1. 서 론

건축물 화재는 건물 내에서 발생하는 화재로 많은 인명과 재산 피해를 초래할 수 있으며 이의 주요 원인은 전기적 결함, 인화성 물질의 취급 부주의, 기계적 고장으로 인한 화재 및 방화 등이다. 화재 시 연기 흡입과 고온으로 인한 부상 및 사망 등이 발생할 수 있으며 특히 탈출 경로가 확보되지 않거 나 화재 경보 시스템이 작동하지 않을 경우 대규모의 인명 및 재산 피해를 가져오게 된다. 따라서 국내도 건축 관계법 및 소방관계법을 통해 화재안전기준을 규정하고, 방화구역 및 방화벽, 내부마감재료 등의 난연 자재 사용, 각종 화재탐지 및 소방 설비 등을 법규화 하고 있다.

소방법 관련 케이블은 난연 케이블과 내화 케이블이 있으며 요구 성능 및 용도를 달리한다. 난연 케이블은 불꽃을 억제하고 연소 속도를 늦추어 확산을 방지하는 기능으로 주로 화재 확산 방지가 필요한 일반 건축물에 사용되며, 내화 케이블은 화재 발생 시 일정기간 동안 화염에 견디며 상온에서와 동등한 전기 및 통신 전송 기능을 유지하는 케이블로써, 주로 소방 설비, 비상조명, 통신설비, 데이터센터 등에 설치되어 인명 및 재산 피해를 최소화하고 시스템이 화재 시 특정 시간 동안 작동할 수 있도록 하는 역할을 수행한다.

본 연구에서는 국내 화재안전 기준을 만족하는 MV급 내화 케이블 개발 결과를 소개하고, 통신용 내화 케이블에 대해서는 신제품 개발 결과와 더불어 우리나라의 통신용 내화 케이블 법제화 필요성을 강조하고자 한다.

2. 내화 케이블 규격

내화 케이블은 규정된 온도 불꽃을 정하여진 시간동안 인가 시 전류 및 통신전송 유지 여부를 평가하는 성능 시험을 만족하여야 한다. 시험 방법 및 평가 기준은 국가별·규격별 상이하며 이러한 기준은 국제 표준을 참조 하거나 해당 국가의 특수한 요구 사항을 반영하여 수립된다. 국가별 대표 전력 및 통신 내화 케이블 시험 조건 및 규격을 표 1 에 정리하였으며, 규격에 따라 화재 시 충격이 가해지는 경우와 물이 분사되는 경우를 가정하여 타격 및 물분무 등의 시험 조건을 규정하고 있다.

반면 케이블의 난연 시험은 일반적으로 케이블을 수직 설치한 상황에서 불이 번진 길이, 케이블이 타면서 발생하는 연기와 유독가스의 양을 평가하며, 케이블이 기능을 유지하는지 여부는 평가하지 않는다.

국내의 내화 케이블 규격은 IEC 규격을 바탕으로 KS 규격이 지정 되었으며 각 규격과 측정 방법을 표 2 에 비교하였다.

830℃ 고내화 시험은 불꽃 온도 인가 시간이 일반 내화 750℃ 보다 가혹한 ‘U’자 시료 형태로 평가 되어 케이블 샘플에 굽힘 응력이 인가된다. 또한 5분마다 시료 지지대에 충격을 가함으로써 탄화된 연소 자재를 떨어뜨려 불꽃이 케이블 내부에 직접 인가될 수 있는 가혹한 조건을 부여한다. KS C IEC 60331-1/2 830℃ 고내화 케이블 시험은 그림 1 과 같다.

국내 주요 대형 공장 및 플랜트등을 중심으로 국내 소방법 제품 보다 높은 성능의 제품을 요구하고 있으며 이러한 경우 영국 및 호주등의 해외 규격 시험 조건을 기준으로 개발하여 상용화하고 있다.

그림 1. KS C IEC 60331-1/2 830℃ 내화 케이블 시험

Fig. 1. KS C IEC 60331-1/2 830℃ Fire-Resistant Cable Test

3. 국내 소방법 현황

국내 건축물의 전력용 내화 케이블은 사용전압 3kV 이하의 LV 제품과 6kV~30kV의 MV 제품이 해당되며, 통신 케이블은 통상 120V 이하가 해당된다^[9,10].

이러한 건축물의 화재 안정성을 강화하기 위하여 국내에서는 ‘22년 3월 소방용 전선의 내화 성능 강화 내용을 담은 ‘옥내소화설비의 화재안전기준 (NFSC 102)’을 개정 고시 하였다^[11]. 주요 내용은 기존 KS C IEC 750℃ 일반 내화 성능 기준을 KS C IEC 830℃ 불꽃 시험과 타격 시험을 거치는 고내화 성능의 국제 표준에 맞추도록 하였고 국제 표준이 부재한 소방용 전선의 ‘내열성능’기준을 삭제하고 내화 전선 성능 이상을 확보하도록 하였다. 이러한 소방법 적용의 케이블은 표 3 과 같이 LV 제품 일부와 MV 제품의 6/10kV 할로겐프리 제품이 해당된다.

한편, 통신용 내화 케이블은 무선통신보조설비를 지원하기 위해 필요하다. 화재현장에서 소화 및 구조 활동을 수행하는 소방대와 지휘부 간 원활한 무선통신을 위해 설치되는 무선통신보조설비는 재난현장에서 원활한 통신을 통해 소방대원에게 주어지는 역할을 수행하기 위한 중요한 통신 시스템이다. 현재 무선통신 보조설비는 화재안전성능기준(NFPC 505)에 따라 설계 및 시공 된다. 하지만 현재의 화재안전성능기준은 난연 케이블을 허용하여 화재환경에서 케이블의 화재에 노출 될 경우 통신보조설비의 기능을 상실하게 된다^[12]. 이러한 문제점을 개선하고 화재 환경에서 일정시간 통신 케이블의 기능을 유지하여 무선통신보조설비의 활용성을 향상시키기 위해, 화재안전 성능기준 내 케이블은 난연 케이블이 아닌 내화 케이블 적용이 필수적이다.

4. 이전 연구 현황

LV 내화 케이블의 내화 성능은 마이카 테이프 및 실리콘 절연재료로 구현된다. 마이카 테이프는 일반적으로 글라스 섬유에 마이카를 얇게 압축하여 덧붙인 제품으로 내화 및 절연 기능을 동시에 가진다. 따라서 그림 2 와 같이 도체와 절연 사이에 테이핑 되어 불꽃 인가시 고분자 절연층이 연소되어도 전류 전송을 가능하게 한다.

830℃급 고내화 LV 케이블은 고내화 특성을 구현하기 위해 마이카 층과 글라스 섬유 사이에 실리콘 접착제를 사용하고 글라스 섬유 바깥층을 특수 무기물로 코팅하는 방법으로 개발하였다. 마이카 테이프 성능 확인은 IEC 60243-1의 상온 절연 파괴 전압 측정 방법에 준하여 실시하되 830℃ 고온 절연 파괴 전압 측정을 추가하여 절연 안정성을 검증하였다^[13].

그림 2. LS전선 0.6/1kV 830℃ 고내화 케이블

Fig. 2. 0.6/1kV 830℃ Fire-Resistant Cable of LS Cable & System

IEC 830℃ 고내화 케이블은 KTR 등의 공인 기관을 통하여 제품성능 인증을 확보하였으며 BS(영국) 규격 제품은 TUV 인증, AS/NZS(호주/뉴질랜드) 규격 제품은 호주 현지 EXOVA 인증을 통하여 품질 공신력을 확보하였다.

MV 내화 케이블 제품은 LV 제품보다 시장 요구가 적었으나 최근 해외시장을 중심으로 대형공장 및 데이터센터, 플랜트 등에서 그 적용이 점점 증가하고 있는 추세이다. MV 케이블은 발전소에서 송전된 22.9kV 전압이 건물 내 필요전압으로 사용되기 전 대전력을 공급하는 중요 역할을 하는 제품으로 현재 대부분의 경우 시공 편의성 등으로 내화 특성이 검증되지 않은 내화 도료를 사용하고 있어, 국가 규격을 만족하는 케이블 사용이 반드시 필요하다. 또한 통신 케이블은 세계적으로 내화 케이블이 드문 실정으로써, 본 연구를 통하여 MV급 내화 케이블 및 통신용 내화 케이블 개발을 완료하였다.

5. 케이블 개발 및 평가

5.1 MV 내화 케이블 개발

MV 내화 제품은 저압과는 달리 도체와 절연 사이 마이카 테이프 사용이 어렵다. 마이카 테이프가 전계의 고른 분포를 방해하여 전계 집중의 위험 있으며 도체와 절연층 사이에 공기 틈이 생기게 하여 케이블에 부분방전이 발생할 위험성이 있다. 이는 케이블 장기 수명에도 악영향을 끼친다.

따라서 MV 내화 케이블은 절연층 외부의 열전달을 최소화 하는 구조 설계로 절연 내력을 유지할 수 있도록 보호하는 기술에 중점을 맞추어 개발하였다. 단열 재료는 기본이 되는 수지 및 자재에 여러 단열 기능의 첨가제를 투입하거나 코팅하여 단열성능을 구현하였으며 그 첨가제는 마이카 및 세라믹 재료들이다.

단열 성능의 측정은 열전도도 및 열용량 등을 주요 인자로 고려한 수치 해석(Numerical Analysis)과 불꽃인가 후 단열층 배면 온도 측정으로 진행하였다. 그림 3 은 한쪽면에 열원(830℃)을 부가하였고, 대류열전달계수 h=20W/㎡K를 적용하여 반대편의 온도를 해석 결과이다. 내화 재료의 경우 열전도도가 열용량보다 온도 전달에 더 큰 영향을 주는 것으로 확인되었다. 이는 열전도도가 낮을수록 소재 내부로의 열전달이 지연되며, 이 과정에서 환경과의 대류열전달에 의한 평형상태를 지속되고 있기 때문으로 해석된다.

그림 3. 수치 해석을 통한 열전달 주요인자 도출

Fig. 3. Derivation of Key Factors in Heat Transfer by Numerical Analysis

그림 4 는 전선업계에 상용화되고 있는 난연용 글라스테이프와 신규 개발 자재의 상온 및 고온 열전도도를 비교 측정한 결과이다. 신규 자재는 기존 자재와 비교하여 상온에서는 열전도도가 0.42W/m·k에서 0.049W/m·k 로 낮아졌고, 고온 400℃의 경우 0.39W/m·k에서 0.1W/m·k로 낮아졌음을 확인하였다. 이는 글라스섬유 조직에 개발된 세라믹층을 코팅하고, 코팅된 세라믹층이 열전도도가 낮은 공기를 포함하는 구조로 단열효과를 증대시킨 것으로 판단된다.

그림 4. 글라스 테이프와 신규 개발 자재의 상온 및 고온 열전도도

Fig. 4. Thermal Conductivity of Glass Tape and New Developed Material at 25℃ and 400℃

내화층의 단열성능은 마이카와 세라믹등의 단열 첨가제 종류 및 함량 변경으로 최적화 하였으며, 단열층 두께별 배면 온도 측정 결과를 그림 5 에 도시하였다. 2㎜에서 4㎜의 두께 상향시 약 100℃의 단열 성능을, 4㎜에서 6㎜의 두께 상향시 약 80℃의 단열 성능을 확인하였다.

그림 5. 내화층 두께별 단열특성

Fig. 5. Thermal Insulation Properties of Polymer Thickness

이러한 재료 선정 및 구조 설계를 실제 제품에 적용하여 재료 단열특성 개선이 제품 내화 성능에 미치는 효과를 확인하기 위하여 6/10kV급 XLPE 절연의 1×120SQ 케이블을 제조하여 내화 특성을 평가하였다. 내화 케이블 시험 평가는 소방법 내화배선 기준인 KS C IEC 60331-1에 따라 830℃에서 120분 시험을 진행하였다.

평가 샘플은 각 끝단에서 약 100㎜ 피복 또는 외부 보호층을 제거한 상태로 길이 최소 1500㎜ 이며 굽힘 형태를 만들기 위하여 자사 굽힘변형률 기준인 14D를 적용하여 평가하였다. 충격 장치는 버너 점화 후 5분±10초 후 사다리에 충격을 주어야하고 5분±10초 간격으로 120분 동안 작동하여야 한다.

회로보존성을 만족하기 위한 합격기준은 전압을 인가하는 동안 퓨즈가 끊어지거나 또는 차단기의 차단이 없는 전압이 유지되어야 하며, 도체의 파열이 없이 램프가 꺼지지 않아야 한다. 이러한 조건중 하나가 불합격한 경우 해당 케이블은 불합격으로 간주되며 2회 재시험을 연속 합격 하여야 한다^[8].

표 4 는 글라스 테이프와 신규 개발 자재에 제품 사용 전압인 10kV를 인가하였을 때의 내화 평가 결과이다. 기존의 글라스 테이프는 43분 만에 절연 파괴가 발생하였으나, 신규 개발자재 적용 제품은 120분간 성능을 만족하였다. 이는 기존 글라스 테이프는 상대적으로 낮은 단열성능으로 절연체가 녹아 절연 파괴가 발생한 반면, 신규 개발 자재는 단열성능의 개선으로 인하여 도체 변형 및 절연 손상이 발생하지 않은 결과라 할 수 있다.

표 4 글라스 테이프와 신규 개발 자재의 KS C IEC 60331-1 내화 평가 결과

Table 4 KS C IEC 60331-1 Fire-Resistant Test Result for Glass Tape and Newly Developed Material.

6/10kV 1×120SQ	KS C IEC 60331-1 평가 결과
글라스 테이프	43분만에 케이블 절연 파괴 발생
신규 개발 자재	120분 간 케이블 성능 만족

5.2 통신 케이블 개발

기존 무선통신보조설비에 적용되는 통신 케이블은 그림 6 에서와 같이 중심도체와 외부도체로 구성된 동축케이블이 적용된다. 이러한 동축케이블은 통상 중심도체와 외부도체를 저유전율의 Polyethylene(PE)을 활용하여 절연하였다. PE는 낮은 유전율(약 2.3)과 용이한 가공성 등의 장점으로 다양한 통신용 케이블 자재로 활용되고 있다. 하지만 내화 케이블에 적용 시 PE의 녹는점이 약 120℃로 인해 화재환경에서 쉽게 변형됨에 따라 통신 케이블의 기능을 상실하게 된다. 이를 극복하기 위해, 내화특성을 가지면서 PE 수준의 낮은 유전율을 구현하기 위한 다양한 내화자재 및 제품구조를 평가 하였다.

그림 6. 통신용 동축케이블

Fig. 6. Coaxial Cable for Telecommunication

내화 통신 케이블의 중심 및 외부도체는 녹는점이 약 1,084℃ 인 구리(Copper)를 적용하였다. 이는 기존 동축케이블에 적용되는 알루미늄(Aluminum)의 녹는점이 약 660℃ 이므로 고온의 내화환경에서의 케이블의 기능상실을 회피하기 위해서다.

도체변경에 추가하여 다양한 내화절연자재가 검토 되었다. 자재로는 Silicone Rubber, Glass Fiber, Silica Fiber, Basalt Fiber 등이며, 케이블 제작상의 작업성과 내화 및 상온에서의 통신특성 만족을 위해 Glass Fiber와 Silicone Rubber를 조합한 절연체를 원형 Filler 형태로 가공하여 케이블 중심도체 위에 횡권 하여 케이블 구조를 구현하였다. 추가적으로 통신 케이블의 특성을 만족하기 위해 중심도체와 외부도체의 일정한 구조유지는 필수이며 절연체 횡권 구조는 필연적으로 튜브형의 외부도체를 필요로 하여 적용하였다.

내화 절연체를 중심도체 위에 횡권 한 이유는 중심도체와 외부도체 사이의 공간에 공기 사용을 최대화하고 상대적으로 유전율이 높은 절연체 사용을 최소화하여 중심도체와 외부도체 사이의 유전율을 낮추어 통신특성을 확보하기 위해서이다.

통신용 동축케이블에서의 감쇄량은 수식 (1)에서 보는 바와 같이 자재의 고유 특성인 유전율의 실수값(εr) 및 Loss Tangent (εi/εr: 복소 유전율의 허수부 및 실수부의 比)에 비례하여 증가한다^[14].

(1)

$\alpha =\dfrac{1}{2}\left[\dfrac{0.00832\sqrt{f}\left(\dfrac{1}{d}+\dfrac{1}{D}\right)}{2\times\dfrac{60}{\sqrt{\epsilon_{r}}}\ln\left(\dfrac{D}{d}\right)}\times 8.686+0.091\sqrt{\epsilon_{r}}f\tan\delta\right]$

f: 주파수

d: 중심도체 외경

D: 외부도체내경

εr: 유전율의 실수값

tanδ: Loss Tangent

상기와 같은 다양한 조합 (구리 도체, 내화 절연체 Filler 형태제작 및 중심도체 횡권, 튜브형 외부도체 등)을 적용하여 KS C IEC60331-23에 따라 750℃에서 90분간 내화평가를 만족하면서, PE가 적용된 기존의 동축케이블과 유사한 수준의 상온 전기적 특성을 구현하는 통신 케이블 개발하였다.

추가로, 신뢰성 검증을 위해 개발 된 내화 통신 케이블을 활용하여 KS C IEC60331-23에 따라 750℃에서 90분간 내화평가 전후의 전기적 특성 중 감쇄량 변화를 관측 하였다. 그림 7 은 측정 시료가 측정 장비인 네트워크 분석기에 연결 된 사진이며, 네트워크 분석기를 통하여 진행한 내화 전후의 감쇄량 측정 그래프는 그림 8 과 같다. 측정결과는 표 5 에서 간단히 비교하였다. 규격에 따라 케이블에서 불꽃인가 구간은 50cm 이며, 무선통신 보조설비가 적용되는 소방주파수 대역인 450MHz에서 0.06dB가 상승하였음으로 불꽃인가 구간을 100cm로 가정한다면 450MHz에서 약 0.12dB/m 감쇄량 열화가 예상되며, 기타 케이블의 통신 특성인 Impedance 등에는 내화 평가전후 시료의 평가 결과가 제품의 사양을 만족하였다.

감쇄량은 앞 수식 (1)에서와 같이 유전율과 Loss Tangent에 의존한다. 본 실험 결과에서는 전체 주파수 범위가 아닌 특정 주파수에서 감쇄량 증가가 발생함에 따라, 케이블 전체적인 유전율 또는 Loss Tangent 변화 가 아닌, 일부구간 절연체 파손에 의한 케이블의 구조변화에 따른 케이블의 임피던스 불균일에 기인한 감쇄량 증가인 것으로 해석할 수 있다.

그림 7. 내화 시험 후 통신 케이블의 전기적 특성평가 설비

Fig. 7. Electrical Performance Evaluation after Fire-Resistant Test.

그림 8. 내화 시험 전후 통신 케이블의 감쇄량 결과

Fig. 8. Attenuation Graph of Telecommunication Cable for (a)before and (b)after Fire-Resistant Test.

표 5 내화전후 감쇄량 비교

Table 5 Attenuations before and after Fire-Resistant Test

	내화 시험 전	내화 시험 후
450MHz 감쇄량	0.12dB	0.18dB
1GHz 감쇄량	0.25dB	0.27dB

이상의 결과를 바탕으로 본 연구에서 개발한 통신 케이블은 KS C IEC60331-23의 화재 환경 하에서 적용 가능함을 확인 하였다.

6. 결 론

본 논문에서는 고내화 MV급 전력 케이블과 통신용 동축 케이블 개발 결과를 소개하였다.

6/10kV XLPE 절연 제품의 내화 케이블 개발로 소방법 대응 가능한 MV 제품을 확보하게 되었다. 이는 기존의 LV급에 적용한 마이카 테이프외의 단열 기능을 강화한 자사 개발의 신규 내화 테이프 적용 및 고분자 압출층의 구조 최적화를 통하여 구현하였다.

또한 내화 통신 케이블은 규격인 KS C IEC60331-23에 따라 750℃에서 90분 내화규격을 만족하는 케이블을 개발하였으며, 기존 PE 절연 제품과 유사한 수준의 상온 통신특성이 구현됨을 확인하였다. 750℃에서 90분간 내화평가 전후 케이블의 통신 특성을 비교 했을 때, 소방주파수 대역인 450MHz에서 감쇄량에서 약 0.12dB/m 열화가 발생하나, VSWR, Impedance 등 통신 특성이 양호함에 따라 화재 환경 하에서 적용 가능함을 확인하였다.

내화 케이블은 현재까지 사용전압 3kV 이하의 LV급 케이블에 집중되어 제품개발 및 소방법 제정이 진행되었으나, 실제 화재환경에서 인명과 재산 피해를 최소화하기 위해서는 내화 6/10kV급 MV케이블 및 통신 케이블 적용이 필요하고, 특히 통신 케이블에 대해서는 내화 케이블 사용에 대한 국내 법제화가 필요함을 본 논문을 통해 제안하고자 한다.