1. 머리말

빈 아크(arc)란 간극(gap)이나 탄화된 절연체(charred insulation)과 같은 매개체를 통하여 고온의 빛을 발생시키는 전기 방전으로 정의된다. 아크 발생 시 빛과 함께 매우 높은 열이 발생하기 때문에 아크가 발생하는 근접한 위치에 먼지 또는 티슈가 위치하거나 가스 또는 가연성 유증기가 체류하는 경우 이러한 매개물을 통해 화재로 확대될 수 있다. 전기회로에서 발생하는 아크는 부하와 직렬로 연결된 단일 도체에서 발생하는 직렬 아크(series arc)와 부하와 병렬로 연결된 이극(異極) 도체 사이에서 발생하는 병렬 아크(parallel arc)로 구분된다. 직렬 아크는 전선 등의 도체 접속부, 반단선¹⁾ 부위 등에서 발생하여 접촉과 분리를 반복하는 과정에서 발생하는 아크열에 의해 주위 가연물을 착화시켜 화재를 발생시킬 수 있으며, 병렬 아크는 전압이 인가된 이극 도체 절연피복의 절연이 파괴되는 과정에서 발생하여 큰 전류가 흐르는 과정에서 발생하는 줄열과 아크열에 의하여 화재가 발생하는 전기적 원인으로 단락(短絡)으로 칭하기도 한다.

빈 아크는 전압이 인가된 전기 콘센트, 플러그, 멀티탭, 가전제품, 손상되거나 노후화된 전선 등 다양한 개체와 다양한 장소에서 발생할 수 있어 다른 화재에 비하여 발생 빈도가 높다고 할 수 있다. 그러나 직렬 아크 발생 시 전체 회로에 전류 상승이 없고, 누설전류 또한 흐르지 않기 때문에 배선용차단기 또는 누전차단기로 감지가 어려워 그 위험성은 매우 높다고 할 수 있다. 소방청 통계에 따르면 2021년부터 2025년까지 5년 동안 발화열원 중 전기적 아크(단락)로 인한 화재는 총 47,778건으로 확인됐고, 매년 1만 여건의 화재가 전기적 아크(단락)로 인하여 발생하는 것으로 나타났다. 또한 전기적 아크(단락)으로 인한 재산 피해액도 매년 증가하는 것으로 나타나 국가적으로 해결해야 할 사회적 이슈가 되고 있다. 이에 본 연구에서 아크로 인하여 발생하는 화재 매커니즘을 확인하고, 직렬 아크 화재 사례를 통하여 위험성과 그에 대한 예방 대책을 제시하고자 한다.

2. 직렬 아크로 인한 발화 위험

빈 직렬 아크는 전원과 부하 사이의 직렬 회로에서 전선 내부의 소선이 단선되어 접촉과 분리를 반복하거나 회로 단자 간 접촉점에서 접속이 느슨하여 접촉과 분리가 반복되는 과정에서 주로 발생한다. 직렬 아크를 발생시키는 주요 원인으로는 전선의 압착, 눌림, 진동, 반복적인 구부러짐 등으로 인하여 전선 내부 도체가 물리적으로 손상되는 경우와 전기적 접속부의 반복적인 접촉 및 분리 등이 있다. 이렇듯 직렬 아크를 발생시키는 대부분의 원인은 설비 자체의 문제라기 보다는 사용상의 부주의에 기인하는 경우가 많다. 직렬 아크가 발생하는 순간 접촉 부위의 온도는 수천 도(℃)까지 상승하게 되어 전선 피복은 물론 근접한 가연물 또한 착화될 수 있다. 하지만 더 큰 문제는 이러한 직렬 아크가 발생하는 경우 가정 또는 산업현장에 설치되어 있는 누전차단기(ELB) 또는 배선용차단기(MCCB)에 의해 보호가 되지 않는다는 점이다. 예를 들어 에어컨 실외기로 흐르는 전류가 5A라고 가정한다면 에어컨 전원선에서 직렬 아크가 발생하는 순간 직렬 아크 발생 점을 통해 5A의 전류가 흐르다 멈추다를 반복하게 되고, 이러한 상황은 전류가 누설되는 현상도 아니고 과전류가 흐르는 상황도 아니기 때문에 누전차단기나 배선용차단기로 감지하고 예방하기 매우 어렵다. 배선용차단기는 회로에 흐르는 과전류로부터 선로를 보호하기 위해 그리고 누전차단기는 선로 또는 부하측에서 발생되는 누설전류로부터 인체의 감전을 방지하기 위한 목적으로 제조되었기 때문이다.

[그림 1] 직렬아크 발생 상황

3. 직렬 아크 화재사례

가. 사고 개요

(1) 사고일시: 2015년 4월 00일, 20시 10분경
(2) 사고장소: 강원도 춘천시 소재 아파트
(3) 제품명: 전기요

나. 사고 내용

빈 본 화재는 사용자가 사고 당일 20시경 안방에 있는 전기요의 전원을 켠 후 거실에서 TV를 시청하던 중 안방에서 검은 연기가 새어 나오는 것을 목격하고, 양동이에 담긴 물을 사용하여 자체 진화한 화재 사고이다. 화재로 인하여 전기요는 온도조절장치의 접속부를 중심으로 일부만 연소되었으나, 연소되지 않은 열선과 부직포에서 과열로 인하여 탄화되거나 용융된 흔적은 없었다.

[사진 1] 전기요와 온도조절장치의 연소상황

[사진 2] 전기요 내부의 상황(과열흔적이 없음)

빈 전기요 외에 온도조절장치, 전원코드 그리고 온도조절장치와 전원코드를 연결하는 연결전선의 부속품 중 연결전선이 심하게 연소된 상태였으며, PCB에 설치된 전류 퓨즈의 가용부가 용단된 상태로써, 화재발생 중 전기요의 전체 회로에 단락전류 등의 과전류가 흘렀던 것으로 보인다.

[사진 3] 온도조절장치, 연결전선, 전원코드의 연소상황

[사진 4] PCB에 설치된 전류 퓨즈의 용단상황

빈 온도조절장치의 연결전선 중 1개 전선의 접속단자와 인접한 부분이 절단된 상태였고, 절단된 전선의 양측 말단에서 반단선으로 인하여 발생된 직렬 아크에 의해 용융된 상태였다. 즉 전기요 온도조절장치의 연결전선에서 잦은 구부림 등의 원인으로 인해 반단선이 발생했고, 반단선으로 인해 끊어진 소선이 접촉과 분리를 반복하는 과정에서 발생된 아크열로 인하여 본 화재가 발생된 것으로 보인다.

[사진 5] 연결전선의 연소상황

[사진 6] 연결전선의 접속단자와 근접한 부분이 절단된 상태

[사진 7] 연결전선의 절단부(X-ray 사진)

[사진 8] 연결전선 절단부의 용융상황(X-ray 사진)

4. 맺음말

빈 아크로 인한 화재는 전체 화재의 큰 비중을 차지할 정도로 화재발생 비율이 높으며, 그로 인한 재산 및 인명피해 또한 매우 높다. 하지만 주택 또는 산업현장에 설치되고 있는 누전차단기 또는 배선용차단기로는 직렬 아크로 인한 화재를 예방하지 못하는 실정이다. 이에 위에서 본 사례연구를 통하여 직렬 아크로 인한 화재를 예방하기 위하여 아래와 같은 화재 예방 대책을 제안하고자 한다.

가. 한국전기설비규정(KEC)에 따라 설치 의무화된 아크차단기를 작동 신뢰성 확보를 통하여 침실, 거실 등 주거 공간으로 의무 사용처 확대
나. 아크차단기의 성능에 준하거나 감도가 높은 아크 감지 기능이 있는 분전반 또는 콘센트 도입
다. 전선이 압착, 눌림 등의 외력 또는 반복적인 구부림 등으로 손상되지 않도록 관리
라. 전기 콘센트에서 플러그를 뽑을 때 코드(전선)을 당기지 말고, 플러그 본체를 잡아 뽑는 등 코드(전선) 내부에서 반단선이 발생하지 않도록 주의
마. 차단기 단자대의 전선 체결부 등 접속부의 접속이 견고하게 유지될 수 있도록 관리
바. 노후된 전기 콘센트, 멀티탭, 스위치는 내부 금속 부품의 탄성이 약해지는 경우 접촉불량을 발생시킬 수 있으므로 노후된 전기기계기구 등은 주기적으로 교체