이, ㈜이텍코리아 및 관계자들에게 감사의 말씀을 드립니다.

References

1. J. K Kim, “A Statistical Analysis on the Electrical Accident”, KESCO, pp. 5-17 (2020).

2. M. H Jeong, “National Fure Agency Statistical Year Book”, pp. 3(2020).

3. S. W Cho, “A Statistical Analysis on the Electrical Accident”, KESCO, pp. 26-62 (2020).

4. C. S Choi, “Study of the method to Examine the Cause of Damage to a Flat-Type Vinyl Cord(VFF) according to the Type of Energy Source”, Fire Science and Engineering, Vol. 25, No. 6, pp. 21-26 (2011).

5. J. H Lee and C. S Choi, “Carbonization Patten and Operation Characteristics of a 1 ø2 W MCCB Damaged by PCITS”, Fire Science and Engineering, Vol. 28, No. 5, pp. 8-13 (2014), https://doi.org/10.7731/KIFSE.2014.28.5.008.
crossref
6. C. S Kim, S. Y Han and C. S Choi, “Development and Safety Estimation of Resistive Leakage Current(Igr) of Detection Outlet”, KIEE, Vol. 58P, No. 2, pp. 221-226 (2009).

7. C. S Choi, “Analysis of the Principle and Operation Characteristics of an (Igc-Free ELB) Operated by an Active Component”, KIEE, Vol. 59P, No. 20, pp. 456-461 (2010).

8. B. S Lee and C. S Choi, “A Study on the Fabrication of the Sensor Module for the Detection of Resistive Leakage Current (Igr) in Real Time and Its Reliability Evaluation”, Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 33, No. 1, pp. 28-34 (2018).

9. W. S Ko and C. S Choi, “Development of a Test Device to Evaluate Leakage Current and Overload Alarms”, Proceeding of 2018 KIFSE Annual Fall Conference, pp. 99-100 (2018).

10. W. S Ko, D. I Kang and C. S Choi, “Development and IGR Characteristics of the Earth Leakage Breaker with Built-in Fire Current Warning Function”, Proceeding of 2019 KIFSE Fall Conference, pp. 40(2019).

11. ETECKorea Company. “Residual Current Circuit Breaker with Cut-off Protection due to Instant Grounding and Residual Current Alarm”, Korean Intellectual Property Office, Patent Number 10-1969922 (2019).

12. ETECKorea Company. “Earth Leakage Breaker for Large Charge Current Electric Lines”, Korean Intellectual Property Office, Patent Number 20-0453295 (2018).

13. ETECKorea Company. “Power Saving Type Earth Leakage Breaker”, Korean Intellectual Property Office, Patent Number 10-14∘2 (2018).

14. C. S Choi, “Electrical Fire Engineering (Theory and Practice)”, Jiwoo Books, pp. 232-256 703-720 (2019).

15. Korean Agency for Technology and Standards. “KS C 4621;Residual Current Operated Circuit-Breaker with Integral Overcurrent Protection for Household Uses (RCBO), KS C 4613;Circuit-Breaker Incorporating Residual Protection for Industrial Uses (CBR)”, (2018).

16. Korean Agency for Technology and Standards. “KS C 8332;Miniature Circuit-Breaker for Overcurrent Protection for Household Uses (MCB), KS C 8321;Molded-Case Circuit-Breaker for Industrial Uses (MCCB)”, (2018).

17. National Fire Agency. “NFSC 205;National Fire Safety Codes 205 for Leakage Current Detector”, (2019).



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