Study on Horizontal and Vertical Temperature Analysis of Cable Fire in Common Duct using Room Corner Experiment

룸코너 실험을 이용한 공동구 케이블 화재 시 수평·수직 방향 온도 분석에 관한 연구

Abstract

Purpose: Underground common duct fires are steadily occurring, and the proportion of property damage is particularly large among property and human casualties caused by fires. Especially, cable fires that occur in common areas can spread vertically quickly and pose a great risk. This paper aims to scientifically analyze the nature of the fire by reproducing the fire through experiments. Method: To analyze the characteristics of cable fires in underground common duct, heat release rate and temperature changes were measured through Room-corner (ISO 9705) test, and the vertical and horizontal propagation of cable fires was quantitatively compared and analyzed. Result: The Room Corner Test (ISO 9705) was used to compare the temperature changes at each data logger point. The results showed that the time it took for the fire to reach the ignition temperature in the horizontal and vertical directions from the center point of the first-tier cable was 589 seconds and 536 seconds, respectively, which means that the vertical fire propagation is 53 seconds faster than the horizontal propagation. This proves that the vertical propagation of fire is relatively faster than the horizontal propagation. The horizontal propagation speed of the fire was also compared for each floor cable tray. The results showed that the third-tier cable propagated at 3.4 times the speed of the second-tier cable, and the second-tier cable propagated at 1.5 times the speed of the first-tier cable. This means that the higher the cable is located, the faster the fire spreads and the larger the fire becomes. Conclusion: This study identified the risks of cable fires and analyzed the risks of vertical fire propagation during cable fires based on the results of the Room Corner Test. Studies to prevent the spread of fire and fire response policies to prevent vertical fire propagation are required. The results of this study are expected to be used to assess the fire risk of common areas and other fires.

연구목적:지하공동구 화재는 꾸준히 발생하고 있으며, 화재로 인한 재산 및 인명피해 중 특히 재산피해의 비중이 더 크다. 공동구에서 발생하는 케이블 화재는 수직으로 빠르게 확산되어 큰 위험을 초래할 수 있으며 본 논문은 실험을 통해 화재를 재현함으로서 과학적으로 화재의 성상을 분석하는데 그 목적이 있다. 연구방법:지하공동구 케이블 화재의 특성을 분석하기 위해 룸코너 실험을 통해 열방출율 및 온도변화를 측정하여 케이블 화재의 수직 및 수평 방향 전파에 대하여 정량적으로 비교·분석하였다. 연구결과:룸코너 실험(ISO 9705)을 통해 각 데이터 로거 Point 온도변화를 비교하여, 화재 진행 시 1단 케이블 중앙 Point 기준 수평방향과 수직방향으로의 착화온도 도달시간이 각각 589초, 536초로 수직방향 화재 전파가 53초 빠르다는 것을 확인할 수 있었다. 화재의 수직전파가 수평전파보다 상대적으로 빠르게 진행된다는 것을 증명하였고, 각 층 케이블 트레이별 화재 수평 전파 속도를 비교하여, 3단 케이블은 2단 케이블의 3.4배, 2단 케이블은 1단 케이블의 1.5배 빠른 속도로 진행되어 상방향에 위치한 케이블일수록 화재 확산 속도가 상대적으로 빠르며 화재 크기는 커진다는 것을 알 수 있었다. 결론:본 연구에서는 케이블 화재의 위험성을 파악하고 룸코너 실험의 결과를 바탕으로 케이블 화재 시 화재 수직전파의 위험성에 대해 분석하였다. 화재 확산을 막기 위한 연구와 화재 수직방향 전파를 예방하기 위한 소방 대응정책 등이 필요하며, 본 연구 논문의 시험 결과로 공동구 및 기타 화재 위험성 평가에 활용되기를 기대한다.

서론

지하공동구 화재의 경우 화재 발생지점의 정확한 감지에 한계가 있으며 지하의 밀폐 공간성, 소방 활동의 한계성 케이블 연소 확대의 위험성, 연소가스의 유동성 등으로 화재발생 시 대형재난으로 확대될 위험성이 크다. 특히, 케이블 화재의 경우 가열 초기단계부터 열분해로 인해 급속한 연소확대의 가능성이 높고 유독성 가스가 발생하는 특성이 있으며 케이블의 비난 연화, 구간별 방화구획의 미비 등으로 공동구에서 화재가 발생하면 작은 규모의 화재라 할지라도 인적·물적 손실이 크며 사회적 2차 피해로까지 확대되는 경우가 많다. 국가 화재정보센터(2013~2022)의 국내 화재 통계자료에 따르면 매년 약 4만 3천 건의 화재가 발생하고 있는데, 이 중 산불 및 차량 등을 제외한 건축물 화재는 전체 화재의 약 60%에 달하는 2만 6천건이 발생하고 있다. 화재 통계 중 지하구가 해당되는 지중시설의 화재현황은 다음과 같다. Fig. 1은 연간 건축물 화재 발생 건수와 공동구 화재 발생 건수를 나타낸 그래프이다. 지중시설에는 공동구, 전력구, 통신구, 지하가, 지하구, 터널, 기타 지중시설이 해당되는데, 이 중 지하구로 볼 수 없는 지하가와 터널 화재를 제외한 지중시설의 화재 당 연간 평균 재산피해액이 Fig. 2와 같이 건축물 대비 약 18배 이상 크다. 일반적으로 지하구에는 전기·가스·수도 등의 공급설비, 통신시설, 하수도시설 등이 있어 화재발생 시 간접피해액은 일반 건축물 화재와는 비교하기 어려울 정도로 클 수 있다.

Fig. 1. The number of common duct and building fires

Fig. 2. 10-year average property damage amount of the common duct and building fires

Fig. 3의 공동구 화재 현장 사진과 같이 국내 화재 사례로는 대표적으로 KT 아현지사 통신구 화재(2018), 부산 녹산공단 전력구 화재(2014), 구리 전력구 화재(2006), 여의도 공동구 화재(2000) 등이 있다.

Fig. 3. Fire case of Common Duct

위와 같은 위험이 있는 지하공동구 화재를 예방하거나 피해를 최소화하기 위한 위험도 판단에 근거가 되기 위해 룸코너 실험을 통해 공동구 케이블 화재시 수평·수직 방향 온도 분석에 관한 연구를 진행하였다.

케이블 화재의 위험성

앞서 기술한 바와 같이 지하공동구 화재는 꾸준히 발생하고 재산 및 인명피해 중 특히 재산피해가 큰 피해를 주고 있는 상황이다. 지하공동구 화재발생 원인을 분석하였을 때, 케이블이 주 가연물임을 파악할 수 있었고, 이러한 상황을 인지하고 공동구 화재의 주 가연물인 케이블 화재의 특징 및 위험성을 조사 및 분석하였다(Min, 2015).

공동구에서 발생한 화재는 거의 전력구나 통신구에서 발생한 것으로 화재 원인 분석을 전기 선로에서 발생하는 것으로 제한한다면, 케이블 자체에서 발생하는 경우와 외부 발화원에 의한 화재로 구분할 수 있다. 케이블 자체 발화에 의한 화재로는 단락에 의한 발화, 지락에 의한 발화, 누전에 의한 발화, 과전류에 의한 발화, 도체 접속부 과열에 의한 발화, 스파크에 의한 발화 등으로 진행될 수 있다. 외부로부터 발화되어 케이블에 착화되는 경우에는 공사 중 용접 불똥에 의한 발화와 케이블에 접속된 기기류의 과열에 의한 발화 또는 기름 등의 가연물 연소에 따른 발화, 방화 등이 있다(Oh, 2004).

케이블 화재의 특징은 착화되면 쉽게 연소하고 긴 시간에 걸쳐 연소하기 때문에 화재 확산 가능성이 매우 높고 대형화재로 이어질 가능성이 높다. 그래서 케이블에 화재가 발생되면 케이블 자체에 의한 연소구역이 작더라도 발생가스와 정전 등 2차 재해가 예상보다 크다는 점이 특징이다. 케이블 화재는 목재 등과 비교하여 연소에너지가 대단히 크고, 유독가스를 많이 발생시키므로 소화하기 어렵고 인명피해가 발생하기 쉽다.

최근 전력수요의 확산과 통신망의 확장 등으로 케이블의 증설이 급속히 진행되고 있다. 케이블 화재는 케이블의 소실로 인한 1차적 피해보다 그에 따른 사회적 간접시설의 중단에 따른 2차적 피해가 엄청난 중대재해의 원인이 되고 있다. 지하구내 케이블 화재는 시설물의 자체피해 외에 직접적으로는 전화, 통신회선의 두절에 따라 119 전화회선의 불통에 의한 소방활동 공백 지연의 발생을 일으키고 금융기관 등 컴퓨터 온라인의 정지에 의한 데이터 통신망의 혼란 등 Life Line의 두절이라는 사회적, 경제적으로 큰 피해를 준다(Lee, 2020).

룸코너 실험

KFS 1252(지하구·공동구의 방화기준)에서 2.10 지하구 또는 공동구 중 화재 위험성이 높은 부분에 교차된 수직구 또는 분기구 부분이 기재되어 있는 것을 확인할 수 있다. 특히, 공동구에서 발생하는 케이블 화재는 수직으로 빠르게 확산되어 큰 위험을 초래할 수 있다. 본 연구에서는 화재 시뮬레이션 예측에 필요한 정보를 제공하기 위한 지하공동구 케이블 화재의 특성을 분석하기 위해 룸코너 실험을 통해 열방출율 및 온도변화를 측정하여 케이블 화재의 수직 및 수평 방향 전파에 대하여 정량적으로 비교·분석하였다.

룸코너 실험의 개요

Fig. 4의 룸코너 테스터는 ISO 기준의 건축자재용 시험방법으로서 열방출률, 연기발생률, 산소소비량, 일산화탄소 및 이산화탄소 생성량 등을 측정하며 가구 등을 시험 가능토록 하는 장비이다.

Fig. 4. Room-Corner (ISO 9705) test

이 시험방법은 ISO 9705를 기초로 샌드위치 건물구조물의 소규모실에서 불꽃접염에 의한 국부화재를 재현하여, 조립된 샌드위치 패널 노출 부위 또는 패널 내부로의 연소확산과 샌드위치 패널 건물구조의 화재거동을 평가하기 위한 시험장치이다. 제품의 내화성을 평가하는 목적이 아니며, 점화부터 최대 플래시오버에 이르기까지 화재 초기 단계에 대한 열방출율을 제공하는 시험방법이다.

시험 방법

실험은 길이가 최대 1.5m인 수평 트레이에 구성된 전력케이블을 대상으로 진행하였다. 화원은 프로판 버너를 화원으로 이용하여 직접 불꽃을 노출시켜 케이블의 화염전파를 평가였으며, 화재크기는 40kW의 화원을 실험에 적용하였다. 화원의 위치는 트레이 중앙하단에 위치시켰으며, 케이블을 점화하여 케이블의 화재 확산 속도 및 열방출율을 측정한다. 또한 케이블의 온도변화를 측정하기 위하여 휴대용 데이터 로거에 30cm 간격으로 케이블 트레이 각층마다 5개씩 열전대를 케이블에 직접 접촉하게 설치하여 화염 전파에 따른 온도변화를 측정하였다(Ko, 2015).

케이블 선정은 해당 연구 프로젝트와 연관된 오창 공동구의 전력 케이블을 대상으로 하였으며, 시험체의 종류 전력케이블은 국가표준 KS C 3101 규격에 맞춘 제품으로 22.0kV 동심중성선 차수형 전력케이블(CN/CV)을 사용하였다. 실험에 사용한 장비로는 Fig. 5와 같이 가연물인 전력케이블을 거치할 3단 케이블 수평 트레이 복사 패널, 온도 측정을 하기 위해 필요한 휴대용 데이터 로거(GL240), 데이터 로거와 케이블에 연결하여 설치하는 열전대 와이어(K-50_HGL), 케이블에 직접 불꽃을 노출시키기 위한 프로판 버너를 사용하였다.

Fig. 5. Types of test specimens and test equipment

시험 과정

전력 케이블의 수직, 수평 화염 확산을 분석하기 위해 Fig. 6과 같이 케이블 트레이 각층마다 5개씩총15개의 열전대를 케이블에 직접 접촉하게 설치하여 시간대별 온도 추이를 파악하였다.

Fig. 6. Setting up data logger Points

Fig. 6과 같이, 1단 트레이에 Point 1~5, 2단 트레이에 Point 6~10, 3단 트레이에 Point 11~15를 연결하여 진행하였다. 열전대의 경우, 데이터 로거에 연결한 와이어 타입의 결전대 +,- 끝 부분을 용접하여 고정 설치하였고, 케이블에 접촉한 열전대의 경우 열테이프로 고정하여 설치하였다. 데이터 로거 설정의 경우, 설정 값으로 K Type 열전대, 섭씨온도 설정, 온도측정 주기를 1sec로 설정하였으며, 총15개의 채널로 구성하여 실험을 진행하였다.

준비된 시험체 전력케이블로 구성된 3단 케이블 수평 트레이를 소규모실에 설치한 후 시험을 진행한다. 그리고 준비된 점화원 40kw의 열유속을 지속적으로 가한다. 2,400초 동안 실험을 진행했으며, 지속적으로 불꽃연소가 발생되는 데이터 값을 휴대용 데이터 로거를 통해 모든 데이터를 기록한 후 급격히 성장한 화재로부터 시설물을 보호하기 위해 꺼지지 않은 불을 제거하여 시험을 강제 종료하였다. Fig. 7과 같이 진행과정을 나타내었다.

Fig. 7. ISO 9705 test result

시험 결과

실험체 전력 케이블의 착화 온도는 사전에 진행한 콘칼로리미터 실험을 참고하여 230°C 기준으로 판단하였다(Lee, 2022). 최고 온도는 Point 4에서 화재 발생 1,356초 경과 후 최고온도 902.1°C, 최대 HRR값은 화재 발생 945초 경과 후 379.37kW/m²로 화재크기를 확인할 수 있었다. 화재크기의 경우, 1단 케이블에 착화가 되는 시점 372초에 58.7kW/m², 2단 케이블에 착화가 되는 520초에 108.58kW/m², 3단 케이블에 착화가 되는 884초에 361.32kW/m²로 화재 진행에 따른 화재 크기 변화를 확인할 수 있었다. 실험 시작 368초 후에 프로판 버너에 버닝이 시작되었고, 372초에 버너 바로 위에 위치한 Point 3에서 제일 먼저 착화가 시작되었다. 이후520초에 Point 9, 566초에 Point 2, 617초에 Point 8, 651초에 Point 4, 816초에 Point 5와 Point 7, 869초에 Point 10, 884초에 Point 13, 908초에 Point 12, 948초에 Point 11, 961초에 Point 1, 995초에 Point 6과 Point 15 순서대로 착화가 진행되었다. 실험 도중 탈거한 Point 14를 제외한 전체 Point 중 착화 온도 230°C에 도달한 Point를 순서대로 나열하면 Point 3, Point 9, Point 2, Point 8, Point 4, Point 7, Point 5, Point 10, Point 13, Point 12, Point 11, Point 1, Point 15, Point 6 로 확인 할 수 있었다. 다음 Fig. 8과 Table 1은 본 실험을 통해 시간에 따른 데이터 로거 온도변화 및 열방출율 결과 그래프와 온도 변화 데이터 값이다.

Fig. 8. Experimental Results Data Graph

Table 1. Real Scale Fire Experiment Results

실험 결과, 발화원인 프로판 버너 기준으로 상 방향에 위치한 1단 트레이의 Point 2,3,4, 2단 트레이의 Point 7,8,9 3단 트레이의 Point 12,13 착화가 우선 진행되었으며, 수평방향에 위치한 1단 트레이의 Point 1,5, 2단 트레이의 Point 6,10, 3단 트레이의 Point 11,15의 경우 상대적으로 다소 느린 속도로 온도 상승이 진행됨을 확인할 수 있었다. 비교 기준을 수평전파의 경우 1단 트레이 중앙에 위치한 Point 3 기준 양방향 60cm, 수직전파의 경우 1단 트레이 중앙Point 3 기준 상향 40cm, 양방향 30cm로 화재 수평전파 시간과 수직전파 시간을 비교해 보았을 때 Point 3에서 양방향 60cm 에 화재 전파가 되는 시간은 589초, Point 3 기준 상향 40cm, 양방향 30cm에 화재 전파가 되는 시간은 536초로 수직방향으로의 착화온도 도달시간이 53초 빠르다는 것을 확인할 수 있어 화재의 수직전파가 수평전파보다 상대적으로 빠르게 진행된다는 것으로 분석되었다. 각층 케이블 트레이별 수평 전파 속도를 비교 하였을 때, 1단 케이블 트레이의 경우 589초, 2단 케이블 트레이의 경우 378초, 3단 케이블 트레이의 경우 111초로 상방향에 위치한 케이블 일수록 빠른 속도로 화재 수평전파가 진행되어 화재크기가 크고 확산 속도가 빠름을 확인하였다. 위와 같은 실험 결과는 추후‘디지털트윈 기반의 지하공동구 화재·재난 지원 통합플랫폼 기술개발’ 연구과제에 화재 위험도 판단 측면에서 참고자료로 반영 될 것이다.

결론

본 연구를 통해 케이블 화재의 특성 및 위험성을 정립하고, 케이블 화재 시 화재 확산의 수평 전파 보다 수직 전파의 위험성이 더 높음을 확인하였다.

본 실험 결과, 최초 착화 시간 372초(착화온도 230°C)이며, 최고 온도는 화재 발생 1,356초 경과 후 최고온도 902.1°C, 최대 HRR값은 화재 발생 945초 경과 후379.37kW/m²에 도달함을 확인할 수 있었다. 또한, 케이블에 설치한 모든 데이터 로거 Point에서 온도 변화가 나타났으며, 데이터 로거 15개의 Point 중 발화원인 프로판 버너 상 방향에 위치한 Point 3을 기준으로 양방향 60cm를 수평전파, Point 3 기준 상향 40cm, 양방향 30cm를 수직전파로 화재 수평전파 시간과 수직전파 시간을 비교해 보았을 때 Point 3에서 양방향 60cm에 화재 전파가 되는 시간은 589초, Point 3 기준 상향 40cm, 양방향 30cm에 화재 전파가 되는 시간은 536초로 수직방향으로의 착화온도 도달시간이 53초 빠르다는 것을 확인할 수 있어 화재의 진행속도 및 방향이 수평방향보다 수직방향으로 보다 빠르게 진행되어 화재의 수평전파보다 수직전파의 위험성이 높다는 결론을 얻을 수 있었다. 또한, 각층 케이블 트레이별 화재 수평 전파 속도를 비교하였을 때, 3단 케이블은 2단 케이블의 3.4배, 2단 케이블은 1단 케이블의 1.5배 빠른 속도로 진행되어 상방향에 위치한 케이블 일수록 빠른 속도로 화재 전파가 진행되어 수직으로 화재가 전파 될수록 확산 속도가 상대적으로 빠르며 화재 크기는 커진다는 것을 실험을 통해 수치적으로 검증할 수 있었다.

이와 같은 결과를 바탕으로 케이블 화재 시 화재 수직전파의 위험성이 높은 것을 인지하고 케이블과 케이블 사이 열 전도를 막아주거나, 화재 수직방향 전파를 예방하기 위한 소방 대응정책이 필요하며, 화재 확산을 막기 위한 연구가 필요하며, 본 연구 논문의 시험 결과로 공동구 및 기타 화재 위험성 평가에 활용되기를 기대한다.