1. 서론
과학문명의 발전은 전기사용량과도 직결된다. 전기가 발명되면서 인간의 문명은 급속도로 발전하여 짧은 세월에 많은 것이 달라졌다. 현재를 살고 인간은 전기가 없는 행복을 생각 조차할 수 없는 처지에 처해 있다. 해가 거듭될수록 전기의 수요는 다양해지고 있지만 정작 전기화재 재해에 대한 예방대책은 크게 달라진 것이 없어 보인다.
지난 2016년 한 해 동안 43,413건의 화재가 발생하였고, 화재로 사망한 인원은 306명이였으며, 화상 등 부상자까지 포함하면 약 2천명이 넘는 많은 사람이 화재로 인해 커다란피해를 입었다. 화재의 원인은 불씨 취급 부주를 비롯하여 고의에 의한 방화, 그리고 작은 전기아크에 의해 발생한다.
화재현장의 발화원인 대부분은 인적요인에 의한 방ㆍ실화를 제외하면 전기에 의한 화재가 8,655건으로 전체 발생 건 중 약 20%를 차지하는 것으로 확인되었다. 또한 전기원인별로는 전기배선 합선에 의한 발화가 4,425건으로 약49.3%를 차지하였고, 접촉불량, 트래킹(tracking)과 같은 원인이 1,903건으로 약 21.2%를 차지하였다. 그리고 제품별로는 냉장고와 같은 주방기구에서의 발화가 3,249건으로 약 36%를 차지하며 그 중 에어컨에 의한 화재가 134건으로 전기화재의 약 1.5%를 차지하고 있어 에어컨에 대한 화재원인 및 예방에 대한 연구가 필요하다.(1)
에어컨에 의한 화재는 이미 오래전부터 많은 연구자들로부터 발화메커니즘 및 연소거동 등이 연구가 진행되어 왔다. 최승복 등은 ‘에어컨 실내기가 화염 확산에 미치는 영향과 조사기법’에서 연소 하중이 높은 에어컨 주변에서 화재가 발생하였을 경우 발화부위가 오인될 수 있어 세심한 주의가 필요하다고 하였고,(2) 김동욱 등은 ‘에어컨 화재 사례 분석 및 예방대책에 관한연구’에서 송풍모터의 캐패시터(capacitor)에 부착된 오염물질이 전극에서 발생하는 미소방전에 의해 발화될 수 있다고 화재 위험성을 제시한바 있다.(3) 또한 2015년 7월 한국소비자원에서는 에어컨 실외기 화재사고가 빈번하자 소비자들로 하여금 화재예방 목적으로 에어컨화재 위해사례 동향분석을 실시하고 한국소비자원 소비자위해감시시스템(CISS)에 소비자가 신고한 3년간 신고 접수 화재 146건 중 실외기에 의한 화재가 93건에 달한다고 지적하며 에어컨 화재에 대한 대책이 필요하다고 지적한바 있다.(4) 하지만 전선의 불완전 전속에 의한 화재사례는 타 사례에서 많이 연구되었지만 연결접속부의 불완전 접속에 의한 화재가 발생할 가능성이 높지만 이에 대한 사례여구는 미비하였다.
본 연구는 에어컨을 설치하면서 실외기 전원코드를 이어 결선한 부위에서 화재가 발생하였던 사례를 바탕으로 그 원인에 대하여 살펴보고 이에 대한 화재예방 대책을 제시하고자 한다.
2. 에어컨 화재 메커니즘
일반적으로 전기에 의한 화재는 식(1)인 줄의 법칙(Jouie’s law)에 의해 나타나며, 도선에 전류가 흐르면 열이 발생하게 되는 데 발생되는 열은 전류의 제곱에 비례하며 저항과 시간에 비례하여 발생되는 열량이 증가하게 된다.
H=I2 0.24 R t [cal] (1)
전류가 도체를 따라 진행할 때 전류의 흐름을 방해하는 저항에 의해 열이 발생하며, 이러한 열은 도체의 종류, 길이, 접촉된 면적 등에 따라 다양한 양상으로 나타난다. 전기화재 중 가장 빈번하게 발생하고 있는 전선의 합선은 벽체 내부나 천장 등에 매입되어 있는 전선이 오랜 시간 방치되면서 발생하기도 한다. 즉, 전선을 장기간 사용하면 전선 피복이 경년열화에 의해 손상을 입거나 열악한 환경에서는 꺾임이나 눌림 그리고 때론 설치류에 의해 피복 손상이 발생하기 때문이다.(5)
에어컨은 종류에 따라 슬립형, 벽걸이형, 천장형으로 분류할 수 있으며, 다시 Figure 1과 같이 실내기와 실외기로 구분할 수 있다. 에어컨의 실내기, 실외기는 냉매관과 전원코드로 구성되어 있다.
Figure 1. Type of air condition installation.
에어컨의 동작 원리는 액체가 기체로 기화할 때 열을 흡수하여 냉기를 만들어내는 방법이다. 즉, 압축기(고온고압기체상태) -응축기(저온고압 액체상태) - 팽창밸브(저온전압 액체상태) - 증발기(고온저압 액체상태) - 압축기(고온고압 기체상태)의 사이클을 거치면서 압축기의 모터, 실내기의 송풍모터 그리고 실외기의 송풍모터 등에서 지속적인 진동이 발생하게 된다.
모터의 작동은 각 에어컨 내부의 센서와 연결되는 배선을 진동케 하여 주변의 부품 또는 외함과의 마찰을 가져올 수 있으며 이러한 진동은 배선의 피복을 손상시키는 원인으로 작용하거나 접속부의 결속을 느슨하게 하여 합선또는 불완전 접촉의 원인이 된다. 이렇게 반복적인 접점부의 불완전 접촉은 전기아크를 발생케 하여 printed circuit board (PCB) 접점부에 트래킹의 원인이 되기도 한다.(6)
2.1 에어컨 실외기 설치 상태
에어컨은 실내기와 실외기를 벽체에 구멍을 뚫어 냉매관과 전원케이블, 신호선을 연결하고 있다. Figure 2는 에어컨 설치 실태를 촬영한 것이다. 대부분의 건물은 에어컨 실외기를 보관하는 보관실이 따로 마련되어 있지 않은 관계로 Figure 2(a)와 같이 옥상, 건물 외벽, 발코니, 외부 바닥등의 빈 공간에 설치된다. 이렇게 설치된 실외기는 실내기가 있는 위치까지 수십 미터에 이르는 거리를 냉매관과 전원케이블, 신호선이 함께 보온재로 감싼 상태로 테이핑되어 설치된다. 때론 실외기가 멀리 떨어져 설치되는 경우에는 Figure 2(b)와 같이 실외기 전원코드를 연장하여 절연테이프로 테이핑하고 냉매관과 함께 시공하는 경우가 있다.
Figure 2. Installation status of outdoor unit.
냉매관을 감싼 보온재는 내부와 외기를 차단하여 냉각 효율을 증가시키기 위한 목적이다. 하지만 사후 관리 소홀로 보온재가 낡고 뜯겨지게 되면 Figure 2(c)와 같이 냉매관이 외부로 노출되고 냉매관에는 온도차에 의한 결로가 생기게 된다. 이러한 결로는 함께 설치된 실외기 전원케이블의 절연테이프를 들뜨게 하거나 접착력을 약화시켜 습기와 불순물 유입의 원인으로 작용한다.
이러한 원인에 의해 도체에 이물질이나 습기가 침투하면 이음매 부위 부식의 원인으로 작용할 것이고, 습기와 결로는 누전의 원인으로 작용하여 감전의 위험을 야기할 수 있다.
또한 도체 이음부에 형성된 부식은 접속부위에 불완전접촉 또는 접촉저항 증대의 원인으로 작용할 것으로 생각된다.
전기로 인한 화재 발생의 비율이 20%대의 높은 이유 중 전기 소모량이 급증하는 반면 이들 설비의 노후나 사후 관리 소홀이 많은 비중을 차지하고 있는 것으로 판단된다. 따라서 에어컨을 설치할 때는 제품별 설치 안내서에 따라 설치자격이 있는 자가 ‘전기설비에 관한 기술기준’을 준수하여 설치하여야 하며 접속불량, 전열불량, 허용전류 등에 의한 화재 발생에 만전을 기해야 한다. 또한 실외기는 햇빛이비치지 않고 차광막이 있는 장소에 견고하게 설치하고, 염분이나 비바람을 막을 수 있는 장소에 설치하여야 한다.
2.2 냉매관의 보온 불량
대부분의 냉매관을 감싸고 있는 보온재는 단열과 신축성이 좋은 가교발포 폴리에틸렌폼인 ethylene propylene dienemonomer (EPDM)을 사용하고 있다.(5)
에어컨 실내 ․ 외기를 연결하는 냉매관은 보온재로 충분히 단열을 하여 외부 온도차에 따른 결로 방지와 냉매 관을 보호하여야 하며, Figure 3과 같이 고압과 저압 2개의 관과 전원케이블과 통신케이블을 함께 테이핑 되어 있다.
Figure 3. Refrigerant pipe installation type.
2.3 전원케이블 연결
전원케이블은 안전인증을 취득한 경질 클로로플렌 합성고무 시스 유연성 케이블 동등 이상의 전선을 사용해야 한다. 누전차단기를 설치하여야 하며 전원은 단상 220 V 60Hz의 경우 실외기와 실내기 거리가 15 m 미만과 이상의 경우 1.5 mm2와 2.5 mm2의 굵기의 배선을 사용하여야 하며 Table 1과 같다.
Table 1. Allowable Power Cable
전선의 결선은 피복을 벗겨낸 다음 심선을 연결시키고 연결 슬리브로 압착한 후 수축튜브와 전열테이프로 단단하게 마감처리 하여 불완전 접촉이나 습기의 침투를 방지하여야 한다.
2.4 에어컨 결로 형태
에어컨 실외기는 빌딩의 경우 옥상에 설치하고 아파트는 발코니 난간에 상점이나 단독주택의 경우 건물 외벽에 밀착하여 설치하는 것이 일반적이다. 이렇게 설치된 실외기는 누구나 접근이 용이하고 관리가 제대로 되지 않는 관계로 비바람이나 햇빛에 노출되어 경년열화에 따른 고장이나 설치당시의 모습을 찾아보기 어려울 정도로 소손정도가 심하다.
Figure 4는 에어컨 실외기의 플래이어에 접속된 냉매관이 온도차에 의해 결빙과 결로가 형성된 모습과 보온재가손상된 형태이다. 이처럼 불완전한 보온재 마감처리와 냉매관과 외부의 온도차를 온전히 차단하지 못하면 냉매관을따라 습기 또는 결로가 생성될 수 있으며 이러한 수분은이어 연결 된 접속부위의 절연테이프 틈새를 통해 도체에 오염을 주게 되며, 이러한 오염물질은 접속부위에 부식의 원인이 될 것이다.
Figure 4. Damage status.
3. 에어컨 화재사례
3.1 사례 1
서울 소재 ◦◦아파트에서 화재가 발생하여 가옥 전체가 소훼되는 피해를 입었다.
화재는 Figure 5와 같이 거실 부위에서 발화되어 방실 및 주방 등으로 확산된 상태였고 거실에는 스텐드형 에어컨과소파가 놓여 있었으며, 소파와 에어컨은 Figure 5의(a)와 같이 심하게 소훼되어 있다. 거실의 전등 및 에어컨 실내기에서는 화인으로 작용할만한 합선흔적이나 전기적 특이점은 식별되지 않았으며, 방ㆍ실화에 대한 특이점이 관찰되지 않았다. 소파 잔해 주변을 발굴하던 중 Figure 5(b)와 같이 에어컨 냉매관이 벽체 바닥부위를 통과하여 발코니의 실외기로 이어짐을 확인하였으며, 이곳의 냉매관과 함께 연결된 실외기의 전원코드를 이어 결선한 상태로 두 가닥 중한 가닥이 Figure 5(c)와 같이 전선부위에서 불완전 접속에 의한 열적특성의 증가로 용융흔적 관찰되었다.
Figure 5. Air conditioner ignition type.
에어컨은 2년 전 전원케이블이 너무 길게 설치되어 재시공을 하면서 전원케이블을 짧게 절단 후 이어 결선하고 결선부위를 절연 테이프로 테이핑을 하였던 것으로 확인되었다.
3.2 사례 2
경기도 소재 ◦◦교회 건물에서 화재 발생하여 Figure 6과 같이 에어컨이 부착된 벽체와 그 주변 책상 부위 등이 소훼되어 약 23 m2 가량의 내부가 소훼되었다.
Figure 6. Air conditioner ignition type.
화재는 Figure 6(a), (b)와 같이 벽걸이 에어컨부위에서 발화되어 그 주변 벽체와 천장 등이 소훼되었으며, 발화 초기 교회 관계자가 연기가 나는 것을 보고 달려와 소화기로 진화하여 다행히 교회 전체로 화재 확산은 피할 수 있었다.
연소의 형태는 벽에 걸려 있던 에어컨 부위에서 발화되어 주변 벽체 등으로 확산된 상태였으며, 에어컨을 제외한 주변의 연소 잔해 및 전기배선 등에는 화인으로 작용하였을 만한 원인은 발견되지 않았다.
에어컨 실내의 퓨즈는 용단되지 않았으며, 내부 PCB 또한 화염에 노출되기는 하였으나 이와 연결된 배선 및 소자등에는 화인으로 작용하였다고 볼만한 특이점은 식별되지 않은 상태이다. 하지만 실내기에서 벽체를 관통하여 외부실외기로 연결되는 실외기 전원코드 한곳이 전기적으로 용융되어 있고, 용융된 부위는 (c)와 같이 전선을 이어 결선한 부위임이 확인되었다.
용융의 형태는 단상 3선 중 한 가닥의 전선이 부식된 상태로 자체적으로 발열된 흔적이며, 이 에어컨과 연결된 차단기는 작동되지 않았다.
위에서 살펴본 화재 사례 두 건 모두 실외기로 연결되는 전원코드가 이어 결선된 상태이고 결선된 부위에서 푸른색의 부식과 발열 상태가 확인되었다. 이러한 형태는 불완전접속에 의해 접촉저항이 크게 증가되어 구리도선이 급속히 가열되어 산화구리가 되고, 소화수 또는 공기 중 습기와 접촉하면서 특유의 푸른색의 부식을 접속부위에 생성된 것이다. 그렇게 때문이 이러한 흔적은 외부 화염에 의해 생성되었다 기 보다는 그 배선 자체에서 발화원인으로 작용되었을 것으로 판단하는 것이 타당할 것으로 사료된다.
4. 결과 및 고찰
4.1 결선부위 발열상태 분석
Figure 7은 에어컨 실내기에서 실외기로 연결되는 냉매관의 보온재가 탄화된 상태이다. 보온재는 에어컨 실외기로 연결되는 전원코드가 이어 연결되었고, 연결된 부위의 보온재와 외부 테이프가 Figure 7(a)와 같이 국부적으로 탄화되어 외부로 노출된 상태로 확인된다. 보온재 내부에는 Figure 7(b)와 같이 실외기의 신호선과 전원코드가 함께 테이핑되어 시공되어 있고, 전원코드 3가닥 중 한 가닥이Figure 7(c)와 같이 푸른 녹이 슨 상태에서 발열되어 있다.
Figure 7. Insulation damage status.
4.2 화재현장의 시료 분석
Figure 8은 에어컨 실외기의 전원코드에서 화재가 발생하였던 4건의 현장에서 수거한 에어컨 실외기의 전원코드이다. Figure 8(a)는 전원코드 두 가닥 중 한 가닥이 푸른색의 부식과 함께 부식이 진행된 상태에서 끊겨 있고 끊긴한쪽은 결선된 전선 전체가 용융되어 뭉쳐진 상태이다.
Figure 8(b)는 두 가닥의 전선 중 한 가닥은 푸른색의 녹이 심하게 부식되어 있고 다른 한 가닥 역시 푸른색으로 부식이 진행되어 발열된 상태로 확인되었다.
이러한 형태의 부식은 습기나 이물질이 접속부위에 점착되어 흐르는 전류를 방해함으로써 접촉저항이 증가한 원인으로 열이 발생하고 그 열은 도체의 부식을 유발케 한다. Figure 8(c)는 꼬아 연결된 부위에서 푸른색의 부식과 발열형태가 보이며, Figure 8(d)코드 또한 위의 Figure 8(a,b,c)와 같은 형태의 푸른색의 부식과 전기적으로 용융된 상태로 발열의 현상을 보이고 있다. 각각의 에어컨 화재현장에서 수거한 실외기의 전원코드에서 보이는 양상은 모두 같은 형태로 푸른색의 부식이 진행되어 있고, 부식이 진행된 부위에서 전기적으로 발열된 형태를 보이고 있다. 이러한 현상은 결선된 상태에서 전열테이프로 마감하고 보온재 내부에 냉매관과 함께 밀봉된 상태로 설치되었기 때문에 에어컨이 작동할 때 냉매관을 따라 흐르는 냉매가 외부와 온도차에 의해 결로가 생성되고 이 결로가 함께 밀봉된 전원코드의 절연테이프의 접착력을 저하시켜 이곳을 통해 유입된습기 또는 수분에 함유된 불순물이 전선의 결선부위에 이물질을 부착시켜 부식이 진행되었고, 이 부식은 도체에 흐르는 전류를 방해하는 요인으로 작용하였을 것이다.
Figure 8. Heat of cord connection area.
4.3 화재 예방 대책
전선을 임의로 절단하여 절연테이프만으로 절연을 할 경우 연결 부위가 들뜨거나 접착력이 저하되어 도체가 외부로 노출될 우려가 있으며, 이러할 경우 감전의 위험이 있다. 견고하지 못한 결선부위가 느슨해 질 경우 불완전 접속에 의한 아산화동 증식, 이물질의 유입, 수분의 침투 그리고 접속부위 부식 등으로 인해 접촉 저항이 증가하여 화재의 위험이 있다. 에어컨 실외기로 연결되는 전원코드는 가급적 절단하거나 연장하지 않은 통선을 사용하여야 하나불가피 하게 절단하여 연결해야 할 경우에는 전기설비 자격이 있는 자가 ‘전기설비 기술기준 및 판단기준’에 맞게 에어컨 용량에 맞는 허용된 전선을 사용하여야 하며, 결선부위에 이물질이나 습기 또는 물기 유입이 없도록 견고한 방법으로 Figure 9과 같이 견고하게 시공 하여야 한다. Figure 9(a)전선의 피복은 이극 도체가 서로 교차됨이 없이 길이를 달리하여 피복 탈피용 스트리퍼를 사용하여 도체에 손상이 없도록 탈피하여야 하며, 탈피한 도체는 견고하게 약 15 mm 정도를 꼬아 전류의 흐름이 원활하게 하고, 결선된 부위는 전선 슬리브를 이용하여 압착스트리퍼로 압착하여 결선된 부위가 이탈되지 않도록 완전하게 연결하여야 한다. 그리고 Figure 9(b)와 같이 결선된 각 전선은 열 수축튜브를 이용하여 이물질이나 습기 등이 유입되지 않도록 절연한다.
또한 Figure 9(c)와 같이 전선은 개별적으로 절연테이프로견고하고 완벽하게 절연을 하여야 한다. 그리고 마지막으로 Figure 9(d)와 같이 결선된 전체의 전선을 다시 절연테이프로 이물질이 유입되지 않도록 견고하게 테이핑 하여야 한다.
Figure 9. Wire connection method.
에어컨 실외기는 바람이나 진동으로 흔들림 없이 견고하게 설치하고 정기적으로 내부의 먼지와 같은 이물질이 부착되지 않도록 관리가 쉬운 장소에 부착되어야 하며, 실외기를 집중 보관하는 형태의 설치는 자제하여야 한다 실내기와 실외기의 전원코드 연결부는 견고하게 고정되어야 하며, 에어컨 작동으로 인해 느슨해 질수 있는 체결부위는 정기적으로 확인하고 불완전 접촉이 없도록 하여야 한다.
5. 결론
화재 사례를 통해 에어컨에서 화재가 발생하는 원인을 연구하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
첫째, 에어컨 실외기로 연결되는 냉매관과 함께 테이핑되어 있는 실외기의 전원케이블을 이어 연결한 결선한 부위에서 발열되어 화재가 발생한다는 것을 확인하였다.
둘째, 결선한 부위의 국부적인 발열형태는 테이핑 된 절연테이프가 들뜨거나 접착력이 약하여 냉매관 결로에 따른 수분이 침투하여 결선부위의 도체가 부식되어 접촉저항이 높아진 것으로 판단하였다.
셋째, 에어컨의 냉매관과 함께 테이핑 되는 전원 케이블은 절단되지 않은 통선을 사용하여야 한다.
넷째, 불가피 하게 이어 연결해야 할 경우는 절단부위절연을 단단히 테이핑하여 테이프의 들뜸이나 접착력 저하에 의한 수분이나 결로가 침투하지 않도록 하여야 한다.
다섯째, 결선한 부위는 금속 슬리브를 이용하여 단단하게 압착 고정한 후 열수축튜브로 절연을 강화 한다. 그리고 각 배선은 개별적으로 다시 절연하고 마지막으로 전체의 배선을 절연테이프로 감아 절연하여 이물질이나 습기의 유입이 되지 않도록 하여 전선의 접속부 발열에 의한 화재가 발생하지 않도록 하여야 하겠다.
참고문헌
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