1. 서 론
2021년 소방청의 화재통계를 보면 총 36,267건의 화재가 발생하였고, 부주의에 의한 화재가 16,875건으로 가장 높은 비율을 차지하였다. 다음으로 9,472건의 전기적 요인이 두 번째로 많이 발생하였다. 화재 조사에서 전기적 요인과 관련된 흔적을 중요하게 생각하는 부분도 이런 이유이다.
전기적 요인에는 트래킹, 접촉불량 및 과부하 등 다양한 원인이 있지만, 화재 조사 분야에서 가장 기본적으로 검사하는 것은 단락흔이다. Figure 1과 같이 전기적 요인에서 단락에 의한 화재가 4,801건으로 약 50%의 높은 비율을 차지하기 때문이다.
국내⋅외 전기화재를 예방하기 위하여 회로 보호기기로 배선용 차단기와 누전차단기를 사용하고 있지만, 이들 특성상, 과부하 및 누전으로 인한 전기화재를 부분적으로 보호할 수 있을 뿐, 단락에 의한 전기화재를 보호하는 데는 한계가 있다. 또한 구조물로 된 화재 현장 조사 시, 내부 전기설비 및 전기제품 등에서 다양한 전기적인 특이흔적 중 가장 많이 존재하는 것이 단락흔이다. 이러한 단락흔이 화재 현장의 발화지점 및 발화원인을 특정하는데 매우 중요한 역할을 하고 있다.
단락흔은 1차와 2차로 구별된다. 1차 단락흔은 전선 절연피복의 손상 등에 기인하여 화재원인으로 작용되는 것을 의미한다. 2차 단락흔은 다른 원인으로 화재가 발생된 후, 화염이 확산되는 과정에서 절연피복이 소실되면서 형성되는 것으로 화재원인과 무관하다(1).
배선 구조를 확인할 수 있는 화재 현장에서 수거된 전선 및 증거물(감정물)의 전선을 검사하다 보면 구리 망울이 전원측보다 부하측에 많이 형성된 것을 보게 된다. 모두 다 그런 것은 아니지만 확인 가능한 부분에서는 이런 형상들이 특징처럼 나타난다.
따라서 본 논문에서는 단락 과정에서 발생되는 구리 망울이 비산되는 방향과 부하측에 융착되는 것에 관하여 법칙 및 이론으로 해석하고, 시뮬레이션과 실험을 통해 단락 메커니즘을 분석하였다.
2. 화재 현장의 단락흔
2022년 9월 강원도 ○○군 소재 건물에서 발생한 화재 현장을 Figure 2에 나타내었다. 건물은 콘크리트 구조이며, 심하게 소훼되어 벽이 박리된 상태였다. 연소 형상 등을 고려하여 발화지점을 특정한 후, 쌓여 있던 연소 잔해를 제거하여 Figure 2(a) □부분에서 증거물(감정물)을 수거하였다.
전원측과 부하측에 관한 배선 구조가 명확한 상태에서 전원코드의 단락흔을 분석하였다. 그 결과, Figure 2(b) ○부분의 Figure 2(c)와 같이 단락 과정에서 발생된 구리 망울이 전원측보다 부하측에 다량으로 부착된 형태였다. 이번 화재 현장뿐만 아니라 배선 구조를 확인할 수 있는 다른 현장 및 증거물(감정물)에서도 구리 망울이 상대적으로 부하측에 다량 부착된 형태를 볼 수 있다.
3. 해석 법칙 및 원리
전선에서 절연손상 등에 기인하여 단락흔이 형성되는 과정을 플레밍의 왼손 법칙(Fleming’s left hand rule), 로렌츠의 힘(Lorentz’s force) 및 레일건(rail gun)의 원리를 적용하여 해석할 수 있다. 단락 과정에서 고열의 아크와 함께 용융되는 전선의 구리 망울은 대부분 전원측보다 부하측 방향으로 비산된다. 실제로 로렌츠의 힘 외에도 아크에 의한 폭발력, 절연피복의 상태 및 부하로 구성된 기계적 장력(tension) 등에 의해 영향을 받을 수 있지만, 본 연구에서는 단락 순간의 전자기력을 중심으로 망울의 비산 방향 및 형태를 분석하였다.
플레밍의 왼손 법칙은 자기장 속에 있는 도선에 전류가 흐를 때 자기장의 방향과 도선에 흐르는 전류의 방향으로 도선이 받는 힘의 방향을 결정하는 규칙이며, 전동기의 원리와도 관계가 깊다. 자기장 속에 있는 도선에 전류가 흐르면 움직이는 전하에 작용하는 로렌츠의 힘에 의해 도선도 힘을 받게 된다. 플레밍의 왼손 법칙을 적용하면 자기장의 방향과 전류가 흐르는 방향을 알 수 있을 때 도선이 받는 힘의 방향을 결정할 수 있다. 방법은 왼손의 검지를 자기장의 방향(B), 중지를 전류(I)의 방향으로 했을 때, 엄지가 가리키는 방향이 도선이 받는 힘(F)의 방향이 된다(2).
로렌츠의 힘은 하전입자가 자기장 속에서 받는 힘을 말한다. 이 힘은 운동하는 전하만 받고, 정자기장(靜磁氣場)에서는 자기장이 전하의 운동 방향에만 영향을 미친다. 이 힘을 표현한 식을 이용하면 임의의 전자기장 내, 힘의 작용 전체를 나타낼 수 있다. Figure 3과 같이 하전입자가 전기장에서 받는 힘 즉, 전기장의 세기를 E, 입자의 전하를 q, 자속밀도를 B, 속도를 v라고 하면 식(1)과 같이 나타낼 수 있다. 즉, 운동 전하에 대해서는 힘을 미치나, 힘의 방향은 자속과 속도 방향과 수직이므로 정자기장은 운동하는 하전입자에 대해서는 일을 하지 않고, 다만 그 운동 방향만 바꿀 뿐이다(3).
레일 건은 전류가 흐르는 도선에서 발생하는 전자기력의 세기 및 방향에 관한 법칙인 플레밍의 왼손 법칙에서 착안된 탄도 발사기를 말한다. 총포류의 경우 화약을 폭발시켜 그 폭발력으로 탄환을 가속시키는 원리로 발사가 이루어지지만 레일 건에서는 Figure 4와 같이 일종의 리니어모터(선형 유도 모터)를 사용해 유도된 전자기력(로렌츠의 힘)으로 탄환을 가속시켜 발사하게 된다. 이를 위해 양극, 음극 두 개의 도전용 레일이 필요하며, 두 레일 사이에 탄도(projectile)를 두면 전자기력에 의해 탄도가 가속되게 된다(4).
4. 시뮬레이션 및 실험
4.1 시뮬레이션
전선의 중간 지점에서 단락이 발생하는 경우와 전선의 끝단에서 단락이 발생하는 경우로 두 가지 사례에 관하여 시뮬레이션을 수행하였다.
전선에서 단락 발생 시, 형성되는 구리 망울에 가해지는 자기장의 분포 및 방향성을 분석하였다. 시뮬레이션에 적용될 전선은 KS C IEC 60227-5 (전기용품 안전기준) 중, Table 1과 같이 공칭 단면적이 가장 큰 사양으로 선정하였다.
Table 1
Specification of a Wire
| Specification | Value |
|---|---|
| Nominal Sectional Area | 2.5 mm2 × 2 |
| Diameter of Conductor | 2.1 mm |
| Insulation Thickness | 0.8 mm |
| Center Distance between Conductors | 3.7 mm |
Figure 6과 같이 전선의 전체 길이를 약 40 mm로 설정하고, 중간 지점인 20 mm에서 단락이 발생하는 경우로 모델링 하였다. 도체의 직경은 2.1 mm이며, 도체간의 중심 거리는 약 3.7 mm로 지정하고, 부하(load)를 제외한 전선과 단락이 발생하는 도체도 모두 구리로 설정하였다.
부하의 용량은 약 500 W 기준, 역률 0.95로 선정하여 Table 2와 같이 등가 모델을 구현하였다.
Table 2
Modeling of a Load
| Specification | Value |
|---|---|
| Power Consumption | 500 W |
| Voltage | 220 V |
| Current | 2.39 A |
| Resistance | 92.0 Ω |
| Cross-sectional Area of Conductor | 3.46 mm2 |
| Conductivity | 11.61 1/Ω⋅m |
ANSYS Maxwell ‘adaptive mesh’ 기능에서 적절한 격자 조건을 선정하였고, 해당 기능으로 자동 계산된 격자 개수를 총 63,734개로 산정하여 해석에 적용하였다. 도체 간의 단락은 Figure 7과 같이 부피 약 1.14 mm3, 질량 0.0102 g 구리로 적용하였다.
전선 중간 지점에서의 시뮬레이션 결과, 단락 과정에서 발생되는 구리 망울이 로렌츠의 힘에 의해 부하측으로 다량 비산되는 것을 Figure 8에 나타내었다. 또한 Figure 9에서 최대 4,447 uN의 자기력에 의해 전선의 전류 밀도가 구리 망울에 집중되는 것으로 분석하였다.
전선의 끝단에서 발생되는 단락 과정을 Figures 10 및 11과 같이 설정하였다. 중간 지점에서 단락이 발생되는 상황과 동일한 전선 규격 및 단락에 사용될 구리 망울의 부피와 질량도 동일하게 선택하였다.
전선 끝단에서의 단락 시뮬레이션 결과도 Figure 12와 같이 형성되는 구리 망울이 부하측으로 다량 비산되는 것으로 분석되었다. 이 때 작용되는 자기력은 Figure 13과 같이 최대 58,162 uN으로 전선의 전류 밀도가 구리 망울에 영향을 주는 결과로 도출되었다.
구리 망울을 포함하여 단락이 발생되는 주변까지 영향을 주는 상황을 해석하였을 경우, Figure 14와 같이 최대 73,852 uN의 힘으로 구리 망울이 용융⋅비산되는 것을 확인하였다.
전선의 중간 지점 및 끝단 모두 부하측으로 용융된 구리 망울이 비산되는 것이 공통적으로 분석되었다. 하지만 구조상, 전선 중간 지점은 부하측 방향으로 전선이 지속적으로 연결되는 반면, 끝단에서는 전선의 연결 없이 사면이 대기 중에 노출되어 있는 형태이기 때문에 끝단에서의 비산되는 구리 망울의 양과 자기력이 중간 지점보다 크게 작용된 것으로 사료된다(6).
4.2 실험
300 kW급의 발전기에 차단기와 전선을 연결하여 전선의 단락을 모의하였다. 단락 과정에서 발생되는 구리 망울의 용융⋅비산을 초고속 카메라(phantom LC310-12G-mono camera)로 촬영한 모습을 Figure 15에 나타내었다.
220 V 상용전원의 60 Hz를 사용하여 각각 10회씩 실험을 진행하였다. 단락을 한 번 발생시키면, 종료되는 실험으로써, 실험 시간을 측정하지 않았다. 또한 실제 실험 과정에서 단락이 발생될 경우, 부하측 기기에 전기적 문제가 야기될 수도 있어, 부하 기기가 없는 상황에서 전선을 직접 접촉시켜 실험을 진행하여 별도의 전류를 측정하지는 않았다.
전원측과 부하측의 구분은 배선 구조에서 전원을 공급 받는 방향으로 하여 단락이 발생되는 지점을 중심으로 전선의 전원측과 부하측으로 구별하였다.
5. 결 론
본 논문에서는 화재 현장 조사에서 가장 기본으로 검사하는 단락흔을 중심으로 단락 과정을 해석할 수 있는 법칙과 원리를 적용하여 시뮬레이션과 실험으로 분석하였다.
플레밍의 왼손 법칙에서 전류와 자기장이 작용할 경우, 로렌츠의 힘이 발생하게 된다. 이를 응용한 것이 레일 건으로써, 탄도가 발생되는 원리를 적용하였다. 이를 통해 전선에 전류가 흐를 때, 탄도 발사와 동일한 형태로, 단락 과정에서 발생되는 용융된 구리 망울이 부하측 방향으로 비산되는 것으로 해석하였다.
시뮬레이션 결과에서도 전선의 중간 지점 및 끝단에서 단락이 형성되면, 로렌츠의 힘에 의해 구리 망울이 부하측 방향으로 비산되는 것을 확인하였다. 또한 실험에서도 전선에 단락이 발생하게 되면, 일부는 사방으로 비산되기도 하지만, 어느 정도의 경향으로 구리 망울이 부하측으로 형성되는 것으로 분석하였다.
단락 과정에서 형성되는 구리 망울이 부하측 방향으로 비산되는 것을 시뮬레이션과 실험 등으로 검증하였다.
화재 조사 과정에서 단락흔이 형성된 전선을 검사 할 경우, 전원측과 부하측에 관한 배선 구조의 검토가 어려워도, 연구를 통해 도출된 결론을 적용하여 구리 망울이 상대적으로 많이 형성된 부분을 부하측으로 예측할 수 있을 것이다.
이를 통해 배선 구조를 검토한 후, 부하측을 중심으로 전원측의 단락흔 등을 발화원인에서 배제할 수 있는 근거로 활용할 수 있다. 뿐만 아니라, 발화원인을 추정할 수 있는 근거가 마련되기 때문에 화재조사의 신뢰성 있는 결과를 추론할 수 있을 것이다.
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