부하설비의 불평형 사용에 따른 화재사례 연구
글 최기옥 화재보험협회 화재조사센터 책임연구원
1. 머리말
설비불평형률이란 중성선과 각 전압 측 전선 간에 접속되는 부하설비용량의 차와 총 부하설비용량의 평균값의 비(%)를 말한다. 일반적으로 공장, 아파트, 사무용 건물 등에서 변압기를 이용하여 특고압을 수전하여 저압으로 변성한 후 각 세대 또는 작업현장에 공급한다. 이때 저압수전이 단상 3선식 또는 3상 4선식의 경우 각 전압 측 전선과 중성선 간의 부하는 평형이 되도록 설치되어야 하며, 3상 3선식의 경우에도 각 전압 측 전선 간에 부하의 평형이 이루어져야 한다. 만약 전압 측 전선과 중성선 간에 또는 전압 측 전선 간에 설치되는 부하설비가 불평등하게 설치되는 경우 부하가 과도하게 설치되는 전압 측 권선에 과도한 전류가 흘러 권선의 절연이 파괴될 위험이 있다. 이러한 이유로 내선규정에서는 단상 3선식 수전계통의 경우 설비불평형률을 40%로 제한하고 있으며, 3상 3선식 및 3상 4선식 수전계통의 경우 설비불평형률을 30%로 제한하고 있다. 실제로 산업현장에서 이러한 위험성을 인지하지 못한 채 부하설비를 불평등하게 사용하여 변압기 또는 전압조정기에서 화재가 빈번히 발생되고 있다.
이에 본 연구에서는 부하 불평등 사용에 따른 위험성을 이해하고, 3상 3선식 수전계통에서 부하 불평등 사용에 따른 화재사례를 통해 화재위험성을 확인하자 한다.
2. 발화위험
우리나라는 3상의 전력선(R상 전력선, S상 전력선, T상 전력선)과 공통선인 중성선(N선)이 설치된 3상 4선식 다중접지방식의 배전계통을 채택하고 있다. 이러한 배전계통에 설치된 전기설비에서 부하의 불평형이 발생되면, 전기설비에 설치되어 있는 변압기 또는 전압조정기의 불평하게 많은 부하가 걸려있는 상에 과도한 전류가 흐를 수 있으며 또한 변압기 등의 설비 내부 권선으로 순화전류가 흐를 수 있다. 부하의 불평형 사용에 따른 불평등 전류와 내부 순환 전류가 변압기 등의 권선에 장시간 흐르는 경우 권선의 온도상승 및 권선의 열화로 인하여 화재가 발생할 수 있다.
3. 내선규정(제1410절 설비 부하평형 시설)
내선규정에서는 부하의 불평형 사용에 따른 사고위험을 예방하기 위하여 아래와 같이 규정하고 있다.
제1410절 설비 부하평형 시설
가. 저압수전의 단상 3선식에서 중성선과 각 전압 측 전선간의 부하는 평형이 되게 하는 것을 원칙으로 한다.
[주1] 부득이한 경우는 설비불평형률 40%까지로 할 수 있다.
이 경우 설비불평형률이란 중성선과 각 전압 측 전선 간에 접속되는 부하설비용량(VA) 차와 총부하설비용량(VA)의 평균값의 비(%)를 말한다. 즉, 다음 식으로 나타낸다.
[주2] 계약전력 5kW 정도 이하의 설비에서 소수의 전열기구류를 사용할 경우 등 완전한 평형을 얻을 수 없을 경우는 설비불평형률 40%를 초과할 수 있다.
나. 저압, 고압 및 특고압수전의 3상 3선식 또는 3상 4선식에서 불평형부하의 한도는 단상 접속부하로 계산하여 설비 불평형률을 30% 이하로 하는 것을 원칙으로 한다. 다만, 다음 각 호의 경우는 이 제한에 따르지 않을 수 있다.
① 저압수전에서 전용변압기 둥으로 수전하는 경우
② 고압 및 특고압 수전에서 100 kVA(kW) 이하의 단상 부하인 경우
③ 고압 및 특고압 수전에서 단상 부하용량의 최대와 최소의 차가 100 kVA(kW) 이하인 경우
④ 특고압 수전에서 100 kVA(kW) 이하의 단상변압기 2대로 역V결선하는 경우
[주] 이 경우의 설비불평형률이란 각 선간에 접속되는 단상 부하 총 설비용량(VA)의 최대와 최소의 차와 총 부하설비용량 (VA) 평균값의 비 (%)를 말한다. 즉, 다음 식으로 나타낸다.
4. 화재사례
가. 전압조정기 권선의 절연파괴
(1) 일반사항
- 소재지: 경남 사천
- 화재 발생일: 2020년 03월 15일
- 인명피해: 없음
(2) 화재경위
본 화재는 전역방출방식의 가스계소화설비(할로겐 화합물(FM-200), 150kg 19병)가 설치되어 있는 변전실에서 발생한 화재 사고이다. 근무자는 화재 발생 당시 가스계소화설비가 작동된 것을 인지하고, 이를 확인한 결과 변전실의 내부에 설치된 전기패널 내부의 3상 전압조정기(단권 전압조정기, 1차 전압:440V, 2차 전압:220V, 정격용량:15KVA, 상수:３상, 정격주파수:60Hz)에서 화재가 발생하였고, 가스계소화설비에 의하여 자동으로 소화된 것을 확인하였다. 화재로 인하여 전압조정기가 연소되었고, 전기패널의 내부에 그을음이 부착되었으며, 가스계소화약제(FM-200, 150kg) 19병이 모두 방출되는 손해가 발생되었다. 화재가 발생된 전압조정기는 변압기로부터 인입된 3상 440V의 전압을 3상 220V로 변성하여 변전실의 내부에 설치된 형광등(단상 부하, 32W) 192개에 전원을 공급하는 설비이다.
(3) 발화원인
화재가 발생된 전압조정기는 변압기에서 3상 440V를 수전하여 3상 220V로 변성한 뒤 조명설비용 분전반으로 공급하는 설비이다. Fig1.에서 보는 것과 같이 전압조정기에서 변성된 3상 220V전압은 조명설비용 분전반으로 인입되어 배선용차단기 및 누전차단기를 통하여 형광등 부하(단상 부하, 32W) 192개에 공급되도록 설치되어 있다.
(ㅁ표지부분은 전압조정기가 위치한 부분)
(o표지부분은 누전차단기①~⑥과 주차단기 버스바(Bus Bar)의 체결부분)
하지만 [그림 4]에서 보는 것과 같이 전압조정기에서 조명설비용 분전반으로 인입된 3상(R상, S상, T상) 중 R-S상에 형광등 부하가 128개의 설치되어 있으며, S-T상과 T-R상에는 각각 32개의 형광등 부하가 설치되어 있어 형광등 부하가 R-S상에 과도하게 설치된 것을 알 수 있다. 앞에서 언급했듯이 전압조정기의 각 상에 부하가 불평등하게 설치되면 부하가 과도하게 설치된 상에 과도한 전류가 흐르게 되며, 또한 전압조정기 내부 권선에서 부하전류에 의한 전압강하 차에 의하여 순환 전류가 흐르게 된다. 그로 인하여 전압조정기 내부 권선의 온도가 상승하고, 권선의 온도가 지속적으로 높은 온도를 유지함에 따라 열화가 지속되며 결국 화재로 진행될 수 있다.
이와 같은 이유로 화재 발생 전압조정기에는 조명설비용 분전반 내에서 형광등 부하설비가 불평형하게 설치됨에 따라 전압조정기의 R-S상 권선에 과도한 부하가 설치됨에 따라 R상과 S상 권선에 과도한 전류가 지속적으로 흘렀을 것으로 보인다. 그로 인하여 전압조정기의 권선에서 온도가 상승하고, 그에 따른 열화가 지속적으로 진행되면서 가장 온도축적이 잘되고 절연이 약한 S상 권선에서 절연이 파괴되는 과정에서 화재가 발생된 것으로 보인다.
(ㅁ표지부분은 S상 권선에서 절연이 파괴된 부분)
5. 맺음말
전압조정기는 공급전압을 사용전압에 맞게 낮추거나 높이는 장치로써 권선 수와 전압이 비례하는 원리를 이용한 장치이다. 이러한 전압조정기는 내부 권선에 허용전류 이상의 전류가 장시간 흐르는 경우, 권선에 발생되는 전압강하의 차에 따라 내부 순환 전류가 흐르는 경우 권선의 절연이 파괴될 수 있다. 따라서 3상 전압조정기에 부하 설비를 체결할 때 하나의 상에 과도한 부하가 걸리지 않도록 각 상에 부하 설비가 균일하게 설치될 필요가 있다.