Fire Cause Reasoning of Self-regulating Heating Cable by a Fire Investigation Applying the Scientific Method and Fault Tree Analysis

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ISSN: 1738-7167

DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2016.30.4.073

Fire Cause Reasoning of Self-regulating Heating Cable by a Fire Investigation Applying the Scientific Method and Fault Tree Analysis

Doo-Hyun Kim · Heung-Su Lee*

^†

Department of Safety Engineering, Chungbuk National University

*Fire Insurers Laboratories of Korea, Korean Fire Protection Association (Received July 6, 2016; Revised August 3, 2016; Accepted August 17, 2016)

요 약

정온전선은 평형 도체 사이에 반도전성 폴리머를 연속 압출 방식으로 충전시킨 후 양 도체 사이에 전기를 흐르게 함 으로써 고분자에 의한 전열을 이용한 전기 발열체이다. 정온전선은 가격이 저렴하고 시공이 편리하기 때문에 겨울철 수 배관의 동파방지용 열선으로 주로 사용되고 있다. 하지만 이러한 유용함에도 불구하고 구조적인 문제로 인하여 두 평형 도체의 절연이 파괴되는 경우에는 화재로 이어질 수도 있는 위험성이 존재하고 있다. 본 논문은 정온전선에 의한 화재현 장을 조사하여 원인을 도출하는 방식으로 직접적인 원인을 추론하고자 하였으며, 결함수 분석을 통해 근본적인 문제를 파악해 보고자 하였다. 실제 냉동창고 화재현장을 조사하여 정온전선에 의한 화재원인을 추론한 결과 전선 말단 절연처 리 결함에 의한 절연파괴인 것으로 판단되었다. 향후 이 결과는 안전활동 및 유사 화재원인조사 시에도 활용될 수 있을 것이다.

ABSTRACT

A self-regulating heating cable is an electrical heating element by flowing an electric current between parallel conduc- tors filled with an extruded semi-conductive polymer. Self-regulating heating cables are used mainly for frost protection purposes because the construction is convenient and the price is low. On the other hand, structural problems with imper- fections of the insulation can cause a fire despite their usefulness. This paper deduced a direct method to derive the cause by investigating the scene of a fire due to a self-regulating heating cable and analyzed the basic problem using fault tree analysis. In this paper, the actual fire scene was a cold storage warehouse, and fire investigation was conducted. After investigating the fire scene and fault tree analysis, the cause of the fire could be attributed to dielectric breakdown of the self-regulating heating cable. This paper could be utilized in the fire safety activities and similar fire investigations.

Keywords : Self-regulating heating cable, Fire, Fire cause, Fire investigation, Fault tree analysis

1. 서 론

겨울 한파가 시작되면 수도시설, 배수시설 등 동파가 발 생할 수 있는 부분에 대한 보온조치가 요구된다. 단열재나 난방기구 등을 사용하여 배관의 동파를 예방하기도 하지 만 요즘은 일반적으로 정온전선(Self-regulating heating cable)을 주로 사용하고 있다. 정온전선은 가격이 저렴하고 시공이 편리하기 때문에 각종 배관계통의 동파를 방지하 기 위해 널리 사용되고 있다. 하지만 이러한 이점에도 불

구하고 전기제품의 발열특성과 절연파괴 현상 등에 의해 언제든지 발화될 수 있는 위험성이 상시 존재하고 있다.

이에 따라 정온전선의 화재위험성을 주제로 하는 다수의 논문이 발표되었으며^(1-5), 지금도 해당 제품의 화재위험성 에 대한 실험연구가 지속적으로 수행되고 있다. 본 논문은 화재원인조사의 결과론적인 측면에서 화재위험성과 관련 한 실험연구가 아닌 화재원인조사를 수행하여 발화원인을 도출하는 방법론적인 측면에서 정온전선의 발화원인을 도 출해 보고자 하였다.

†

Corresponding Author, E-Mail: [email protected]

†

TEL: +82-2-3780-0283, FAX: +82-2-3780-0289

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2. 이론적 고찰

2.1 정온전선

정온전선은 두 평형도체 사이에 반도전성 폴리머를 연 속 압출 방식으로 충전시킨 후 양 도체 사이에 전기를 흐 르게 함으로써 고분자에 의한 전열을 이용한 전기 발열체 이다⁽⁶⁾. 이러한 구조적인 특성 때문에 통전 중인 상태에서 두 평형도체의 절연이 파괴되는 경우에는 화재로 이어질 수도 있다. Figure 1은 정온전선의 구조이다.

그 뿐만 아니라 평형도체의 절연상태가 불량하여 누전 회로가 구성되는 경우에도 전기발열 현상이 일어날 수도 있다. 그 밖에도 정온전선을 연장하여 사용하기 위해 평형 도체를 상호 접속하는 경우에는 접촉불량의 위험도 발생 할 수 있으며, 배관에 케이블을 겹침 시공하는 경우에도 과열로 인해 화재가 발생할 수 있다는 연구결과⁽⁷⁾가 보고 되고 있다.

2.2 화재조사의 과학적인 접근방법

NFPA 921에서는 화재원인조사를 수행하는 기본 방법론 으로 과학적인 방법에 의한 조사를 제안하고 있다. 과학적 인 방법은 화재사고 조사과정을 포함하여 합리적이고 과 학적이면서 공학적인 절차의 기본을 구성하는 연구원칙으 로서 문제해결을 위한 여러 수행절차들로 구성된다⁽⁸⁾. 본 논문에서는 냉동창고의 화재원인조사과정을 기술하고 원 인을 추론하기 위하여 적용되어진다. Figure 2는 과학적인 방법의 수행절차를 보여주고 있다.

Figure 2에서 확인할 수 있듯이 과학적인 방법의 수행절 차는 필요성 인식, 문제정의, 자료수집, 자료분석, 가설수립 (귀납적 추론), 가설검증(연역적 추론), 최종 결론의 순서로 진행되며, 각각 다음과 같은 내용을 포함하고 있다^(8,9).

(1) 필요성 인식

화재조사자는 현장의 문제점을 인식해야 한다. 화재가 발생하면 유사사고를 예방하기 위해 발화원인을 밝히고 기록해야 하는데, 이러한 경우 발화원인이 화재조사자가 인식해야 할 문제점이 된다.

(2) 문제정의

화재조사자는 현장에 존재하는 문제를 확인한 후 문제 해결 방식을 결정해야 한다. 이 경우 발화지점과 발화원인

에 대한 적절한 조사가 수행되어 야 한다.

(3) 자료수집

화재조사자는 관찰, 실험 또는 다른 직접적인 자료수집 방법을 통해 화재사고에 대한 사실들을 수집해야 한다. 이 러한 자료는 문제해결 과정에 활용된다.

(4) 자료분석

자료분석 절차는 최종 결론을 도출하기 전에 수행하는 과학적인 방법의 필수단계로서 화재현장과 문헌자료 등에 서 수집된 모든 자료에 대해 분석한다.

(5) 가설수립(귀납적 추론)

화재조사자는 분석된 자료를 바탕으로 발화지점과 발화 원인 규명에 관한 가설을 수립한다. 이러한 가설은 화재현 장에서 수집된 자료와 조사자의 지식 및 경험 등에 근거하 기 때문에 귀납적 추론이라고 한다.

(6) 가설검증(연역적 추론)

화재조사의 가설을 검증하는 절차를 수행하지 않는다면 화재조사자는 신뢰할 만한 조사결과를 얻을 수 없다. 이러 한 검증방법은 연역적 추론 원칙에 의해 수행된다. 만일 연역적 추론에 의한 검증 단계를 거치지 않는다면 해당 화 재사고는 미결된 것으로 간주되어야 한다.

2.3 결함수 분석(Fault tree analysis)

결함수 분석은 정량적 위험성평가 기법 중에 하나이며, 연역적인 방법으로 사고 원인을 나무구조 논리도로 분석 하는 기법이다. 본 기법은 1962년 미국의 벨 전화연구소 의 Watson에 의해 고안된 후 항공우주분야, 원자력분야, 화학공장 등 산업시스템의 안전성평가기법으로 널리 이용 되고 있다⁽¹⁰⁾.

Figure 1. Structure of self-regulating heating cable.

Figure 2. Scientific method steps⁽⁸⁾.

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2.3.1 결함수 분석의 절차

결함수 분석의 절차는 분석 목적이나 분석 수준에 따라 다르지만 Figure 3과 같은 단계를 통해 수행된다.

Figure 3에서 볼 수 있듯이 결함수 분석을 위해서는 우선 정상사상을 선정하고 사상의 원인을 규명하여야 한다. 여 기서 정상사상(頂上事象, Top event)은 최종 분석대상의 사 고가 해당된다. 다음으로 각각의 원인으로 결함수를 작성 하고 정량적인 분석을 수행하여 시스템의 위험성을 평가한 다⁽¹¹⁾. 각 단계에서 수행하는 분석내용은 다음과 같다^(12,13).

(1) 정상사상 선정

현장에서 발생한 문제점들에 대한 중요도나 우선순위를 결정하여 분석할 대상이 되는 사항을 정상사상으로 선정 한다.

(2) 사상의 원인규명

사고발생에 관계하는 기계의 불량상태나 환경조건 등에 대해 그 원인과 영향을 상세히 조사하고 사상별로 원인을 분류한다.

(3) 결함수 작성

정상사상에 대한 1차 원인을 분석하고, 그 관계를 논리 게이트로 연결한다. 순차적으로 다음 사상에 대하여 원인 을 분석하고 논리 게이트로 연결하며, 기본사상까지 진행 한다.

(4) 정량적인 분석

기본사상의 발생빈도나 고장율 등을 정리하여 중간사상 및 정상사상의 발생확률을 계산한다.

(5) 시스템의 위험성 평가

결함수 분석 결과를 근거로 시스템의 위험성을 평가한 다. 분석목적와 상황에 따라 평가기준과 방법 등이 달라질 수 있다.

3. 연구방법

본 논문에서는 화재조사와 연역적인 검증방법을 통해

가지 흔적들을 종합적으로 판단하여 발화원인을 귀납적으 로 추론하였다.

현장조사를 통한 귀납적 추론 결과에 대한 연역적인 검 증과 발화원인의 발생 가능성을 정량적으로 도출하기 위 해 NFPA 921에 제시된 사고분석기법⁽¹⁴⁾을 적용하였다. 연 역적인 분석기법으로 결함수 분석을 채택하였으며, 화재조 사 전문가들의 지식과 경험을 통해 냉동창고 화재현장에 서 나타날 수 있는 정온전선 화재의 원인들을 도출하고, 각 원인별 발생 가능성에 정량적인 값을 부여하여 결함수 분석을 수행하였다.

4. 냉동창고의 화재원인조사

4.1 화재 발생건물의 구조적 특징

화재현장은 철근콘크리트 슬래브 구조의 지하1층, 지상 3층 규모의 건물이며, 냉동창고 용도로 사용되고 있는 저 장시설이다. 냉동창고의 준공연월은 1985년 7월 3일이며, 연면적은 14,131.02 m²이다. Figure 4는 냉동창고의 전경 이다.

화재현장의 냉동창고는 지상3층을 제외하고 각 층마다 3개의 냉동실이 설치되어 있으며, 화재로 인하여 지상2층 의 복도 및 2-3 냉동실이 연소되었다. 지상2층의 바닥면적 은 2781.5 m²이며, 2-3 냉동실의 면적은 693.75 m²이다.

Figure 5는 냉동창고 지상2층의 평면도를 보여주고 있다.

4.2 발화지점의 추론

화재현장에서는 일반적으로 화재패턴의 해석, 아크조사, Figure 3. Fault tree analysis steps.

Figure 4. Cold storage warehouse.

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관계자 인터뷰 및 연소이론 지식 등을 통해 발화지점을 추 론하게 된다. 당해 화재현장의 경우에는 냉동실 내부에 형 성된 화재패턴을 통해 발화지점을 추론하였으며, 각 시설 과 구조물 등의 연소흔적을 비교하여 연소중심부를 판단 하였다.

4.2.1 화재패턴 해석

냉동창고는 철근콘크리트 구조의 건물이기 때문에 내화 벽체로 구획된 부분은 연소되지 않았다. 내화벽체에는 화 재패턴이 생성되었으며, 이러한 패턴을 해석하여 발화장소 및 발화지점을 판단해야 했다. 냉동창고는 2층 일부분이 화재로 인하여 연소된 상태였으며, 2-3 냉동실에서 분출된 천장 제트기류에 의한 연소흔적이 복도 상부 및 천장부분 에 형성되어 있었다. 복도 바닥 및 하부에는 플라스틱 팰 릿(Pallet) 등이 적치되어 있었으나 연소되지 않은 상태였 기 때문에 발화장소는 2-3 냉동실이라고 판단할 수 있었다.

Figure 6은 2층 복도에 생성된 화재패턴이다.

발화장소인 2-3 냉동실은 저장품이 없었으며, 전체적인 연소흔적은 천장부분 우레탄 단열재를 주요 가연물로 하 여 연소가 확대된 형태였다. 2-3 냉동실에는 출입구 우측 방향으로 샌드위치패널 벽체로 칸막이된 공간이 구성되어 있었으며, 해당 공간의 전면 상부의 우레탄 단열재가 주변 보다 심하게 연소된 상태였으며, 냉동기의 배수배관 및 그 주변을 중심으로 연소가 진행된 형태를 보였다. Figure 7 은 2-3 냉동실의 연소상황을 보여주고 있다.

Figure 7에서 확인할 수 있는 바와 같이 2-3 냉동실은 천장의 우레탄 단열재를 중심으로 우측 전면부를 중심으 로 연소가 진행되어 주변으로 확대된 연소형태를 보여주 고 있다. 우레탄 단열재 부분의 연소중심부에는 냉동기와

연결된 배수배관이 지나고 있으며, 해당 배수배관에는 동 파방지를 위한 정온전선이 감기시공 방식으로 설치되어 있었다. 우레탄 단열재의 연소중심부에는 정온전선을 제외 하고 점화원으로 작용할 수 있는 열원은 없었기 때문에 동 파방지용으로 설치된 해당 개체에 의해 우레탄 단열재가 착화되었을 가능성이 있었다. Figure 8은 배수배관에 설치 된 정온전선의 상황을 보여주고 있다.

Figure 8에서 볼 수 있듯이 배수배관의 단열재는 화재로 인하여 전소된 상태이며, 우측부분에서 좌측방향으로 연소 가 진행된 형태를 보이고 있다. 전체적으로 Figure 8의 □ 표시부분을 제외한 그 주변에는 발화원인으로 작용할 만 한 특이사항이 없는 상태로써, 발화지점은 Figure 8의

□

표시부분으로 판단되었다.

5. 발화원인에 대한 가정

Figure 8의 □표시부분은 배수배관이 콘크리트 슬래브를 관통하는 부분으로서 정온전선의 말단부분이다. 정온전선 은 사용자가 원하는 길이만큼 절단하여 사용할 수 있는 전 Figure 5. Floor plan of second floor.

Figure 7. Combustion conditions of 2-3 freezer.

Figure 6. Fire pattern of second floor passage. Figure 8. Heating cable installed on the pipe.

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기제품이지만 절단부위의 절연처리가 미흡한 경우에는 수 분 등의 이물질이 침투하여 절연이 파괴되어 트래킹 현상 등에 의해 절연피복 및 주위 가연물이 착화될 수도 있다.

이러한 메커니즘을 입증할 수 있는 근거로는 정온전선의 말단부분에서 주변으로 연소확대된 화재패턴과 말단 절단 부의 평형도체에 생성된 아크흔이 있다. 앞서 화재패턴을 해석하여 발화지점을 판단하였으며, 발화지점의 정온전선 의 말단부분에서 아크흔이 생성되었을 경우에는 통전상태 입증과 동시에 트래킹에 의한 발화 가능성을 추론할 수 있 을 것이다. 말단부분은 정온전선의 시공구간 끝부분에 해 당하기 때문에 접속불량의 가능성은 배제되었으며, Figure 8에서 확인할 수 있는 바와 같이 감기 시공방식으로 정온 전선이 배수배관에 시공되었으나 겹침시공되지 않은 상태 이기 때문에 겹침시공에 의한 축열 또는 과열 가능성도 배 제되었다. 냉동창고의 관계자로부터 정온전선은 화재일로 부터 약 2년 전에 시공되었다는 설명을 들었으며, 이것을 근거하여 절연열화의 가능성도 배제하였다. Figure 9는 Figure 8의

□

표시부분에서 수거한 정온전선의 아크흔을 보여주고 있다.

Figure 9에서 확인된 바와 같이 정온전선의 말단부에 아 크흔이 생성되었으므로 화재 당시 해당 개체는 통전 상태 였다는 것을 유추할 수 있으며, 평형도체 사이의 절연이 파괴되어 트래킹 현상이 발생하였음을 추론할 수 있었다.

발화지점은 Figure 9의 아크흔을 제외하고 점화원으로 작 용할 만한 에너지원이 없었기 때문에 발화원인은 정온전 선 말단부의 트래킹으로 결론지을 수 있었다.

6. 결함수 분석에 의한 검증

냉동창고의 화재조사를 수행하고 발화지점에서 발화원 인으로 작용할 수 있는 개체는 정온전선이 유일하다는 것 을 확인하였다. 발화지점의 화재패턴 해석과 정온전선 말 단부의 아크흔 등을 통해 발화원인은 정온전선의 트래킹 현상으로 추론하였다. 이러한 귀납적 추론에 의한 조사결 과를 검증하고자 결함수 분석을 수행하고 최종 결론을 도 출해 보고자 하였다.

6.1 정상사상의 선정

정온전선의 이상 발열 상황에 대하여 모두 분석해야하

통해 유추할 수 있는 화재위험 요소를 도출하고 결함요인 분류표를 작성하였다. 인적요인을 제외하고 직접적인 화재 원인과 관련된 위험요소를 중심으로 분류하여 4가지의 대 분류 범주를 선정하고 각 범주에서 세부적인 분류 항목을 설정하여 코드화 하였다. Table 1은 4가지 대분류 범주를 보여주고 있다.

각각의 대분류 범주는 연소이론에 입각하여 화재현장에 서 형성될 수 있는 발화조건을 고려하여 선정하였다. 연소 반응에 의해 화재가 발생한 현장이기 때문에 산화제와 연 쇄반응은 고려대상에서 제외되었다. 우선 화재현장의 발화 지점에서 열원으로 작용할 수 있는 개체는 정온전선이 있 었으며, 그 밖의 에너지원으로 판단할 만한 개체나 특이사 항은 없었기 때문에 해당 정온전선을 열원으로 선정하고 Figure 9. Molten mark on cable end.

Table 1. Five Main Categories

Code Main categories

A Heat

B Fuel

C Fault of heat

D Environment

Table 2. Fault Factors of Fire Origin Main

categories Code Details A1

Heat

A11 · Overheating of the heating cable

B1 Fuel

B11 · Insulation coating

C1 Fault of heating cable

C11 C12 C13 C14 C15

· Insulating tape finishing on cable end

· No Insulating on cable end

· Insulation falling off

· No using connector

· Strength degradation of connector C2

Cause of Electrical heating

C21 C22 C23

· Leakage current

· Arc tracking

· Poor connection D1

Fault of environment

D11 D12 D13 D14

· Condensation on cable

· Close between heat and fuel

· Contact with pipe

· Foreign substance penetration

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대분류별 결함요인을 고려하여 Table 2와 같은 결함요인 분류표를 작성하였다. 일반적으로 전선 등의 발열원인으로 누설전류, 트래킹, 과부하/과전류, 접촉불량, 절연열화 등⁽¹⁵⁾ 을 나열할 수 있다. 화재현장에서는 과부하/과전류 시 나 타날 수 있는 전선의 열변색, 열변형 또는 열용융흔 등이 식별되지 않았으며, 연소되지 않은 정온전선이 열화되지 않고 화재발생일을 기준으로 약 2년 전에 시공되었다는 냉동창고 관계자의 설명을 근거로 과부하/과전류 및 절연 열화에 해당하는 요인들은 결함요인 분류표에서 제외시켰 다. 또한 화재가 발생하기까지 약 2년 동안 화재사고 없이 해당 정온전선을 사용해 왔기 때문에 제조결함에 의한 발 화가능성도 결함요인 분류표에서 제외되었다. 이러한 분류 작업은 현재 국내에서 화재조사업무를 5년 이상 수행하고 있으며, 국내 · 외 관련 자격증을 소지한 5명의 전문가와 함께 수행하였다.

Table 2에서 대분류 ‘B1’에 해당하는 가연물의 분류항목 은 세부적으로 구분하지 않았다. 정온전선은 절연피복 자 체가 가연물이기 때문에 이상 발열시 주위 가연물의 존재 여부와 상관없이 착화될 수 있는 특성을 고려하였기 때문 이다. 현장조사를 통해 발화지점이 정온전선의 말단부라는 것을 확인하였으나 접촉불량에 의한 가능성도 완전히 배 제할 수 없기 때문에 함께 고려하여 분류작업을 수행하고 점수화 하자는 일부 전문가들의 의견으로 접속불량의 가 능성은 결함요인 분류표에 포함하게 되었다.

6.2 결함수 작성

6.2.1 결함수 분석 기본 논리기호

결함수 작성을 위해서는 화재사고가 발생하는 원인들과 그 기여요인들의 논리적인 관계를 Table 3에 제시된 기호 를 사용하여 표현해야 한다.

Table 3에서 제시한 기호들을 연결하고 결함수를 작성하

여 각 사상들을 구조화할 수 있다. 현장의 사고 전 위험성 평가 단계에서는 모든 결함요인을 찾아 평가해야 하지만 사고 후 원인조사 단계에서는 사고지점에 존재하는 요인 을 찾아 조사결과를 검증할 수 있다.

6.2.2 화재발생 결함수 작성

Table 2의 결함요인 분류표와 Table 3의 논리기호를 통 해 결함수를 작성하여 발화원인과 관련된 요소들을 논리 적으로 표현해야 한다. 먼저 ‘화재발생’을 정상사상으로 하여 각각의 중간사상을 도출하고 최종 기본사상을 선정 하여 논리게이트로 연결하였다. Figure 10은 화재현장의 발화원인을 도출하기 위해 작성된 결함수이다.

6.2.3 등가 결함수 작성

결함수에서 정상사상이 발생하기 위한 최소 원인집합을 구하여 등가 결함수를 작성하고 결함수를 분석해야 한다.

사고 발생을 예방할 수 있는 최소 원인집합을 최소절단집 합(Minimal cut set)이라 하며, 부울 관계식을 이용하여 구 할 수 있다⁽¹⁷⁾. Table 4는 부울 관계식을 나타낸다.

결함수가 Figure 10과 같은 경우 Table 4의 부울 대수의 Table 3. Fault Tree Analysis Logic Symbols⁽¹⁶⁾

Classification Name Symbols Description Intermediate

event symbols

Intermediate

event A fault event that occurs as a result of the logical combination of other events

Primary event symbols

Basic event A basic initiating fault requiring no further development Conditioning

event Specific conditions or restrictions that apply to any logic gate Undeveloped

event

An event that is not developed further because it is of insufficient consequence or because information is unavailable

External

event An event which is normally expected to occur

Gate symbols

AND The intersection operation of events, i.e. the output event occurs if and only if all the inputs occur

OR The union operation of events, i.e. the output event occurs if one or more of the input occur

Figure 10. Fire cause FTA of 2-3 freezer.

(7)

관계식을 이용하여 정리하면, Fire = A11 · B11

Fire

= (C21 + C22 + C23) · B11

Fire

= {(D13 + D14) + (D11 + D14) + C23} · B11

Fire

= (C12 + C13 + C12 + C13 + C11 + C12 + C13

Fire =

+ C11 + C12 + C13 + C14 + C15) · B11

Fire

= C11 · B11 + C12 · B11 + C13 · B11

Fire =

+ C14 · B11 + C15 · B11 (1)

식(1)의 계산결과에서 확인할 수 있는 바와 같이 5개의 최소절단집합을 도출할 수 있었다. 이를 통해 Figure 10에 서 작성한 결함수에 대응하는 최소절단집합 AND 구조화된 등가 결함수를 작성하면 Figure 11과 같음을 알 수 있다.

최소절단집합의 수는 5개로 많은 것 같지만 실제로 분 류코드 C11, C12, C13은 정온전선의 절연상태의 결함을 다루고 있는 부분이며, B11은 가연물을 나타내는 부분이 기 때문에 화재당시 정온전선의 절연상태가 미흡하였다면 누전, 트래킹 또는 접촉불량에 의해 주위 가연물이 착화될 수 있음을 결함수 작성을 통해 알 수 있다. 화재현장에는 발화지점을 제외한 다른 장소에서 정온전선의 절연 마감 상태를 확인할 수 있는 부분이 있었다. Figure 12는 정온 전선의 말단부 마감상태를 보여주고 있다.

Figure 12와 같이 절연테이프를 사용하여 정온전선의 말 단을 절연처리 마감하였고, 사진과 같이 그 상태를 유지하 고 있었다면 누전보다는 결로에 의한 트래킹 현상으로 발 화되었을 가능성이 더 높을 것으로 판단된다. 결로현상에 의해 절연테이프의 절연이 파괴되어 누전회로가 구성되기 전에 평형도체에서 트래킹 현상이 우선하여 발생할 것이 기 때문이다. 여기서 무엇보다 중요한 것은 현장조사를 통 한 귀납추론 단계에서는 누전에 의한 발화가능성을 배제 했었다는 것인데, 결함수 작성을 통해 누전에 의한 발화가 능성이 생성되었다는 것이며, 이 부분을 명확히 하기 위한 채증과정을 다시 수행하여 트래킹과 누전에 의한 발화가 능성을 모두 고려하게 되었다는 것이다.

6.3 결함수 분석

결함수 분석의 최대 장점은 이러한 정성적인 가능성을 정량화 할 수 있다는 점이다. 정량적인 분석 결과를 도출 하기 위해서는 각 사상에 대한 발생확률을 알아야 한다.

하지만 아쉽게도 국내를 비롯하여 국제적으로 이러한 상 X

∩

(Y

∪

Z) = (X

∩

Y)

∪

(X

∩

Z)

X

∪

(Y

∩

Z) = (X

∪

Y)

∩

(X

∪

Z) X

∩

X = X

X

∪

X = X X

∩

(X

∪

Y) = X X

∪

(X

∩

Y) = X

X·(Y + Z) = X·Y + X·Z X(Y + Z) = XY + XZ X + Y·Z = (X + Y)·(X + Z) X·X = X

X + X = X X·(X + Y) = X X + X·Y = X

Figure 12. Insulating tape finishing state of heating cable end.

Table 5. Risk Score of Basic Event and Quantification

Code Score

Average Quantification

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

B11 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 0.500

C11 30 35 30 40 35 20 20 25 30 35 30 0.300

C12 5 5 10 6 10 20 15 10 15 10 10.6 0.106

C13 10 7 8 4 5 10 10 10 5 5 7.4 0.074

C14 4 2 2 0 0 0 3 5 0 0 1.6 0.016

C15 1 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0.4 0.004

(8)

황을 분석하여 발생확률을 도출해 낼 수 있는 사고조사 자 료는 존재하지 않는다. 따라서 본 논문에서는 이를 최대한 정량적으로 분석해 보고자 실제 화재조사업무를 수행하고 있는 전문가 10명을 대상으로 현장상황과 같은 조건에서 각 기본사상에 대한 발생가능성에 대한 점수를 부여하게 하였다. 각 기본사상별 위험점수의 합계가 100이 되는 조 건으로 조사하여 이를 평균하여 사상별 정량적 가능성을 도출하였다. Table 5는 기본사상별 위험점수 및 정량적 가 능성을 보여주고 있다.

Figure 10과 같이 정상사상과 OR 게이트로 연결된 경우 이에 대응하는 구조함수 는 다음의 식(2)⁽¹⁹⁾와 같이 표현할 수 있다.

(2) 여기서 n은 최소절단집합의 수, xi는 기본사상 i의 발생 여부를 나타내는 부울 변수를 의미한다. 식(2)를 통해 C21, C22, C23의 발생가능성을 정량적으로 예측할 수 있 는데, 이들 중간사상의 최소절단집합을 식(1)과 같이 부울 대수 관계식을 이용하여 구하고, Table 5에서 주어진 정량 적인 값을 식(2)에 대입하여 계산하면 각각 0.172, 0.421, 0.020의 값을 도출할 수 있다. 여기서 C21은 누전, C22는 트래킹, C23은 접촉불량에 해당한다. Table 6은 각 중간사 상의 최소절단집합과 발화 가능성을 보여주고 있다.

6.4 발화원인 평가

결함수 분석을 통해 냉동창고 화재현장의 조사결과를 검증해 보았다. C21, C22, C23의 기본사상들 중에 C22의 값이 0.421에 해당하기 때문에 화재현장과 같은 조건에서 는 정온전선 말단부의 트래킹에 의한 발화 가능성이 가장 높다고 평가할 수 있다.

7. 고 찰

정온전선은 전기발열 특성을 이용하여 수도배관 등의 동파를 방지하는 용도로 주로 사용되고 있으나, 구조적으 로 누전, 과부하/과전류, 접촉불량, 트래킹에 의한 발화위 험성이 상존하고 있으며, 시공 방법에 따라 축열에 의한 발화가능성도 존재하는 전기 발열체이다. 본 논문에 제시 된 냉동창고 화재현장의 조사는 NFPA 921에서 제시하는

과학적인 접근방법에 의해 수행되었다. 우선 화재패턴 해 석을 통해 2-3 냉동실의 천장부분에 위치한 배수배관 주변 을 발화지점으로 판단하였다. 해당 부분에는 정온전선이 설치되어 있었으며, 그 밖의 점화원으로 작용할 만한 특이 사항은 보이지 않았다. 이러한 이유로 발화지점은 정온전 선의 전기적인 발열에 의해 발화되었을 것으로 판단되었 다. 발화지점은 정온전선의 말단부분에 해당하였고, 정온 전선의 말단부에서는 아크흔이 생성되었기 때문에 현장조 사 당시 발화원인을 트래킹 현상에 의한 것으로 가정하였 다. 현장조사를 통한 귀납적 추론 결과는 현장에서 조사자 가 채증한 자료를 분석하여 수립한 가설에 해당하기 때문 에 연역적 추론방식으로 해당 가설을 검증하여 화재조사 의 결론을 도출해야 한다. 연역적 추론방식은 NFPA 921 에 제시된 여러 가지 분석기법 중에 결함수 분석을 채택하 여 분석하였다. 정온전선 말단부에서 발생할 수 있는 여러 가지 전기적인 원인들을 전문가의 의견을 통해 도출하고 결함수를 작성하여 정량적으로 분석하였다. 결함수 분석기 법을 이용하여 최종 발화원인은 트래킹에 의한 가능성에 결론을 두게 되었지만 근본적으로는 정온전선의 절연결함 이 주요원인이 되어 발화될 수 있다는 중요한 사실을 인지 하게 되었다.

결함수 분석을 통해 전기적인 현상에 무게를 두지 않고 근본적인 결함을 확인함으로써 대책을 수립함에 있어 사 고를 분석하고 핵심 실마리를 제공받을 수 있는 방법도 터 득하게 되었다. 이러한 충전부의 절연처리는 수축튜브나 실리콘 마감재 등을 사용하여 마감하는 것이 일반적이지 만 실제 현장에서는 시공상의 편리함 등의 이유로 절연테 이프로 마감처리 되고 있는 경우가 대부분이다. 따라서 현 장의 작업자나 관리자는 향후 이 부분을 고려하여 시공하 거나 현장안전관리 계획을 수립할 필요가 있을 것이다.

8. 결 론

본 논문은 냉동창고에 시공된 정온전선에 의한 발화원 인 추론을 위해 과학적 방법을 적용한 화재조사와 결함수 분석을 이용하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 2-3 냉동실에 시공된 정온전선의 발화원인은 말단부 절연결함으로 발생한 트래킹 현상일 가능성이 있다.

2. 냉동창고의 수배관 동파방지열선으로 시공된 정온전 선에 의해 냉동창고에서 발화될 수 있다.

3. 귀납추론을 통해 도출한 화재조사 결과를 결함수 분 Φ X( ) = x_i = 1 − (1 − x_i)

i=1

∏n i=1

∏n

= 1 − 1 − x( ₁) 1 − x( ₂)… 1 − x( _n)

Table 6. Minimal Cut Set of Intermediate Event (I.E.) and Fire Possibility

I.E. Minimal cut set Fire possibility

C21 C21 = D11 + D12 = C13 + C14 Φ(X) = 1 − (1 − x1)(1− x2) … (1− xn) = 1− (1 − 0.106)(1 − 0.074) = 0.172 C22 C22 = D11 + D14 = C11 + C12 + C13 Φ(X) = 1 − (1 − x1)(1− x2) … (1− xn) = 1− (1 − 0.3)(1 − 0.106)(1 − 0.074) = 0.421 C23 C23 = C14 + C15 Φ(X) = 1 − (1 − x1)(1− x2) … (1− xn) = 1− (1 − 0.016)(1 − 0.004) = 0.020

(9)

본 논문은 2015년도 충북대학교 학술연구지원사업의 교 내연구비 지원에 의하여 연구되었습니다.

References

1. H. I. Lee, “An Experimental Study of the Fire Risk and Caouse Analysis on Freezing Protection Heating Cables”, Autumn Conference of KIFI, pp. 85-94 (2014).

2. J. S. Yoon and J. You, “A Study on the Possibility of Fire by the Self-regulating Heater Cable”, Autumn Con- ference of KIFI, pp. 188-205 (2011).

3. S. H. Lee, C. H. Kim, D. M. Choi, Y. K. Park and M. S.

Choi, “Study for Unmelted Conductor that Experienced Electrical Tracking Phenomenon (Focused on Electrical Tracking Case of Self-regulating Heating)”, Spring Con- ference of KIFI, pp. 98-108 (2015).

4. S. H. Min and B. J. Song, “A Study on Ignition and Fire Risk of Electric Heat Wire”, Technology for Disaster Prevention, Vol. 17, No. 4, pp. 113-121 (2015).

5. S. R. Yoon, “A Study on the Risk for Self-regulating Heating Cable”, Disaster Prevention Technology, Vol. 54, pp. 10-13 (2013).

6. Tyco Thermal Controls, “Electric Heat Tracing System”, Tyco Electronics, pp. 3-7 (2001).

7. J. H. Lee and J. Y. Park, “Research for the Ignition Pos- sibility of Preventing Freeze and Burst Heat Rays”,

tive Study on Safety Analysis Methodology of Chemical Process”, Journal of the KIIS, Vol. 18, No. 2, pp. 64-65 (2003).

11. S. J. Lim and C. K. Han, “A Study on the Mission Reli- ability Prediction of Missile Fire Control System through Fault Tree Analysis”, KIIE Fall Conference, pp. 902-903 (2007).

12. H. K. Lim, “System Safety Engineering”, Hansol Acad- emy, pp. 150-220 (2012).

13. N. H. Roberts, W. E. Vesely, D. F. Haasl and F. Gold- berg, “Fault Tree Handbook”, NUREG-0492, 45-55 (1981).

14. NFPA 921 2014 edition, “Guide for Fire and Explosion Investigations”, National Fire Protection Association, pp.

206-209 (2014).

15. D. H. Kim, S. C. Kim, E. S. Kim, C. O. Kim, S. I. Lee, J. H. Jung, C. S. Choi, S. H. Kang and S. G. Jo, “Electri- cal Safety Engineering”, Donghwa Technology Publish- ing, pp. 264-276 (2013).

16. N. H. Roberts, W. E. Vesely, D. F. Haasl and F. Goldberg,

“Fault Tree Handbook”, NUREG-0492, 36-38 (1981).

19. H. K. Lim, “System Safety Engineering”, Hansol Acad- emy, pp. 184-187 (2012).