전선및 케이블 공동구 방화대책

[새벽하늘]

전선및 케이블 공동구 방화대책


1. 화재위험성

(1) 전선,케이블 다발의 화재
정션 박스, 맨홀, 케이블 트레이, 콘트롤룸아래크롤스페이스, 케이블 스프레더, MCC 아래의 케이블 트렌치와 같은 곳의 전선과 케이블 다발에서 발생하는 화재는 심각한 손해 원인이 된다. 발화 원인은 어쨌거나 절연 파괴인데, 이런 사고는 과전류로 인하여 아크와 과열이 발생하여 가연성 절연 물질을 연소시켜 일어나게 되며 뒤따라 발생하는 화재는 발견 전에 확대되는 일이많고 신속한 소화 활동을 위한 접근이 어렵기때문에 결론적으로 절연이 파괴되고 운전이 정지된다. 화재는 모든 전압과 절연 타입이 나 자켓의 다발 전선에서 일어나고있다. 이런 전선들은 가연성 물질로서 직조에 고무를 입힌 것, 아마포 에바니쉬 칠을 한것, 합성물질 절연 및 자켓, PVC와 네오프렌 등이 있다. 연케이블도 낙뢰나 과부하 또는 연피의 구멍이나 틀을 통해 케이블로 들어간 습기가 사고 원인이된다. 사고 케이블과 그 근처의 연피의 용융을 수반하는 아크는 연피속의 가연 물질을 연소시킨다.이 가연 물질은 연료 역할을 하여 처음 아크가 과전류 보호 장치의 작동으로 꺼지더라도 계속 연소한다.

(2) PVC 부식
PVC 절연이 점화되면 연소 생성물의 일종인 염화 수소가 공기중의 물과 반응하여 염산이 발생한다. 이 때 민감한 릴레이, 계기, 제어장치, 구리부스바 및 놋쇠,알미늄 또는 아연 합금과 같은 금속은 이러한 가스에 노출되면 부식 손상을 입게된다. 또한 철근 콘크리트 구조에서 염소 오염은 시멘트 구조의 석회 성분 hygroscopic calcium chloride를 형성하여 철근에 손상을 주게 됨으로써 콘크리트는 화재 후 수 개월 또는 수 년이 경과하면 철근의 부식으로 붕괴될 수 있다

(3) 절연 파괴
절연 파괴는 여러가지 원인이 있을 수 있는데, 가장 큰 원인은 기계적 손상, 과열, 코로나, 오존, 과전압, 화학적 환경에 의한 것과 설치류, 개미 등의 벌레에 의한 피해 등이 있으며, 모터와 기타 전기 장치의 전원 공급 전선은 기계적 혹사와 진동, 습기, 고온, 기름, 부식성 액체와 기체 및 여러가지 용제에 노출되어 문제가발생하고있다.그리고 관리불량도 절연파괴의 주요 원인이 되고 있다. 기름이 흡수되면 절연은 쉽게 파괴되어 지락이나 단락의 결과를 초래하여 심각한 화재를 수반 할 수 있기 때문에 케이블 트레이 는 이물질이 쌓여 고온이 되어 절연을 파괴하지 않는 조치가 필요하다.그리고 종이 가루,건조 펄프,
나무조각, 기름 걸레, 빈 도시락과 같은 것이 트레이에 쌓이지 않도록 해야 하는데, 이런 물질은 쉽게 불이 붙고 때로는 자연 발화하여 화염 전파를 일으키기 때문이다.

(4) 부실 시공
부실 시공과 부실 취급은 여러 케이블 화재의 원인이 된다. 케이블은 지나치게 구부리면 금방은 나타나 지 않지만 절연에 손상을 주게되며, 수 개월, 수 년후에는 절연 파괴의 원인이 된다. 일반적으로 케이블은 nonshield전선의 곡률 반경을 케이블 직경의 8배이내로 하며 shield케이블이나 연케이블은 케이블 직경 의 12배이내로 하여야한다. 경우에 따라서는 제조상의 하자가 사고 원인이된다. 폴리에틸렌(cross-linked폴리에틸렌포함)은 절단시 길이 방향으로 수축하는 경향이 있어 splice나
stresscone이 일어나 void를 발생한다. 비자성 스테인레스 스틸호스 클램프가 있는 자켓클램핑은 초기 수축 이후에 더이상의 수축을 막을 것이다.

(5) 연결
불량 splice와 터미네이션은 사고의 원인이 되는 경우가 많다. 나사와 볼트식 연결과 불량 납땜부분은 급격한 부하 변동과 환경 조건의 온도 변화로 인하여 헐거워지며 과온으로 되는 경향이 있다. 알미늄 터미널과 연결 부분은 잘못하여 이완되면 고온이 될 수 있다. 알미늄 전선용으로 특수하게 고안된 연결 부분을 사용하고 알미늄 전선과 연결하는 기기는 이 용도로 고안된 것만을 사용하여야 한다. 그리고 구리와 알미늄전선을 연결하는 경우에도 이 목적용 연결장치만을 사용하여야 한다. splice는 케이블의 가장 취약부이므로 최대의 주의를 요한다.splice나 터미널 연결은 전선 굵기, 절연의 종류, 전압, 자켓, 쉴드나 armored 여부에 따라 여러가지 방법이 있다. 기본적으로 기계적,전기적으로 케이블과 동일한 강도를 발휘하도록 하여야한다.납땜 splice와 연결은전기가 상용화한이래 오랫동안 사용하고 있는데 현재는 저압에서도 납땜없는 장치로 교체되고 있다. 고전압용 spliceing 도구가 여러 회사에서 시판되고 권장되고있다. 이러한 도구는 케이블 굵기와 종류별, 절연, 전압별로 여러가지가 있으므로 그 제조회사의 지침을 지켜야한다. 단락 상태에서 케이블은 단락 회로의 자력의 제곱만큼 큰 지락이 생긴다. 케이블에 대전류는 큰 자장을 수반하게 되는데 이 자장은 케이블을 움직이는 원인이 된다. 케이블의 움직임은 전류의 변화에 따라 온도 변화를 일으키므로 적정 하게 고정하거나 방호하지 않으면 연결부의 이완과 절연의 파괴가 올 수 있다.

(6) 화재 노출
운전 조건이 부적정하게 변경되거나 위치가 나쁘면 전선과 케이블에 유해한 조건을 갖게 한다. 이런 상황에는 고온, 부식성 증기, 심한 진동, 습기, 기름, 부식성 액체 및 물리적 손상과 같은 요인이 있다. 그래서 매설 케이블은 자주 부식, 습기, 진동을 받게되어 노화가 촉진되고 표면에는 중량물이나 뒷채움돌 등으로 인하여 기계적인 손상을 입게 되는 것이다.


2. 절연 및 전선종류

(1) 방염 처리 및 자체 소화 절연
1933년이래 NEC는 직조형, 석면 침윤형,직조 바니쉬형 및 비직조 더모플라스틱 전선 등 모든 660V고무나 더모플라스틱 절연전선에 비금속 방염도포로 요구하고있다. 오늘날 주 전기 절연체는 폴리에틸렌, 폴리비닐크로라이드 및 네오프렌과 같은 더모플라스틱을 배선 계통에 자켓이나 도체의 절연용으로 사용하고있다. 여기에는 여러 동급의 방염 성능이 있는데 어떤 제조 회사는 케이블이나 전선을 자기 소화나 비화재 전파로 등급을 매긴다. .도체의 방염 처리와 절연 자재의 자기 소화성이 현재 전선과 케이블에서 많이 사용되는데 이것은 연소하지 않은 것을 의미하는 것은 아니다. 자기 소화 절연의 단전선이 양호하게 분리될때 연소하지 않을수는 있지만 다량이 정션 박스나 트레이에 쌓인 경우라면 화재시 자체로 화염을 전파시킨다. 현장 조건에 따라 다른 가연물, 기름 찌꺼기, 공기 흐름,주위 상황이나 불로 인한 작동 온도상승등은 별개의 문제이다. 굴뚝 효과는 수직 트레이, 레이스웨이 또는 케이블 샤프트 발화시에 화재의 급속한 확산 원인이 된다. Teflon(polyterafluoroethy)수지, TFE, FEP로 절연한 도체는 270℃, 205℃까지의 고온에서 사용할 수 있는 것으로서 NEC가 인정하고 있다. 이 절연 방법은 계속해서 고온에 노출되면 용융할 것이다. 이 물질은 상당히 고가이나 믿을수있는 전력 공급과 화재 위험의 제거 차원에서 사용이 증가되고 있으며 항공기와 우주선, 데이터 처리기기 및 무기 통제 계통의 전기 설비에 쓰인다. 또 다른 cross-linked 폴리에틸렌 절연은 방염뿐 아니라 고온에 노출될 때 부식가스를 발생하지 않는다.이 케이블은 항공기 산업에서 많이 사용하고 있는데, 22AWG에서 1000MCM 굵기에서 2000V까지의 싱글 및 멀티 콘덕터 케이블에서 가능하다.
MI(Mineral insulated conductors)도 NEC에서 600V 절연과 다발 절연 전선으로 인정된 것으로서 고밀도 산화 마그네슘 절연물을 금속피로 한 것이다. 보통 사용하는 85℃제한 터미널 접점 이외에는 연소하지 않으며 특수용인 250℃에서는 구리 금속시스의 용융 온도까지 견딜 수 있다. 이 전선은 가장 굵은것이 4/0의 싱글 콘덕터로 제한 사용되며 싱글 케이블내에 최대 7가닥인최대 NO.10까지이다.이러한 종류 제한 은 케이블 제조 방법 때문이다.
Type XHHW로 알려진 방염 절연은 600V의 모든 알루미늄 및 동선에서 가능하다. 이 케이블은 cross -linked 폴리비닐크로라이드 컴파운드가 사용된다. 네오프렌 절연이나 자켓팅의 가연성은 그 컴파운딩 에 따라 다른데 어떤 종류는 아주 잘 연소하며 또 어떤것은 합선점에 아크나 불꽃에 잘 견디어 확산을 방지한다.

(2) 고형 비전 절연 전선(Solid Dielectric Insulated Conductors)
고형 비전 절연 케이블은 중간 전압용 산업 용도에서 많이 사용한다. 성능이 좋고 저가이므로 노후 전선 교체시에 대부분 이것을 사용하고 있는데 다른 전선에 비해 절연 두께가 얇고 방염 특성, 전기적, 화학적 물리 특성이 양호한 장점이있다.
가장 인기있는 고형 비전 절연에는 폴리에틸렌(PE), cross-linked 폴리에틸렌(XLPE), 에틸렌 프로필렌코폴 리머 (EPM) 및 에틸렌 프로필렌터폴리머(EPDM)가 있다. 이들 물질의 각각은 코로나 손상 및 고절연 저항, 임펄스 강도 및 내습 저항이 양호하다. PE와 XLPE는 뻣뻣하여 구부리기 어렵지만 EPM과 EPDM은 쉽게 구부러지므로 지나치게 구부려 절연이 파괴되지 않도록 주의를 요한다. PE절연은 95℃에서 연화되고 107℃에서 용융한다. 그리고 XLPE는 130℃에서 변형하나 EPM과 EPDM은 단기간 250℃에서 견딜 수 있다.

(3) 쉴드 전선(Shield Conductors)
고형 비적충 비전 절연(solid nonlaminated dielectic insulation)케이블은 비자성 금속 테이프 또는 반도체 테이프, 메탈릭 브레이드 또는 절연을 파괴할지 모르는 파괴성 출력(코로나)과 절연질내에 비전 필드를 가둬두는 목적에 쓰이는 전선에 적용된다. 쉴딩은 2KV이하에서는 요구되지않으며 2KV이상 8KV이하는 NEC에서 310-51에 적합한 경우 쉴드를 요구하지 않는다. 즉 절연과 자켓 두께는 NEC 1975표 310-33에 따라야한다.

(4) 관형 케이블-유입형( pipe-type Cable-Oil Filled )
고압 발전기와 변압기 전선 및 230,000V 이하의 고압수중전선, 고형침윤지 절연케이블은 1379 kpa이하 유압의 절연유를 배관내에 충전하는데 이것이 oilostatic cable이다. 이 유압은 감시가 가능하여 누유나 감압시 경보가 작동한다. 이 설비는 1935년 이래 계속 사용되고 있으며 잔고장이 없는 고급 설비이다. 여기에 사용되는 기름은 가연성이므로 구조물이나 기기 화재의 노출 범위에 따라 케이블과 기름이 타지 않도록 자동 소화 설비를 갖추어야 한다.


3. 절연전선 및 케이블의 시험기준

현재 다발케이블 문제에 대한 관심은 크지만 절연 전선의 가연성을 판단하는 표준 시험방법은 없다. 주된 문제는 현재 조건을 예측한 일반 케이블 설치를 재현할 발화 상태를 개발하는 것이다. 미국의 전기 전자기술자협회(IEEE)는 시험방법 초안(P383)을 개발했는데,이것은 254㎝폭의 ribbon-type 가스 버너의 불꽃으로 심한 아크나 대형오일화재를 재현하는 모의 시험이다. 가스량이 측정된 가스불꽃의 온도는 760 - 815℃로 수직 트레이의 케이블 직경의 1/2떨어진 싱글 레이어로 설치한 케이블에 20분간 가열한다. 이때 버너를 치운 다음에 잔염이 없으면 그 케이블의 질은 시험에 합격한 것으로 한다. 그리고 간단한 망시험(screening test) 이 있는데 버너 불꽃을 케이블 시험체에 수직으로 접촉시키는 방법으로 재료의 확산 위험성을 알 수 있다. 이 망시험의 가장 큰 단점은 다발 전선의 불연성이나 가연성을 판단할수 없다는 것이다. 여기에서 IEEE P383 시험은 망시험보다 새로운 것으로 평가를 받고 있으며 이 시험에 의한 화염확산 특성결정방법으로서의 그 가치는 아직도 결정적이다.


4. 케이블 설치 및 방화

전선 및 케이블이 다발로 있는 일반 장소의 방화 대책은 다음과 같다.

(1) 일반 케이블 설치 위치
* 여러 종류의 전선이 근접하여 있고 스프링클러가 설치되지 않은 경우에는 개방된 곳
* 불막이로 작게 구획하지 않은 정션 박스
* 콘트롤 보드 하부에는 트렌치나 피트
* 맨홀
* 발전기나 변전소의 메인 콘트롤룸의 아래층 공간
* 전선 및 데이터 처리장비의 마루 및 공간
* 이중 천정 속
* 케이블 트레이, 랙크, 모터 콘트롤, 터널, 수직 샤프트 및 이와 유사한 비방호 장소
* steel mill의 콘트롤 pulpits
* 전화 교환의 분배 프레임과 콘트롤룸
* 유입관 케이블

(2) 방화 방법
다발 케이블 방화는 자동 스프링클러나 다음 수단으로 할수있는 방화 대책(Recommend Safeguards)중 가장 현실적으로 요구되고 적용 가능한 수단으로한다.
1) 방염 테이프(Falmeproof Tapes)
케이블의 가닥, 길이 또는 설치 상태상 방염 테이프로 감는 것이 현실적인 경우가 있다. 두께 1.58㎜ 이상의 석면 테이프를 나선으로 50%이상 겹치도록 감고 비중 1.15정도의 규산소다요액(물유리)에 충분히 침전시킨다. 이 테이프는 케이블 직경과 거의 같은폭일때는 가장 감기가 쉬운데 보통폭 50.8㎜인 것이 많이 쓰인다. 제조 회사의 지시서에 따라 정해진 코팅 방법과 유리 섬유 묶는선과 같이 사용하면 되는데, 테이프나 튜브형의 석면포도 있고 천을 일정한 폭으로 재단하여 사용하는등 여러가지 제품이 생산된다. 석면포 테이프와 튜브는 내화 및 방수용 전선 절연자재인데 이중에는 200암페어의 아크에서 30초간 견디는 시험에 합격한 것도있다. 또는 작은 전선이 많은 경우에는 전선들을 한데 묶어 방염 테이프로 감기도한다. 방염 재료는 외피로의 누적을 막기위해 나전선 단부로부터 50.8-76.2㎜부분 까지로 한다. 적정하게 처리된 규산 소다에 침전시킨 석면포나 개별 전선에 규정의 방염 테이프 도포는 케이블 온도를 증가시키지 않는데 이는 도포 두께의 증가로 상승하는 온도는 재료의 열전도에 의해 외부 로 발산되기 때문이다.
2) 방화 도포(Fire Protective Coating)
화재에 노출된 케이블이 더이상의 화염 확산을 못하도록 케이블 트레이, 트렌치, 트로, 정션 박스내의 전선 에스프레이, 솔질, 흙손질로 몇가지 FM승인한 화염 방지 컴파운드가 있다. 이런 방화 조치는 방염 테이프나 자동 소화 설비 설치가 경제성이 없는 경우에 적당하다. 이 도포는 제조 회사의 지침대로 도포할 경우, NEC ( Note8,표 310표지310-19)의 특수 조건에서 허용하는 최대 전류 상태에서 과도한 온도 상승을 일으키지 않는다.
3) 불활성물질의 사용
대형 정션 박스와 케이블 트렌치의 전선 주위 공간을 모래, 석면 조각, 팽창 질석, 기타의 불연재료로 충전 하는 방법으로서 조명이나 동력 전선에서 사용할때 전선의 온도 상승이 불가피하므로 권장하지 않는다. 이 방법은 제어용 다발 전선과 같은 상대적으로 적은 전류이거나 전류가 간헐적으로 흐르는 경우에 적합 하다.
4) 소방시설 설치
자동 스프링클러, 할론1301, 이산화탄소 또는 고팽창포 등이 다발 케이블의 방화를 위하여 사용될 수 있다. 케이블의 절연이 노화나 고온에 장기간 노출로 인하여 파괴되었다면 케이블을 전기 강도에 손상 없이 테이프로 감을수 없으며,전선들이나 케이블이 강하고 근접 다발로 접근이 불가능하다면 방염 처리도 어렵고 고가이기 때문에 긴 케이블 터널의 가장 현실적인 방화 대책은 소화설비로 스프링클러 설비를 설치하는 것이며, 고팽창포설비도 적용할 수 있다.

5. 방화 요구 사항(Recommended Safeguards)

(1) 방화 대책
* 케이블 스프레딩룸, 콘트롤 판넬 또는 다른 구획에 있는 다발 전선의 방화 조치로 자동 스프링클러를 설치한다. Ordinary-hazard (자동 스프링클러의 살수 밀도 결정시right, ordinary, extra-hazard로 구분됨) 스프링클러가 적정하다.
* 실(室)이나 구획을 밀폐시킬 수 있는 장소는 스프링클러 대신에 가스 소화설비를 사용할 수 있다.
* 또 다른 방법은 케이블에 석면테이프, 방염 코팅, 불활성물질 등으로 덮어 방염 처리할 수 있다.

(2) 수직,수평 케이블 트레이 설치
* 케이블 트레이 시공은 NEC 318기준에 따른다.
* 콘트롤, 시그널, 전력용 전선은 화재, 폭발 기타의 위험으로부터 노출을 최소화 하여야 한다.
* 전력선은 콘트롤, 시그널, 기기 전선과 별도의 케이블 트레이에 설치한다.
* 트레이는 전압에 의한 순서대로 아래로 트레이에 설치하며 기기 신호선은 최하부 트레이에 설치한다.
* 케이블 트레이간의 거리는 상부 트레이 최저부에서 하부 트레이 윗부분까지 450㎜이상으로 하며 600㎜를 유지하는 것이 바람직하다.
* IEEE P383 화재 시험에 합격된 케이블은 트레이 간격을 300㎜이상으로 할 수 있다.
* 케이블 트레이의 가염물 부스러기를 막기 위해, 금속망이나 불연성의 먼지막이 덮개를 화재 방지용 으로 설치하는데 트레이 안에 이물질이 쌓이는 것을 막는 것 이외의 용도로 덮개를 설치하지 않아야 한다.
* 덮개를 사용하는 트레이는 환기를 사다리 형태로 하여야 한다.
* 케이블 트레이는 전기 접지를 견고히 설치하여야 한다.

(3) 관통부의 조치(Fire Stops)
전선이 바닥이나 방화 구획을 관통하는 경우에는 fire stop(내화 충전)을 설치하여야 한다. 또한 fire stop 내화도에 따라 사용 물질을 선정해야 되는데 여러 종류의 케이블 굵기에 따라 수직 수평 fire stop 장치가 상품화되고 있으며 내화는 물론 방수도 겸한다.다른 형태의 fire stop중에는 암면으로
케이블 주위의 개구부를 막은 후 규정에 맞게 방염도포한다.

(4) 케이블 단부(Cable Terminations)
2000V이상 전력 케이블은 전기적 스트레스를 감소하고 케이블에 습기나 오염을 막는 특수한 단자로 하여야한다.

(5) 비상용 케이블
비상 장비용 제어, 전력 케이블은 다른 장비용 전선과 분리시켜 비상 장비의 안전을 유지하도록 하여야 한다.

6. 원자력 발전소의 케이블다발 방화대책

발전소에는 자동 운전을 위하여 다량의 계기와 계기제어용 케이블이 설치되어 있다. 핵 발전소에서 오동작이나 사고에 대비한 전력 및 제어회로의 방화조치는 매우 중요하기 때문에 많은 회로가 이중 회로로 구성되어 있어서 더많은 제어 배선이 필요하다.동일한 안전 기능 수행을 위해 둘 이상의 회로가 공급되는 경우에는 가능한한 분리하거나 단일 사고로 다른 회로가 피해를 입지않도록 배선을 하되 므로 케이블트레이 설치시에 Recommended Safeguards를 철저히 이행하여야한다. 또한 전력공급 케이블은 IEEE P383에 따라 시험에 통과한 것을 사용하여야한다.

7. 유럽의 케이블 다발 방화 대책

가연 절연 다발 케이블의 화재 위험은 영국, 프랑스, 네덜란드, 독일 및 이태리와 같은 유럽국 엔지니어들 이 잘 알고 있다. 그들의 경험적 결론은 FM의 화재 평가와 대체로 일치한다. 근본적 차이는 자동 스프링클러 나 자동 물분무의 사용이다. 이와 관련하여 염화 수소가 물에 용해될때 부식 현상이 크므로 유럽은 화재 장소를 건조시킬 수있다면 큰 잇점이 있는것으로 생각한다. 그러나 이의 실험은 다발 케이블 화재에서 자동 스프링클러나 물분무 소화설비가 여러가지 장점이 있는것으로 결론을 내렸다.다만 스프링클러나 물 분무 설비가 작동되기전에 짧은 기간동안 화재로 발생한 연기가 환경을 씻어내어 분해 가스가 화재
지역에 가두어져 있는 경우만은 예외이다. 스프링클러나 물분무 설비는 화재에 신속히 동작하여 많은 가스의 확산을 막는다.
화재 사례를 보면 염산에 의한 대부분의 부식 피해는 화재 지역에 이동된 기기에 발생한다.이런 현상은 화재가 발생하는 동안 구조체 전반에 연기와 가스가 퍼지기 때문인데, 스프링클러에 의한 희석이 이를 예방한다. 이와같이 많은 경우에서 보는 바와 같이 자동 스프링클러의 사용은 다른 방화 조치보다 가격, 단순성, 보수 용이성 및 수동 화재진압의 적용이 어렵거나 위험한 경우에 잇점이 있음을 알수있다