1. 서 론

한전 등 전기사업자로부터 (특)고압 전력을 공급받아 수용기관에 적합한 전압으로 변성하고 안전한 전력을 공급하기 위하여 수·배전반 내부에 변압기, 개폐기, 차단기, 계전기 및 MOF 등의 전력기기들을 탑재하고 있다.

배전반 내에 사용하는 배선용 전선은 주로 HIV 또는 KIV를 사용하며^[1], 배선용 전선의 절연 물질은 PVC Compound를 사용한다. 또한 절연재의 가연성을 높여 시공하기 편리하도록 가소제를 첨가하고^[2], 열에 의해 분해되는 것을 방지하기 위해 열 안정제^[3]와 산소 환경에 노출될 때 고분자 분해의 주된 원인이 되므로 PVC의 수명주기 단축을 억제하는 산화방지제를 혼합하여 사용한다^[4].

배전반 내부의 일반적인 온도는 35~40℃ 정도이며, 이를 넘기지 않기 위하여 상부 또는 후면에 부착한 환기팬으로 공기를 외부로 방출시킨다.

그러나 배전반 내부의 어느 한 국부에서 접속부위의 접촉저항 값이 크면 주울 열이 발생하게 되며, 아크 및 코로나에 의한 부분 방전이 일어나게 될 경우에도 열이 발생하게 된다^[5].

이와 같은 현상들이 지속적으로 발생하게 되면 국부의 온도는 계속 상승함으로써 보통 100℃부터 서서히 절연재에서 가소제와 열 안정제 또는 산화방지제가 가스로 휘발될 것이며, 온도가 증가할수록 더 많은 양으로 증가하게 될 것이다.

이때 가스 냄새인 “눌은 냄새”가 나는데 이는 Gas Chromatography로 열분해할 때 발생하는 프탈레이트(phthalate)와 카복실레이트(carboxylate) 계열로 PVC에 혼합한 첨가제(가소제, 열 안정제, 산화방지제) 등이다. 이와 같은 상태를 열화현상(劣化現象)이 일어나고 있는 시작 단계로 판단된다.

열화 상태에서 발생하는 가스 농도량을 감지하여 화재 징후로 판단함으로써 관리자는 화재 발생에 대한 사전 조치를 취할 수 있기 때문에 화재를 예방할 수 있어 인적·물적 피해를 줄일 수 있는 화재예방관리시스템을 개발하였다. 이 시스템에는 센서유니트, 모니터링시스템 및 문자발신기의 모듈들을 탑재하고 있다.

우리나라 화재의 발화 요인을 소방청에서 매년 분석하고 있으며 전체 화재 중 전기화재는 27%에 달하고 그 중 절연 열화에 화재는 약 21%와 미확인 단락에 의한 화재는 약 29%로 매우 큰 비중을 차지하고 있다^[6].

이러한 화재 현황을 볼 때 배전반을 무인시스템으로 운용하고 있는 현장에서는 화재에 대한 안정적인 측면에서 화재예방관리시스템을 필요로 할 것으로 예상되며, 특히 재난안전시설에 설치할 경우 더 큰 기대를 할 수 있을 것으로 판단된다.

2. 화재 징후 감지

2.1 열화가스 생성 메커니즘

절연 열화현상의 전기적 요인은 과전압이나 과전류 또는 개폐 써지와 뇌 써지 등에 의해 이상 전압 발생 시 일어나게 되며, 전선 및 케이블의 절연재 내부로 수분이 침투될 경우 워터 트리나 전기적 트리가 발생되기도 한다.

화학적 요인으로는 기름이나 약품에 의한 물성 저하로 화학적 트리와 고분자 재료가 장시간 고온 상태에서 열과 산소에 의해 분자구조가 파괴되는 등의 원인이 되고 있다^[7]. 절연 재료의 초기 열화 시의 현상을 확인하기 위해 열 중량 분석을 위해 TGA분석과 열분해 가스-크로마토그라피(GC/MS)에 의한 분석을 통해 각 시료에서 발생하는 휘발성 가스의 종류와 발생 온도를 확인하였다. 시료는 그림 1의 (a)와 같으며 전선, 튜브1과 2, 및 단자대에 대하여 각각 수행하였다.

TGA 분석^[8]은 TA사 TGA-Q500의 장비로 상온에서부터 180℃까지 3℃/min의 승온 조건에서 실시하였으며 분석 결과를 그림 1의 (b)에 나타내었다^[9]. 100℃ 부근부터 무게가 감소하기 시작하여 130℃ 정도에서 급격한 감소가 되고 있음을 알 수 있으며 이유로는 가스 발생에 의해 무게가 감소되고 있다는 의미를 가지고 있다. 시료별로 무게 감소 경향이 다른 것은 절연재의 연성(軟性)과 경성(硬性)의 차이에 있다고 설명할 수 있겠다.

Pyrolysis GC/MS 분석^[10]은 Pyrolyzer를 이용하여 각각의 온도에서 10분간 열탈리하여 50~320℃ 구간에서 10℃/min의 승온 속도로 분석하였다. 그림 2에서 보는 바와 같이 각 시료는 온도에 따라 휘발되는 가스 성분들이 다르게 나타나고 있다. 이에 대한 TIC(Total Ion Chromatogram) 분석 결과를 그림 2와 표 1에 정리하여 나타내었다^[9]. 그림과 표에서 알 수 있듯이 첨가제로 혼합된 성분들이 대부분 휘발되고 있으며, 대부분 첨가제로 사용된 성분들이다. 가스 발생 온도는 100℃ 부근 부터이므로 가스 센서에 의해서 가스 발생을 검출하면 100℃ 부근부터 열화현상이 발생되고 있음을 확인할 수 있을 것이다.

그림 1. TGA 분석 시료 및 결과

Fig. 1. TGA Analysis Samples and Results

그림 2. 열분해한 시료의 TIC

Fig. 2. TIC of pyrolyzed samples

표 1 검출성분

Table 1 Component detected

시료	검출성분	검출 조건 및 현상			비 고
		분석 온도 (℃)	경과 시간 (분)	발생량 (×105)
전선	Propylcyclopentane (C5H10)	70	8.8	-	▫용매
		80		1
		100		8.5
	BHT (C15H24O) (Butylated Hydroxy Toluene)	70	13.3	-	▫첨가제 (산화방지제)
		80		1.2
		100		10.8
	Tridecene (C13H26)	70	9	-	▫유기 합성제
		80		-
		100		7
튜브 1	Benzyl alcohol (C7H8O)	70	5~6	-	▫용해제 ▫휘발보류제
		80		-
		100		0.5
	BHT (C15H24O)	70	13.2	0.5	▫첨가제 (산화방지제)
		80		18
		100		130
	Butanoic acid	70	13.6	-	▫공업용 용제
		80		-
		100		1
튜브 2	alpha-Methyl styrene (C8H8)	70	2~6	0.5~0.8	▫폴리스티렌 수지,합성고무 제조용
		80		0.5~0.9
		100		1.8~2.5
	Dimethyl-oxo- (formyl-butyl) -norbornane (C7H12)	70	14~20	0.2~0.3	▫가소제
		80		0.3~0.6
		100		1~2
단자대	p-tert- Butylphenol	100	10.2	-	▫베이크라이트 제조 원료 ▫중합 조절제
		130		-
		150		1.5
	Eicosane (C20H42)	100	12	-	▫석유화학산업
		130		-
		150		0.8
	2.4-Di-tert- butylphenol	100	13.2	-	▫베이크라이트 제조 원료
		130		-
		150		1.4
	Hexadecane (C16H34)	100	14	-	▫공유화제 ▫용제
		130		-
		150		1.5

2.2 열화가스 감지

절연 열화가스 감지에 사용한 센서는 일본 FIGARO 회사의 TGS2602로 담배 연기, 음식 조리 냄새, 유황 수소, 휘발성 유기 화합물 및 암모니아 검출에 고감도 특성을 가지며, 가스 농도와 대기 온도에 따른 저항비(Rs/Ro) 특성이 매우 우수하다. 또한 구조는 MOS 타입으로 센서를 항상 건조한 상태로 유지시켜 최적의 상태로 가스를 감지할 수 있도록 내부에 히터 저항(RH)이 내장된 것이 특징으로 이에 대한 센서 모양과 내부 구조는 그림 3과 같다.

Rs는 여러 온·습도 조건하에 신선한 공기 상태에서의 센서 저항값으로 다음 식으로 나타낼 수 있다. 여기서, Vc는 인가 전압이며, Vout은 RL 저항의 양단 전압이다.

(1)

$R_{S}=\left(\dfrac{V_{C}}{V_{OUT}}-1\right)\times R_{L}$

그림 3. 센서의 내부 및 외부 구조

Fig. 3. Internal and external structure of the sensor

2.3 센서유니트

센서유니트는 가스 센서와 제어회로를 내장한 모듈이다. 이 센서유니트에는 배전반 내부의 근거리와 원거리의 가스를 검출하는 통로가 나뉘어졌다. 근거리의 가스는 센서유니트의 하부에서 직접 검출할 수 있으며, 원거리의 가스는 유로(流路)를 만들어 센서유니트의 우측에 부착된 팬을 이용하여 흡입하는 원리를 적용하였다. 그림 4는 센서유니트 사진과 각부의 명칭을 나타내었으며 검출된 가스를 누적시간을 설정할 수 있도록 하였으나 일반적으로 1분 단위의 누적량을 모니터링시스템에 신호로 전달하도록 하였다.

그림 4. 센서유니트

Fig. 4. Sensor Unit

2.4 모니터링시스템

모니터링시스템은 가스를 감지한 누적량을 센서유니트로부터 신호를 받아 알고리즘에 의해 5단계로 분류한다. 각 단계별 상황을 LED 램프로 디스플레이시키며 이 데이터를 동시에 문자발신기로 보내게 된다. 그림 5는 모니터링시스템 사진과 각부의 명칭을 나타내었다.

그림 5. 모니터링시스템

Fig. 5. Monitoring System

2.5 문자발신기

문자 발신기는 모니터링시스템에서 전달받은 1~5단계 별 신호에 따라 단계별 대응 문자 메시지를 관리자에게 전송하는 시스템이다. 단계별 대응은 1단계-경광등, 2-비상 알람, 3-문자 경고, 4-차단기 강제 OFF, 5-소화기 작동이며 이를 그림 6에 픽토그램으로 나타내었다. 특히 4단계는 화재 위험 상태로 인식하여 차단기를 강제 OFF하고, 5단계에서는 배전반에 내장된 가스 소화기를 작동하도록 IoT 기반 제어시스템을 구동함으로써 화재 발생을 사전에 조치를 취할 수 있도록 함으로써 화재를 예방할 수 있는 기능이 내장되었다.

그림 6. 문자발신기 및 픽토그램

Fig. 6. Text transmitter and pictogram

3. 검증 및 분석

가스 누적량에 따른 5단계 판별과 모니터링시스템에서 각 단계별 대응 상태를 검증하기 위해 시험을 하였다. 시험을 위해 시험용 챔버를 제작하였으며 성능을 입증하기 위한 코라스 인증을 받았다^[11]. 챔버에 시험용 가스를 서서히 주입시켜 누적량에 따른 기준을 그림 7의 (a)와 같이 설정하고, 단계별로 누적된 가스량을 그림 7의 (b)와 (c)에 나타내었다. 5단계 기준 설정은 1~3단계는 10(ml)씩 가스를 주입하였으며, 4단계와 5단계에서는 화재의 위험상태를 명확히 구분하여 시스템이 작동할 수 있도록 각각 20(ml)와 30(ml)의 가스를 주입하였다. 챔버 내 가스 농도 추정은 가스 누적량을 챔버의 체적으로 나누고 표준 가스 농도를 곱한 것이다. 여기서 표준 가스 농도는 3×10-3 (mol)이다.

이에 대하여 단계별 대응 상태를 모니터링시스템에서 LED 램프가 점등된 것을 확인할 수 있었으며, 이를 그림 8에 나타내었다. 또한 단계별 대응 문자메시지를 관리자에게 전송하도록 문자발신기에 신호를 전달하도록 하였다. 그림 9에 나타낸 5단계 제어 로직 상세도에는 단계별 시퀀스도를 나타내었으며, 특히 4단계와 5단계에서는 차단기 OFF와 소화기가 작동될 수 있도록 IoT 기반 제어시스템이 구동되고 있음을 확인하였다.

지금까지 화재예방관리시스템에 적용된 각 모듈들을 배전반 내부에 설치한 사진과 동작 순서도를 그림 10에 나타내었다. 즉, 센서유니트에서 검출된 가스 농도량을 모니터링시스템에 전달하면 알고리즘에 의해 5단계로 분류하여 대응할 수 있도록 하였으며 이러한 대응 상태를 LED 램프 점등으로 확인이 가능하고 신호를 문자발신기에 전송함과 동시에 차단기와 소화기를 작동시킬 수 있는 IoT 기반 제어시스템으로 신호를 전달하는 과정을 확인할 수 있다.

구체적인 소화기 작동은 화재 징후 감지로 보내온 신호에 의해 가스통의 분사 헤드를 ON/OFF 시킬 수 있는 헤드 구동장치를 제어하는 시스템으로 구동 회로도와 사진을 그림 11에 보이고 있다.

그림 7. 가스 누적량에 따른 5단계 분류

Fig. 7. Five-level classification according to gas accumulation amount

그림 8. 모니터링시스템의 단계별 신호 출력

Fig. 8. Signal output for each stage of the monitoring system

그림 9. 5단계 제어 로직 상세도

Fig. 9. 5-step control logic detailed diagram

그림 10. 시스템 설치 사진 및 블럭도

Fig. 10. System installation photo and block diagram

그림 11. 소화기 구동장치 회로도 및 사진

Fig. 11. Fire extinguisher drive circuit diagram and photo

4. 결 론

배전반 내부의 전체 온도는 35~40℃ 정도로 매우 안전한 상태에서 운전되고 있으나 접속 불량에 의한 아크 또는 코로나 등에 의한 부분 방전에 의해서 열이 발생하면 국부적으로 온도가 상승되어 도체의 절연 물질은 열화현상이 일어나게 된다.

이때 절연 물질에 함유된 가소제는 PVC 재질을 유연하게 만들어 시공의 편리성을 확보하기 위한 것이며, 열에 의해 PVC가 분해되는 것을 방지하기 위한 열 안정제 및 PVC는 산소 환경에 노출될 때 고분자 분해로 인한 수명주기의 단축을 억제하는 산화방지제 등의 혼합물은 온도에 따라 가스로 휘발되고 있다.

이를 확인하기 위하여 TGA 분석을 하였으며 결과적으로 100~130℃ 부근부터 가스가 휘발되는 것을 무게 감소의 변화로 입증하였다.

또한 Pyrolyzer를 이용하여 Pyrolysis GC/MS 분석을 하였으며 분석 결과로는 온도 변화에 따라 가스 발생량의 차이가 크게 나타나며, 발생하는 가스의 종류는 거의 유사함을 확인할 수 있었다.

이때 발생하는 가스의 성분은 주로 8.8분 대에서 propyl cyclopentane과 13.3분 부근에서 발생하는 BHT(Butylated Hydroxy Toluene)로 추정 되고 있다. 특히 BHT 가스는 수지 조성물의 산화방지제로 배합되는 첨가제 성분으로 확인되었다.

센서유니트에서 가스를 검출하고, 그 신호를 모니터링시스템에 전달하여 알고리즘에 의해 5단계로 분류한다. 각 단계별로 LED 램프의 점등과 문자발신기에 신호를 전송하도록 하는 시스템을 구축하였다.

단계별 대응 상태를 검증함으로써 화재예방관리시스템의 성능을 입증하였다. 특히 IoT 기반 제어시스템을 구축하여 4단계와 5단계에서 차단기 OFF와 소화기가 작동될 수 있도록 하였으며, 이와 같은 화재예방관리시스템을 배전반에 적용시키면 무인시스템 운용에 적합할 것으로 판단된다.