소방의 모든 것

제7편 고층건축물 소방시설 적용기준

⚬ 소방시설의 종류(소경피용활)

 1) 소화설비

 2) 경보설비

 3) 피난구조설비

 4) 소화용수설비

 5) 소화활동설비(제송살콘무연)

⚬ 특정소방대상물에 설치해야 할 소방시설 적용기준

 1) 소화기구 설치대상

  건축물의 연면적 33㎡ 이상

 2) 주거용주방자동소화장치 설치대상

  아파트 등 및 30층 이상 오피스텔 전층

 3) 옥내소화전설비 설치대상

  가. 건축물의 연면적 3,000㎡ 이상

  나. 가목에 해당하지 않는 근린생활시설, 판매시설, 운수시설, 의료시설, 노유자시설, 업무시설, 숙박시설, 위락시설, 공장, 창고시설, 장례시설, 복합건축물은 1,500㎡ 이상

  다. 지하가 중 터널로서 1,000m 이상

 4) 스프링클러설비 설치대상

  가. 층수가 6층 이상 전층

  나. 의료시설 중 종합병원, 병원, 치과병원, 한방병원 및 요양병원으로 사용되는 바닥면적 합계 600㎡ 이상 전층

 5) 간이스프링클러설비 설치대상

  가. 의료시설 중 종합병원, 병원, 치과병원, 한방병원 및 요양병원으로 사용되는 바닥면적 합계 600㎡ 미만

  나. 노유자 시설 중 노유자 생활시설은 전부

  다. 노유자 생활시설 외의 노유자 시설은 바닥면적 합계 300㎡ 이상 600㎡ 미만

 6) 물분무등소화설비

  가. 차고, 주차용 건축물 또는 철골 조립식 주차시설의 연면적 800㎡ 이상

  나. 건축물 내부에 설치된 차고 또는 주차장으로서 차고 또는 주차장 용도로 사용되는 부분의 바닥면적 200㎡ 이상

  다. 기계장치에 의한 주차시설 20대 이상

  라. 전기실·발전실·변절실·축전지실·통신기기실·전산실, 그 밖에 이와 비슷한 것으로서 바닥면적 300㎡ 이상

 7) 옥외소화전설비 설치대상

  가. 지상 1층 및 2층의 바닥면적의 합계가 9,000㎡ 이상

  나. 국보 또는 보물로 지정된 목조건축물 전부

 8) 비상경보설비 설치대상

  건축물의 연면적 400㎡ 이상

 9) 비상방송설비 설치대상

  가. 연면적 3,500㎡ 이상

  나. 지하층의 층수가 3층 이상 전부

  다. 지하층을 제외한 층수가 11층 이상 전부

 10) 자동화재탐지설비 설치대상

  가. 근린생활시설, 의료시설, 숙박시설, 위락시설, 장례시설 및 복합건축물 연면적 600㎡ 이상

  나. 공동주택, 문화 및 집회시설, 종교시설, 판매시설, 운수시설, 운동시설, 업무시설, 공장, 창고시설, 지하가 연면적 1,000㎡ 이상

  다. 교육연구시설, 수련시설, 동물 및 식물관련시설, 교정 및 군사시설 또는 묘지관련시설 연면적 2,000㎡ 이상

  라. 노유자 생활시설 전부

  마. 요양병원 전부

  바. 판매시설 중 전통시장 전부

 11) 자동화재속보설비

  가. 업무시설, 공장, 창고시설 바닥면적 1,500㎡ 이상

  나. 국보 또는 보물로 지정된 목조건축물 전부

 12) 상수도소화용수설비

  가. 건축물의 연면적 5,000㎡ 이상

  나. 가스시설로서 지상노출 탱크의 저장용량 합계 100톤 이상

 13) 제연설비

  가. 문화 및 집회시설, 종교시설, 운동시설로서 무대부의 바닥면적 200㎡ 이상, 영화상영관의 경우 수용인원 100인 이상

  나. 지하층이나 무창층에 설치된 근린생활시설, 판매시설, 운수시설, 숙박시설, 위락시설, 의료시설, 노유자시설 또는 창고시설로서 해당 용도로 사용되는 바닥면적 합계 1,000㎡ 이상

  다. 지하가로 연면적 1,000㎡ 이상

 14) 연결송수관설비

  5층 이상으로 연면적 6,000㎡ 이상

 15) 연결살수설비

  가. 판매시설, 운수시설, 창고시설 중 물류터미널로서 해당용도 사용되는 바닥면적의 합계 1,000㎡ 이상

  나. 지하층 바닥면적의 합계 150㎡ 이상

 16) 비상콘센트설비

  가. 층수가 11층 이상인 특정소방대상물의 11층 이상의 층

  나. 지하층의 층수가 3층 이상이고 지하층 바닥면적의 합계가 1,000㎡ 이상인 것은 지하층 전층

 17) 무선통신보조설비

  가. 지하층 바닥면적 합계 3,000㎡ 이상

  나. 지하층의 층수가 3층 이상이고 지하층의 바닥면적의 합계가 1,000㎡ 이상인 것은 지하층 전층

  다. 층수가 30층 이상인 특정소방대상물의 16층 이상의 층

 18) 연소방지설비

  지하구 전부

⚬ 수용인원의 산정방법

 1) 숙박시설이 있는 특정소방대상물

  - 침대가 있는 숙박시설 : 종사자의 수에 침대의 수(2인용 침대는 2인으로 산정)를 합한 수

  - 침대가 없는 숙박시설 : 종사자수에 숙박시설의 바닥면적의 합계를 3㎡로 나누어 얻은 수를 합한 수

 2) 위의 1)호 외의 특정소방대상물

  - 강의실·교무실·상담실·실습실·휴게실 용도로 쓰이는 특정소방대상물 : 바닥면적 합계를 1.9㎡로 나누어 얻은 수

  - 강당, 문화 및 집회시설, 운동시설, 종교시설 : 바닥면적 합계를 4.6㎡로 나누어 얻은 수

 3) 그 밖의 특정소방대상물 : 바닥면적 합계를 3㎡로 나누어 얻은 수

 4) 계단 및 화장실의 바닥면적을 포함하지 아니한다. 계산결과 1 미만의 소수는 반올림한다.

⚬ 임시소방시설을 설치하여야 하는 공사의 종류와 규모

 1) 소화기 : 건축허가등을 할 때 소방본부장 또는 소방서장의 동의를 받아야 하는 특정소방대상물의 건축·대수선·용도변경 또는 설치 등을 위한 공사 중 대통령령으로 정하는 작업현장

 2) 간이소화장치

  가. 연면적 3,000㎥ 이상

  나. 지하층, 무창층 또는 4층 이상의 층. 이 경우 해당 층의 바닥면적이 600㎥ 이상인 경우에만 해당

 3) 비상경보장치

  가. 연면적 400㎥ 이상

  나. 지하층, 무창층. 이 경우 해당 층의 바닥면적이 150㎥ 이상인 경우에만 해당

 4) 간이피난유도선 : 바닥면적이 150㎥ 이상인 지하층 또는 무창층의 작업현장에 설치

⚬ 임시소방시설과 기능 및 성능이 유사한 소방시설로서 임시소방시설을 설치한 것으로 보는 소방시설

 1) 간이소화장치를 설치한 것으로 보는 소방시설 : 옥내소화전 또는 대형소화기를 작업지점으로부터 25m 이내에 쉽게 보이는 장소에 6개 이상을 배치한 경우

 2) 비상경보장치를 설치한 것으로 보는 소방시설 : 비상방송설비 또는 자동화재탐지설비

 3) 간이피난유도선을 설치한 것으로 보는 소방시설 : 피난유도선, 피난구유도등, 통로유도등 또는 비상조명등

⚬ 소방시설기준 적용의 특례(소급적용 하여야 하는 소방시설) : 소방본부장이나 소방서장은 대통령령 또는 화재안전기준이 변경되어 그 기준이 강화되는 경우 기존의 특정소방대상물의 소방시설에 대하여는 변경 전의 대통령 또는 화재안전기준을 적용한다. 다만 다음의 어느 하나에 해당하는 소방시설의 경우에는 대통령령 또는 화재안전기준의 변경으로 강화된 기준을 적용한다.

 1) 소화기구·비상경보설비·자동화재속보설비·피난구조설비

 2) 다음 각 목의 지하구에 설치하여야 하는 소방시설

  가. 공동구

  나. 전력 또는 통신사업용 지하구

 3) 노유자시설, 의료시설에 설치하여야 하는 소방시설 중 대통령령으로 정하는 것

  가. 노유자시설에 설치하는 간이스프링클러설비, 자동화재탐지설비 및 단독경보형 감지기

  나. 의료시설에 설치하는 스프링클러설비, 간이스프링클러설비, 자동화재탐지설비 및 자동화재속보설비

⚬ 특정소방대상물의 소방시설 설치의 면제기준

⚬ 고층건축물과 초고층건축물의 정의

⚬ 고층건축물의 화재안전기준(옥내소화전설비 설치기준)

 1) 수원은 그 저수량이 옥내소화전의 설치개수가 가장 많은 층의 설치개수(5개 이상 설치된 경우에는 5개)에 5.2㎥(130L/min × 40min = 5200L = 5.2㎥)를 곱한 양 이상이 되도록 하여야 한다. 다만, 50층 이상인 건축물의 경우에는 7.8㎥(130L/min × 60min = 7800L = 7.8㎥)를 곱한 양 이상이 되도록 하여야 한다.

 2) 수원은 1)에 따라 산출된 유효수량 외에 유효수량의 3분의 1 이상을 옥상에 설치하여야 한다. 다만, 고가수조를 가압송수장치로 설치한 옥내소화전설비와 수원이 건축물의 최상층에 설치한 방수구보다 높은 위치에 설치한 경우는 그러하지 아니하다.

 3) 전동기 또는 내연기관을 이용한 펌프방식의 가압송수장치는 옥내소화전설비 전용으로 설치하여야 하며, 옥내소화전설비 주펌프 이외에 동등 이상인 별도의 예비펌프를 설치하여야 한다.

 4) 급수배관은 전용으로 하여야 한다. 다만, 옥내소화전설비의 성능에 지장이 없는 경우에는 연결송수관설비의 배관과 겸용할 수 있다.

 5) 50층 이상인 건축물의 옥내소화전 주배관 중 수직배관은 2개 이상으로 설치하여야 하며, 하나의 수직배관의 파손 등 작동 불능 시에도 다른 수직배관으로부터 소화용수가 공급되도록 구성하여야 한다.

 6) 비상전원은 자가발전설비, 축전지설비 또는 전기저장장치로서 옥내소화전설비를 40분 이상 작동할 수 있어야 한다. 다만, 50층 이상인 건축물의 경우에는 60분 이상 작동할 수 있어야 한다.

⚬ 고층건축물의 화재안전기준(스프링클러설비 설치기준)

 1) 수원은 스프링클러설비 설치장소별 스프링클러헤드의 기준개수에 3.2㎥(80L/min × 40min = 3200L = 3.2㎥)를 곱한 양 이상이 되도록 하여야 한다. 다만, 50층 이상인 건축물의 경우에는 4.8㎥(80L/min × 60min = 4800L = 4.8㎥)를 곱한 양 이상이 되도록 하여야 한다.

 2) 스프링클러설비의 수원은 1)에 따라 산출된 유효수량 외에 유효수량의 3분의 1 이상을 옥상에 설치하여야 한다. 다만, 고가수조를 가압송수장치로 설치한 스프링클러설비와 수원이 건축물의 지붕보다 높은 위치에 설치한 경우는 그러하지 아니하다.

 3) 전동기 또는 내연기관을 이용한 펌프방식의 가압송수장치는 스프링클러설비 전용으로 설치하여야 하며, 스프링클러설비 주펌프 이외에 동등 이상인 별도의 예비펌프를 설치하여야 한다.

 4) 급수배관은 전용으로 설치하여야 한다.

 5) 50층 이상인 건축물의 스프링클러설비 주배관 중 수직배관은 2개 이상으로 설치하고, 하나의 수직배관이 파손 등 작동 불능 시에도 다른 수직배관으로부터 소화용수가 공급되도록 구성되어야 하며, 각각의 수직배관에 유수검지장치를 설치하여야 한다.

 6) 50층 이상인 건축물의 스프링클러 헤드에는 2개 이상의 가지배관 양방향에서 소화용수가 공급되도록 하고, 수리계산에 의한 설계를 하여야 한다.

 7) 스프링클러설비의 음향장치는 스프링클러설비의 화재안전기준 제9조(음향장치 및 기동장치)에 따라 설치하되, 다음 기준에 따라 경보를 발할 수 있도록 하여야 한다.

  가. 2층 이상의 층에서 발화한 때에는 발화층 및 그 직상 4개층에 경보를 발할 것

  나. 1층에서 발화한 때에는 발화층·그 직상 4개층 및 지하층에 경보를 발할 것

  다. 지하층에서 발화한 때에는 발화층·그 직상층 및 기타의 지하층에 경보를 발할 것

 8) 비상전원을 설치할 경우 자가발전설비, 축전지설비 또는 전기저장장치로서 스프링클러설비를 40분 이상 작동할 수 있을 것. 다만, 50층 이상인 건축물의 경우에는 60분 이상 작동할 수 있어야 한다.

⚬ 고층건축물의 화재안전기준(비상방송설비 설치기준)

 1) 비상방송설비의 음향장치는 다음 각 목의 기준에 따라 경보를 발할 수 있도록 하여야 한다.

  가. 2층 이상의 층에서 발화한 때에는 발화층 및 그 직상 4개층에 경보를 발할 것

  나. 1층에서 발화한 때에는 발화층·그 직상 4개층 및 지하층에 경보를 발할 것

  다. 지하층에서 발화한 때에는 발화층·그 직상층 및 기타의 지하층에 경보를 발할 것

 2) 비상방송설비에는 그 설비에 대한 감시상태를 60분간 지속한 후 유효하게 30분 이상 경보할 수 있는 축전지설비(수신기에 내장하는 경우 포함) 또는 전기저장장치를 설치할 것

⚬ 고층건축물의 화재안전기준(자동화재탐지설비 설치기준)

 1) 감지기는 아날로그방식의 감지기로서 감지기의 작동 및 설치지점을 수신기에서 확인할 수 있는 것으로 설치하여야 한다. 다만, 공동주택의 경우에는 감지기별로 작동 및 설치지점을 수신기에서 확인할 수 있는 아날로그방식 외의 감지기로 설치할 수 있다.

 2) 자동화재탐지설비의 음향장치는 다음 각 목의 기준에 따라 경보를 발할 수 있도록 하여야 한다.

  가. 2층 이상의 층에서 발화한 때에는 발화층 및 그 직상 4개층에 경보를 발할 것

  나. 1층에서 발화한 때에는 발화층·그 직상 4개층 및 지하층에 경보를 발할 것

  다. 지하층에서 발화한 때에는 발화층·그 직상층 및 기타의 지하층에 경보를 발할 것

 3) 50층 이상인 건축물에 설치하는 통신·신호배선은 이중배선을 설치하도록 하고 단선 시에도 고장표시가 되며 정상 작동할 수 있는 성능을 갖도록 설비를 하여야 한다.

  가. 수신기와 수신기 사이의 통신배선

  나. 수신기와 중계기 사이의 신호배선

  다. 수신기와 감지기 사이의 신호배선

 4) 자동화재탐지설비에는 그 설비에 대한 감시상태를 60분간 지속한 후 유효하게 30분이상 경보할 수 있는 축전지설비(수신기에 내장하는 경우 포함) 또는 전기저장장치를 설치하여야 한다. 다만, 상용전원이 축전지설비인 경우에는 그러하지 아니하다.

⚬ 고층건축물의 화재안전기준(특별피난계단의 계단실 및 부속실 제연설비 설치기준)

 특별피난계단의 계단실 및 그 부속실 제연설비의 화재안전기준에 따라 설치하되, 비상전원은 자가발전설비 등으로 하고 제연설비를 유효하게 40분 이상 작동할 수 있도록 할 것. 다만, 50층 이상인 건축물의 경우에는 60분 이상 작동할 수 있어야 한다.

⚬ 고층건축물의 화재안전기준(연결송수관설비 설치기준)

 1) 연결송수관설비의 배관은 전용으로 한다. 다만, 주배관의 구경이 100㎜ 이상인 옥내소화전설비와 겸용할 수 있다.

 2) 연결송수관설비의 비상전원은 자가발전설비, 축전지설비 또는 전기저장장치로서 연결송수관설비를 유효하게 40분 이상 작동할 수 있어야 할 것. 다만, 50층 이상인 건축물의 경우에는 60분 이상 작동할 수 있어야 한다.

⚬ 초고층 및 지하연계 복합건축물 재난관리에 관한 특별법 시행령에 따른 피난안전구역의 소방시설

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제6편 연소·방화·방폭공학(2)

⚬ 폭발의 성립조건

  1) 가연성 가스, 증기 등이 공기 또는 산소와 혼합되어 연소범위에 있어야 한다.

  2) 개방공간 또는 밀폐공간에서의 가연성 혼합기를 형성하여야 한다.

  3) 발화온도 이상의 온도이어야 하며 최소점화에너지 이상의 에너지가 필요하다.

⚬ 폭발의 분류

  1) 기상폭발(화학적 폭발)

   가. 가스폭발 : 가연성가스와 지연성가스(공기 또는 산소)와의 혼합기체가 연소범위 내에서 발화원의 존재하에 폭발하는 경우이다. 충격파가 발생하지 않으면서 연소의 전파속도가 0.1~10㎧로 음속보다 느리게 이동하는 현상을 폭연(Deflagration)이라 하며, 충격파를 발생하면서 급격히 진행되는 연소로서 전파속도가 1,000~3,500㎧로 음속보다 빠르게 이동하는 현상을 폭굉(Detonation)이라 한다.

   나. 분무폭발 : 고압의 유압설비 일부가 파손되어 내부의 가연성 액체가 공기 중에 분출되어 이것이 미세한 액적이 되어 무상으로 공기 중에 존재할 때 착화에너지가 주어지면 발생한다.

   다. 분진폭발 : 분진이란 가연성 고체로서 기체 중에 부유하는 미세한 고체입자의 직격이 1 이상~ 1,000㎛ 이하인 것을 말하며, 분진폭발은 가연성 고체의 아주 작은 분말이 공기 중에 부유하고 있을 때 에너지가 주어지면 폭발하는 현상이다.

   라. 분해폭발 : 석유화학공업에서 다량으로 취급하는 에틸렌, 산화에틸렌이나 금속의 용접, 용단에 널리 사용되고 있는 아세틸렌 등이 분해하는 경우가 있고, 이때에는 상당히 큰 발열을 동반하기 때문에 분해에 의해 생성된 가스가 열팽창되고 이때 생성되는 압력 상승과 이 압력의 방출에 의해 지연성 가스 없이 폭발이 일어난다.

  2) 응상폭발

   가. 수증기폭발. : 고온의 용융금속이나 슬러그가 물속에 급속냉각 되었을 때 일시적으로 물은 과열상태가 되고 조건에 따라 순간적인 짧은 시간에 액상에서 기상으로 상변화가 일어나서 급격한 비등에 의한 폭발현상이 나타나게 되는 현상

   나. 과열액체 증기폭발 : 보일러와 같이 고압의 포화수를 저장하고 있는 용기가 파손 등의 원인으로 동체의 일부분이 열리면 용기 내압이 급속히 하락되여 일부 액체가 급속히 기화하면서 증기압이 급상승하여 용기가 파괴되면서 폭발하는 현상

   다. 액화가스의 증기폭발 : LPG는 메탄, 에탄, 프로판 등의 탄화수소의 저온액화 가스로 상온의 물 위에 유출될 때 조건에 따라 급격한 기화에 의한 비등현상을 나타내는 것으로 액상에서 기상으로 급격한 상변화에 의한 현상

   라. 전선폭발 : 고상에서 급격히 액상을 거쳐 기상으로 전이할 때도 폭발현상이 일어난다. 알루미늄제 전선에 한도 이상의 대전류가 흘러 순식간에 전선이 가열되고 용융(850℃)과 기화가 급속하게 진행되어 폭발을 일으켜 피해를 주는 경우도 있다.

   마. 고체상태 간의 전이에 의한 폭발 : 고체인 무정형 안티몬이 동일한 고체상의 안티몬으로 전이할 때에 발열함으로써 주위의 공기가 팽창하여 폭발현상을 나타내는 것을 말한다.

   바. 감압폭발 : 고도의 감압상태에 있는 용기의 일부가 파손되면 외기가 급속히 유입되고 큰 폭음과 함께 파편이 주위로 비산하면서 폭발하는 현상

⚬ 가스폭발에 영향을 주는 변수

  1) 주위온도

  2) 주위압력

  3) 폭발범위

  4) 인화점 및 연소점

  5) 최소산소농도

  6) 불활성가스

  7) 가연성 물질의 양

  8) 착화지연 시간

  9) 폭발성 물질의 조성

  10) 가연성 물질의 유동상태 : 난류

  11) 주위의 기하학적 조건 : 개방 또는 밀폐

  12) 착화원의 성질 : 형태, 에너지, 지속시간

⚬ 증기운 폭발(UVCE)

  대기 중에 대량의 가연성 가스 또는 가연성 액체가 유출하여 그것으로부터 발생하는 증기가 공기와 혼합해서 가연성 혼합기체를 형성하고 발화원에 의하여 발생하는 폭발을 “증기운 폭발”이라 부른다. 개방된 대기 중에서 발생하기 때문에 자유공간 중의 증기운 폭발로서 UVCE(Unconfined Vapor Cloud Explosion)라고 한다.

  1) 폭발이 일어나는 단계

   가. 다량의 가연성 증기의 급격한 방출, 일반적으로 이러한 현상은 과열로 압축된 액체의 용기가 파열될 때 일어난다.

   나. 증기가 분산되어 주변 공기가 혼합되어 연소범위 내에 있다.

   다. 증기운의 점화가 일어난다.

  2) 증기운 폭발의 특징

   가. 증기운의 크기가 증가하면 점화확률이 높아진다.

   나. 증기운의 재해는 폭발보다 화재가 일반적이다.

   다. 폭발효율을 BLEVE(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion)보다 적다.

  3) 일반적인 방지대책

   가. 물질의 방출을 막는다.

   나. 휘발성 물질이나 가연성 물질의 취급 시 재고량을 낮게 유지한다.

   다. 아주 낮은 농도에서 누설을 감지할 수 있는 검지기를 사용하여 가스누설 여부를 확인한다.

   라. 만약 누설 시 초기단계에서 시스템이 자동적으로 중지할 수 있는 자동차단밸브를 설치한다.

⚬ 비등액체팽창증기폭발(BLEVE)

  가스저장탱크 지역의 화재발생 시 화재의 주변에 있는 저장탱크가 가열되어 탱크 내 가스부분은 온도상승과 비례하여 탱크 내 압력의 급격한 상승을 초래하게 된다. 탱크가 계속 가열되어 용기강도는 저하되면 파열되고 이때 내부의 가열된 비등상태의 액체가 기화하면서 팽창하여 설계압력을 초과하게 되고 탱크가 파괴되어 화구(Fire Ball)를 형성하며 급격한 폭발현상을 일으키는 것을 비등액체팽창증기폭발(BLEVE : Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion)라 한다.

  1) 파이어볼(Fire Ball)

   파이어볼이라는 것은 액화가스 탱크가 폭발하면서 플래시(Flash)증발을 일으켜 가연성 액체 및 기체 혼합물이 대량으로 분출된다. 이것이 발화하면 지면에 반구상으로 화염을 형성한 후 부력으로 상승함과 동시에 주변의 공기를 말아 올려 화염이 구상으로 변화되면서 버섯형태의 화재를 만드는 것을 말한다.

  2) BLEVE가 일어나기 위한 조건

   가. 가연성 액체 또는 가스가 밀폐계 내에 존재하여야 한다.

   나. 화재 등의 원인으로 인하여 가연물이 비점 이상 가열되어야 한다.

   다. 저장탱크의 기계적 강도 이상 압력이 형성되어야 한다.

   라. 파열이나 균열 등에 의하여 내용물이 대기 중으로 방출되어야 한다.

  3) BLEVE에 영향을 주는 인자

   가. 저장된 물질의 종류와 형태

   나. 저장용기의 재질

   다. 내용물의 물리적 역학상태

   라. 주위온도와 압력상태

   마. 내용물의 인화성 및 독성 여부

  4) BLEVE의 예방대책

   가. 용기 내의 압력 상승방지를 위한 감압시스템에 의해 압력을 내려준다.

   나. 탱크외벽의 단열조치, 탱크의 지하시설, 탱크표면에 냉각살수 장치 설치, 화염차단의 목적으로 긴급이송하여 화염으로부터 탱크로의 입열을 억제한다.

   다. 액상과 기상부분의 열전도도가 좋은 물질을 설치(알루미늄 합금박판)한다.

   라. 방유제를 경사지게 하여 집액부에 화재가 발생하였을 때 화염이 직접 탱크에 접하지 않도록 한다.

⚬ TNT 당량

  1) 폭약(TNT)이 폭발할 때 폭발에너지 등 폭발특성은 실험에 의해 측정되어 다른 물질의 폭발특성치도 TNT와 비교하여 TNT 양으로 환산하면 편리하다.

  2) 어떤 물질이 폭발할 때 발생되는 에너지와 동일에너지를 나타내는 TNT 중량은 다음과 같다.

⚬ 폭발 제어시스템의 기본 개념

  1) 위험한 환경의 제어(불활성화)

   가. 질소, 이산화탄소 등 불활성가스로 희석하여 가연성 혼합기 형성을 회피한다.

   나. 산소농도를 최소산소농도(MOC) 이하로 낮춘다.

   다. 불활성화(Inerting) : 인화성 가스의 MOC는 10%, 분진의 MOC는 8%, 설계 시 불활성화는 MOC 보다 4% 이상 낮게 설계한다.

  2) 발화원의 제거

  3) 방폭기기 설치

   가. 폭발이 일어날 수 있는 곳에 불꽃이나 폭발에 견디는 전기설비 설치

   나. 본질안전 방폭구조 등

⚬ 폭발진압 및 보호시스템

  1) 봉쇄(Containment)

   가. 장치나 건물이 폭발압력에 견디도록 충분히 강하게 제작

   나. 종류 : 압력용기, 방폭벽, 차단물, 방폭 큐비클

  2) 차단(Isolation)

   가. 폭발이 다른 곳으로 전파될 때 자동적으로 차단할 수 있는 설비

   나. 초고속 검지설비와 차단밸브

  3) 불꽃방지기(Flame Arrestor)

   가. 불꽃이 인화성 가스나 증기-공기 혼합물로의 전파방지설비

   나. 가스나 증기가 통과할 수 있는 좁은 망 설치

   다. 불꽃이 작은 불꽃으로 세분화되어 소화

   라. 금속망형, 금속판형

  4) 폭발억제(Explosion Suppression)

   가. 파괴적인 압력이 발달하기 전에 인화성 분위기 내로 소화약제를 고속분사

   나. 자동폭발 억제설비로 진압

   다. 구성 : 검출기, 약제 및 추진제, 방출기구, 제어기구

  5) 폭발배출(Explosion Venting)

   가. 위험한 장치나 작업은 옥외, 별도의 건물 또는 건물 내 내압벽으로 구획된 장소 등으로 폭발을 적절하게 배출

   나. 최상층에 위치, 배출구 설치 등 폭발위험장치

   다. 벽체의 강도보다 약하게 파열판 설치

  6) 안전거리 유지

⚬ 위험장소 분류

  1) 0종 장소 : 지속적 폭발 또는 장기간 계속해서 발생할 우려가 있는 장소

   가. 인화성액체의 용기 또는 탱크 내의 액면 상부의 공간부

   나. 가연성 가스용기, 탱크의 내부 등

  2) 1종 장소 : 정상상태 하에서 간헐적으로 폭발이 발생할 우려가 있는 장소

   가. 탱크로리 등에 인화성액체 충전 시 개구부 부근

   나. 릴리프밸브가 작동하여 가연성가스 또는 증기를 방출하는 경우 밸브 부근

   다. 탱크류 벤트 부근

   라. 위험성가스가 누출할 우려가 있는 장소 내에 가스가 체류할 수 있는 피트 부근

  3) 2종 장소 : 이상상태에서 폭발이 발생할 우려가 있는 장소

   가. 가연성 가스 또는 인화성 가스의 용기류가 부식, 열화 등에 의하여 파손하여 가스 또는 액체가 누출할 우려가 있는 장소

   나. 운전원의 오조작으로 가스 또는 액체가 방출될 우려가 있는 장소

   다. 이상반응으로 고온, 고압이 되어 장치를 파손하여 가스 또는 액체가 분출할 우려가 있는 장소

   라. 강제 환기장치의 고장으로 가스 또는 증기가 외부에서 침임되어 위험 분위기를 생성할 우려가 있는 장소

⚬ 방폭구조의 분류

  1) 압력방폭구조

   가. 용기 내부에 보호기체(질소 등의 불연성 기체)를 압입하여 내부 압력을 유지함으로써 폭발성 가스 또는 증기가 침입하는 것을 방지하는 구조

   나. 대상기기 : 전기기기의 접점류, 개폐기, 변압기, 전동기, 계측기, 조명기구 등 아크 발생 모든 전기기기

   다. 사용장소 : 1종, 2종 장소

  2) 유입방폭구조

   가. 전기기기의 불꽃, 아크 또는 고온이 발생하는 부분을 기름 속에 넣어 기름면 위에 존재하는 폭발성 가스 또는 증기에 인화될 우려가 없도록 한 구조

   나. 대상기기 : 전기기기의 접점류, 개폐기, 변압기, 전동기, 계측기, 조명기구 등 아크 발생 모든 전기기기

   다. 사용장소 : 1종, 2종 장소

  3) 안전증방폭구조

   가. 정상운전 중에 폭발성 가스 또는 증기에 점화원이 될 전기불꽃 및 고온부 등의 발생을 방지하기 위하여 기계적·전기적 구조상 또는 온도 상승에 대해서 특히 안전도를 증가

   나. 대상기기 : 안전증 변압기, 안전증 접촉단자, 안전증 측정계기

   다. 사용장소 : 2종 장소

  4) 본질안전방폭구조

   가. 정상 시 및 사고 시(단선, 단락, 지락 등)에 발생하는 전기불꽃, 아크 또는 고온에 의하여 폭발성 가스 또는 증기에 점화되지 않는 것이 점화시험 등에 의하여 확인된 구조

   나. 대상기기 : 측정 및 제어장치, 미소전력 회로

   다. 사용장소 : 0종, 1종, 2종 장소

  5) 내압방폭구조

   가. 전폐구조로 용기 내부에서 폭발성 가스 또는 증기가 폭발했을 때 용기가 그 압력에 견디며 또한 접합면, 개구부 등을 통해 외부의 폭발성가스에 인화될 우려가 없도록 한 구조

   나. 대상기기 : 전기기기의 접점류, 개폐기, 변압기, 전동기, 계측기, 조명기구 등 아크 발생 모든 전기기기

   다. 사용장소 : 1종, 2종 장소

⚬ 위험장소 분류 및 방폭구조 표시방법

  1) 위험장소 분류

  2) 방폭구조 표시방법

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제6편 연소·방화·방폭공학(1)

⚬ 연소의 정의 : “물질이 격렬한 산화반응을 함으로써 열과 빛을 발생하는 현상”이다. 조금 더 학술적으로 정의하면 “가연성 물질과 산소와의 혼합계에서 산화반응에 따른 발열량이 그 계로부터 방출되는 열량을 능가함으로써 그 계의 온도가 상승하여 열복사선의 파장 강도가 빛으로서 육안에 감지되는 것”이라 정의할 수 있다.

⚬ 연소의 3요소(가산점) : 가연성물질, 산소, 점화에너지

⚬ 연소의 4요소 : 가연성물질, 산소, 점화에너지, 화학적인 연쇄반응

⚬ 불연성 물질

  1) 불활성 기체 : 헬륨, 네온, 아르곤 등

  2) 산소와 화학반응을 일으킬 수 없는 물질 : 물, 이산화탄소 등

  3) 흡열반응 하는 물질 : 질소 또는 질소산화물

  4) 자체가 연소하지 않는 물질 : 돌, 흙

⚬ 가연성 물질의 구비조건

  1) 산소와의 친화력이 크다

  2) 활성화에너지가 작다(작은 에너지로 불이 잘 붙어야 한다)

  3) 열전도율이 작다

  4) 연소열이 크다

  5) 비표면적이 크다

  6) 건조도가 높다

⚬ 산소공급원

  1) 공기 중에 산소는 약 21vol% 존재한다.

  2) 산화성물질

⚬ 자연발화 : 외부에서 에너지를 공급받지 않고 자체적으로 온도가 상승하여 발화하는 현상

  1) 분해열 : 셀룰로이드, 니트로셀룰로오스

  2) 산화열 : 석탄, 건성유

  3) 발효열 : 퇴비

  4) 흡착열 : 목탄, 활성탄

  5) 중합열 : 시안화수소, 산화에틸렌

⚬ 연쇄반응 : 물질이 활성화된 상태 라디칼, 극도로 불안정한 과도기적 물질로서 주변의 분자와 반응하여 공격하려는 성향, 즉 반응성이 매우 강하다.

⚬ 한계산소농도(한계산소지수) : 14~15vol%

⚬ 연소범위

  1) 연소범위 : 가연성 기체가 공기 중에 섞여 가연성혼합기를 만드는데 이때 이 혼합기의 농도가 적정한 농도범위 내에 있어야만 연소가 발생할 수 있다.

  2) 연소하한계와 연소상한계 : 공기 중에서 가연성기체의 수가 너무 적어서 연소가 발생할 수 없는 한계를 연소하한계라고 하며, 반대로 가연성기체의 수가 너무 많아서 연소가 발생할 수 없는 한계를 연소상한계라고 한다. 즉, 가연성기체가 공기 중에 섞여 가연성혼합기를 형성하여 연소가 발생되기 위해서는 가연성기체 농도는 연소하한계와 연소상한계 사이의 농도로 유지되어 있고 점화원을 만나는 경우에 연소 또는 폭발이 일어난다.

⚬ 연소의 형태

  1) 고체의 연소

   가. 분해연소 : 가연성고체가 열분해하면서 가연성증기가 발생하여 연소하는 현상으로 고체의 가장 일반적인 연소형태이다.

    (예) 목재, 종이, 석탄 등

   나. 증발연소 : 고체가 열에 의해 융해되면서 액체가 되고 이 액체의 증발에 의해 가연성증기가 발생하는 경우이다.

    (예) 고체파라핀(양초), 황, 열가소성수지(열에 의해 녹는 플라스틱) 등

   다. 표면연소(작열연소, 무염연소) : 열분해에 의해 증기가 될 수 있는 성분이 없는 고체의 경우 고체가 표면에서 산소와 직접 반응하여 적열되면서 화염 없이 연소하는 형태가 표면연소이다.

    (예) 숯, 코크스, 금속(마그네슘 등), 목재의 말기연소 등

   라. 자기연소 : 분자 내에 산소를 함유하고 있어서 열분해에 의해 가연성증기와 산소를 동시에 발생시키는 물질은 자기연소를 한다. 외부로부터 산소 공급을 필요로 하지 않으며, 폭발적으로 연소하는 경우가 많다.

    (예) 자기반응성물질(제5류 위험물). 폭발성물질

  2) 액체의 연소

   가. 증발연소 : 가연성액체가 자체의 열이나 외부 에너지로 증발하여 가연성증기가 만들어지고 이것이 공기와 혼합되면서 연소범위 내의 농도 영역에서 화염을 발생시키는 일반적인 연소형태로서 대부분의 액체가 증발연소이다.

   나. 분해연소 : 액체 중 분자량이 커 비점과 점도가 높은 물질로부터 가연성 증기가 만들어지는 과정은 ‘증발’이라는 물리적인 변화가 아니고 ‘분해’라는 화학적 변화(반응)이다. 분해연소는 흔치않은 액체의 연소형태로서 글리세린, 중유 등이 대표적이 예이다.

  3) 기체의 연소

   가. 확산연소 : 분출되어지는 기체가 공기 중으로 확산하여 공기와 가연성기체가 혼합하면서 연소범위 농도의 영역에서 화염을 발생시키는 연소를 확산연소라 한다.

   나. 예혼합연소 : 가연성기체와 공기를 미리 연소범위 내의 농도로 혼합한 상태에서 노즐을 통해 공급하여 연소시키는 것을 예혼합연소라고 한다.

⚬ 연소의 특성

  1) 인화점 : 점화에너지에 의해 화염이 발생하기 시작하는 온도

  2) 연소점 : 발생한 화염이 꺼지지 않고 지속되는 온도, 5초 이상 연소상태가 유지되는 온도

  3) 발화점 : 외부로부터의 직접적인 에너지 공급 없이 물질 자체의 열 축적에 의하여 착화가 되는 최저 온도

⚬ 화재의 분류

  1) 일반화재(A급화재) : 연소 후 재를 남기며 보통화재라고 불리며 수용액으로 소화를 할 수 있다

  2) 유류화재(B급화재) : 연소 후 재를 남기지 않으며, 소화를 위해서는 포 등을 이용한 질식소화가 적응성이 있다.

  3) 전기화재(C급화재)

  4) 금속화재(D급화재)

  5) 주방화재(K급화재)

⚬ 완전연소와 불완전연소

  1) 완전연소 : 가연성 물질이 산소공급이 충분하여 미반응 없이 모두 연소하는 것으로서 탄화수소의 경우는 완전연소의 결과로 수증기(H₂O)와 이산화탄소(CO₂)만 발생한다.

  2) 불완전연소 : 가스 연소 시 연소생성물을 포함한 배기가스(가연성 성분)가 공급가스와의 산화반응을 완전히 완료하지 않으므로 일산화탄소, 그을음, 알데하이드, 카본 등의 미연소물이 생기는 것과 같은 상태를 불완전연소라 한다.

⚬ 연소 시 발생되는 이상현상

  1) 역화(Back Fire, Flash back) : 가연성 가스의 연소시 노즐에서 혼합가스의 방출속도가 연소속도보다 늦어질 때 발생하며 버너 내부에서 연소를 계속하는 현상으로 발생 원인은 다음과 같다.

   가. 가연성 가스의 양이 적을 때

   나. 노즐구멍의 확대 또는 노즐이 부식되었을 때

   다. 버너가 과열되었을 때

   라. 이물질이 가스 내에 함유되었을 때 발생한다.

  2) 선화(Lift) : 역화의 반대현상으로 가연성 가스의 연소시 노즐에서 혼합가스의 방출속도가 연소속도보다 클 때 불꽃이 노즐에서 떨어져 연소하는 현상으로 발생 원인은 다음과 같다.

   가. 노즐의 축소

   나. 방출되는 가스량의 과다

   다. 1차 공기량이 많을 때 발생한다.

  3) 블로우오프(Blow Off)

   가. 가스의 방출속도가 크거나 공기의 유동이 너무 강하여 불꽃이 노즐에서 정착하지 않고 떨어지게 되어 꺼져 버리는 현상

   나. 선화(Lift)현상을 계속 유지하다 혼합가스의 방출속도가 크거나 공기유동이 너무 강하면 불꽃이 노즐에서 정착하지 않고 떨어져서 꺼지는 현상

⚬ 현열(Sensible Heat) : 물질의 상태 변화는 없고 온도를 변화시키기 위해 필요한 열량을 말하며, 다음의 식에 의해 표현된다.

⚬ 잠열(Latent Heat) : 물질의 상태변화는 있고 온도변화가 없을 때 상태변화에 필요한 열량을 말한다. 물질이 고체에서 액체로 변할 때 필요한 열량을 융해잠열이라 하고 액체에서 기체로 변할 때 필요한 열량을 기화(증발)잠열이라 한다. 대기압에서 물의 융해잠열은 80㎉/㎏이며 기화(증발)잠열은 539㎉/㎏이다. 이러한 잠열은 다음 식에 의해 표현된다.

⚬ 비열(Specific Heat)

  1) 비열은 1㎏의 물체를 1℃ 만큼 상승시키는 데 필요한 열량[㎉]을 말한다. 단위로는 ㎉/㎏·℃ 이다.

  2) 비열은 어떤 물질을 위험 및 안전한 온도로 올리거나 내리는 데 필요한 열량을 나타내는 비교척도로 이용된다.

  3) 일반적으로 물질마다 비열은 다르나 물 이외의 다른 물질의 비열은 1㎉/㎏·℃보다 작다. 물이 소화약제로 사용되는 이유 중의 하나가 다른 물질에 비해 비열이 크기 때문이며 이러한 이유로 냉각효과가 뛰어나다.

⚬ 연소가스의 종류 및 유해성

  1) 일산화탄소(CO) : 일산화탄소가 혈액 중의 산소 운반물질인 헤모글로빈보다 산소와 결합하는 능력이 약 200배 이상 높기 때문에 산소와 헤모글로빈과의 결합을 방해하게 된다. 결과적으로 헤모글로빈에 의한 산소의 운반과 탄산가스의 배출작용이 방해받게 되어 사람에게 질식과 같은 상태를 유발한다. 일반적으로 일산화탄소는 낮은 농도에서도 매우 위험하며 4000ppm의 농도에 1시간 이내로 노출되면 사망에 이르게 된다.

  2) 이산화탄소(CO₂)

   가. 이산화탄소 그 자체는 일산화탄소처럼 인체에 대해 생화학적 영향을 줄 정도의 유독성을 가진 것은 아니지만 화재 시 대량으로 발생함으로써 공기 중의 산소 부족에 따른 질식으로 죽음에 이르게 할 수 있다.

   나. 실제 화재 시에는 이산화탄소의 농도증가에 따라 호흡속도가 빨라짐으로써, 함께 존재하는 유독성 가스의 흡입률이 증가하기 때문에 위험은 더욱 가속화된다.

   다. 대체로 농도의 9% 정도 되는 이산화탄소의 속에서는 거의 모든 사람이 10분 이내에 의식을 잃게 되고, 그 이상의 농도가 되면 의식을 상실하는 시간도 단축된다.

   라. 약 20%의 농도에서 의식을 잃은 사람은 신속한 조치를 취하지 않는 한 대게 20~30분 내에 사망하게 된다. 약 20% 농도는 특별한 전문의학적 조치에 의하지 아니하더라도 일상적인 방법으로 공기를 충분히 호흡시켜(때로는 인공호흡) 인명 소생을 가능케 할 수 있는 한계농도라고 볼 수 있다.

  3) 암모니아(NH₃) : 암모니아는 눈, 코, 인후 및 폐에 매우 자극성이 큰 유독성 가스로서 사람들이 본능적으로 피하고자 할 정도로 역한 냄새가 난다.

  4) 시안화수소(HCN) : 맹독성의 유독가스로서 대체로 0.3% 이상의 농도에서는 거의 즉사한다. 목재나 종이류가 탈 때는 공기 중의 질소가 탄소와 결합하면서 생성되기도 하지만, 주로 질소 함유물로 제조되는 수지류, 모직물 및 견직물이 불완전 연소되어 발생된다.

  5) 염화수소(HCl) : PVC와 같이 염소가 함유된 수지류가 탈 때 주로 생성되며, 자극적인 냄새와 금속에 대한 강한 부식성이 있다.

  6) 황화수소(H₂S) : 고무, 동물의 털과 가죽 및 고기 등과 같은 물질에는 황 성분이 포함되어 있어, 화재 시에는 이들의 불완전연소로 인해 황화수소가 발생한다. 황화수소는 썩은 달걀에서 나는 것과 같은 특유한 냄새가 있어 쉽게 감지할 수 있으나 0.02% 이상의 농도에서는 후각이 바로 마비되기 때문에 불과 몇 회의 호흡만으로도 전혀 냄새를 맡을 수 없게 되므로 처음 감지되면 바로 방호조치를 취하여야 한다.

  7) 아황산가스(SO₂) : 황화수소의 경우처럼 황이 함유된 물질이 연소하는 화재 시에 발생된다. 황화수소의 경우와 달리 황이 완전히 산화될 때 생성된다. 아황산가스는 자극성이 있어 눈 및 호흡기 등의 점막을 상하게 하기 때문에 약 0.05%의 농도에 단시간 노출되어도 위험하다.

  8) 이산화질소(NO₂) : 이산화질소의 독성은 매우 커서 대체로 200~270ppm 정도의 농도에 잠시 노출되기만 해도 인체에 치명적이다. 이산화질소는 질산셀룰로이즈가 연소 또는 분해될 때 생성되며, 질산염 계통의 무기물질이 포함된 화재에서도 발견된다. 이산화질소를 흡입하면 즉각 인후의 감각신경이 마비되어 그 존재여부를 깨닫지 못하는 경우가 많으므로 주의를 요한다.

⚬ 열전달 방식

  1) 전도 : 가늘고 긴 금속막대의 한 끝을 불꽃으로 가열하면 불꽃이 닿지 않은 다른 부분에서 열이 전달되어 점점 뜨거워진다. 이와 같은 열의 이동은 전도에 의한 것이다. 단위시간에 전도에 의해 전달되는 열은 다음의 식으로 표현할 수 있다.

  2) 대류 : 기체 혹은 액체와 같은 유체의 흐름에 의하여 열이 전달되는 현상이다.

  3) 복사

   가. 화재 시 열의 이동에 가장 크게 작용하는 열 이동방식으로 모든 물체의 온도 때문에 열에너지를 파장의 형태로 계속적으로 방사하며, 그렇게 방사하는 에너지를 열복사라고 한다.

   나. 햇볕을 쬐면 따뜻한 것은 복사열을 받기 때문이다.

   다. 복사체로부터 방사되는 복사열은 복사체의 단위 표면적당 방사열로 정의하여 정량적으로 파악하게 되는데, 그 양은 복사표면의 절대온도의 4승에 비례한다. 이것을 스테판-볼츠만(Stefan-Boltzmann) 법칙이라고 하며 다음과 같은 식으로 나타내어진다.

⚬ 화재의 양상

  1) 초기

  2) 성장기

  3) 플래시오버 : 화염에서 발생한 복사열에 의해 내장재나 가구 등이 일시에 발화점에 이르러 가연성 가스가 축적되면서 일순간에 폭발적으로 전체가 화염에 휩싸이는 현상이며 온도는 약 800~900℃가 된다. 플래시오버 현상의 영향조건으로는 화원의 크기, 가연성이 있는 내장재의 종류, 개구부의 조건에 따라 달라진다.

  4) 최성기

  5) 감쇠기(감퇴기)

⚬ 백드래프트(Back draft) : 문을 개방할 때 신선한 공기가 유입되어 실내에 축적되었던 가연성가스가 단시간에 폭발적으로 연소함으로써 화염이 폭풍을 동반하여 실외로 분출되는 현상을 말하며 연기폭발이라고도 한다. 백드래프트는 농연의 분출, 파이어볼(fire ball)의 형성, 건물 벽체의 도괴 등의 현상을 수반한다.

⚬ 화재강도와 화재하중

  1) 화재강도 : 단위시간당 축적되는 열의 값으로서, 가연물의 비표면적이 클수록 연소가 용이하며 가연물의 연소열 값이 클수록 화재강도는 크게 된다.

  2) 화재하중 : 일반건축물에서 가연성 건축구조재와 수요물의 양을 말한다. 건물화재 시 가열온도(발열량) 및 화재의 위험성을 나타내는 것으로 내장재 발열량이 클수록 화재하중이 크다. 즉, 화재하중은 실내장식물 등에 대한 화재의 위험도를 나타낸다고 할 수 있으며, 내장재의 불연화가 화재하중을 감소시키는 것이라 할 수 있다.

⚬ 환기지배형 화재 및 연료지배형 화재 특징

⚬ 연소 조건에 따른 분류

  1) 제거소화 : 가연물을 제거하여 연소현상을 제어하는 소화법, 즉 가연물과 화원을 격리시킴으로써 연소를 중단시키는 방법이다. 적용 예로는 가스화재에서 밸브를 잠금으로써 연소를 중지시키는 방법, 산림화재에서 화염진행방향의 나무 등의 가연물을 미리 제거하는 방법이 있다.

  2) 질식소화 : 연소의 3요소 중 하나인 산소 농도를 21%에서 15% 이하로 떨어트려 불을 끄는 방법이다. 적용 예로는 유류화재에서 폼(Foam)으로 유류표면을 덮어서 불을 끄는 것, 이산화탄소 등 불활성가스의 방출로 화재를 제어하는 것, 발화초기에 담요나 모래 등으로 덮어서 불을 끄는 것 등이 있다.

  3) 냉각소화 : 연소가 진행되고 있는 계의 열을 빼앗아 온도를 낮춰서 불을 끄는 방법이다. 가연물의 온도가 인화점 이하로 떨어지면 열분해나 증발에 의해서 발생하던 가연성증기의 농도가 연소범위의 하한계 아래로 떨어짐으로써 연소는 제어된다. 대표적으로 물이 주로 사용되는데, 물은 자신의 온도를 높이기 위해 필요한 열량인 비열이 1㎉/㎏·℃, 액체에서 기체로 증발할 때 필요한 열량인 증발열(잠열)이 539㎉/㎏·℃로 매우 높아서 냉각소화의 목적을 달성하는데 유용한 물질이다.

  4) 억제소화 : 화염이 발생하는 연소반응을 주도하는 라디칼을 제거하여 연소반응을 중단시키는 방법이다. 제거소화, 질식소화, 냉각소화는 모두 물리적 작용에 의한 소화방법이지만 억제소화는 화학적 작용에 의한 소화방법이다.

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제5편 소방 기초이론(2)

※ 참고적으로 모바일로 보는 경우 일부 수식이 안보입니다. PC에서만 수식이 정상적으로 보입니다. 이유에 대해서는 알아보고 해결하도록 하겠습니다.

⚬ 전압, 전류, 저항, 전력

  1) 전압 (V) : 전기장이나 도체 내에 있는 두 점 사이의 전위의 차[V]

  2) 전류 (I) : 전기 회로 내 전압에 의한 전기의 이동[A]

  3) 저항 (R) : 전류가 흐르는 동안 전류의 흐름을 방해하는 작용[Ω]

  4) 전력 (P) : 단위 시간 동안의 전기 에너지[W = J/s]

   $ P = VI = I^2R = \dfrac {V^2}{R} $

⚬ 옴의 법칙(Ohm's Law) : 회로에 흐르는 전류는 가해준 전압에 비례하고 회로의 저항에 반비례함을 말하는 것으로, 같은 전압을 가해준 상태에서도 부하의 저항값에 의해 회로에 흐르는 전류가 다르게 나타난다.

   $ I = \dfrac {V}{R} [A] $

  여기서, I : 전류[A], V : 전압[V], R : 저항[Ω]

⚬ 줄의 법칙(Joule’s Law) : 전기에서 회로의 저항이 전기에너지를 열에너지로 변환하는 비율에 관한 수학적 표현

  W = I² R t [J] = 0.24 I² R t [cal]

⚬ 키르히호프의 법칙(Kirchhoff's law)

  1) 제1법칙(전류평형의 법칙)

   가. 유입된 전류의 합은 유출된 전류의 합과 같다.

    Σ 유입전류 = Σ 유출전류

     I₃ = I₁ + I₂

   나. 임의의 도선 접속점에 유입하는 전류의 합은 0이다.

    Σ I = 0

  2) 제2법칙(전압평형의 법칙) : 임의의 폐회로에서 어느 한 방향으로 취한 전압상승의 대수합은 그 회로에서의 전압강하의 대수합과 같다.

   Σ 기전력(전압상승) = Σ 전압강하

⚬ 직류(DC : Direct Current)와 교류(AC : Alternating Current)의 차이

⚬ 단상 교류회로

  1) 단상 교류회로 기초

   가. 각도 : 180˚ = π [rad]

   나. 회전각 : θ = ωt [rad]

   다. 각속도 : 회전체가 1초 동안에 회전한 각도, 기호는 ω, 단위는 [rad/s]

   라. 주기 : 1사이클의 변화에 요하는 시간, 기호는 T, 단위는 [s], T = 2π/ω = 1/f [s]

   마. 주파수 : 1초 동안에 반복되는 사이클의 수. 기호는 f, 단위는 헤르츠[Hz], f=1/T [Hz], ω = 2π/T = 2πf [Hz]

   바. 위상 : 주파수가 동일한 2개 이상의 교류가 존재할 때 상호 간의 시간적인 차이. 각속도로 표현, θ = ωt [rad]

  2) 단상 교류회로의 크기

⚬ 3상 교류회로

  1) 3상 교류회로 기초

   가. 3상 교류 : 주파수가 동일하고 위상이 2π/3[rad] 만큼씩 다른 3개의 파형

   나. 상(phase) : 3상 교류를 구성하는 각 단상 교류

   다. 상순 : 3상 교류에서 발생하는 전압들이 최댓값에 도달하는 순서

  2) 3상 교류회로의 크기

   가. 3상 교류의 순시값

   $ V_a = \sqrt{2}V \sin ωt[V] $

   $ V_b = \sqrt{2}V \sin (ωt - \dfrac {2π}{3}) [V] $

   $ V_c = \sqrt{2}V \sin (ωt - \dfrac {4π}{3}) [V] $

   나. 대칭 3상 교류 : 크기가 같고 서로 2π/3[rad] 만큼의 위상차를 가지는 3상 교류

  3) 3상회로의 결선

   가. 결선방법

    ① Y결선 : 전원과 부하를 Y형으로 접속하는 방법. 성형 결선

    ② Δ결선 : 전원과 부하를 Δ형으로 접속하는 방법. 삼각 결선

   나. Y결선과 전압

    ① 상전압 : 각 상에 걸리는 전압

    ② 선간전압 : 부하에 전력을 공급하는 선들 사이의 전압

    ③ 상전압과 선간전압의 관계 : 선간전압이 상전압보다 π/6(30˚) 앞선다.

    ④ 선간전압의 크기

   $ V_l = \sqrt{3}V_p(V_l : 선간전압, V_p : 상전압) $

    ⑤ 선간전류의 크기

   $ I_l = I_p(I_l : 선간전류, I_p : 상전류) $

  다. Δ결선과 전압

    ① 상전압과 선간전압의 관계 : 선간전압과 상전압은 동상(phase)이다.

    ② 선간전압의 크기

   $ V_l = V_p(V_l : 선간전압, V_p : 상전압) $

    ③ 선간전류의 크기

   $ I_l = \sqrt{3}I_p(I_l : 선간전류, I_p : 상전류) $

   라. 전력 : 발전단에서 정현파 교류전압을 인가하고 발생되는 전류는 전압과 θ만큼 위상차를 가지는 교류전류가 V(t) = V_msin(ωt), i(t) = I_msin(ωt+θ)라면,

    ① 피상전력 : 계통으로 인가하여야 하는 전력(P_a = VI)

    ② 유효전력 : R에서 소비되는 전력, 실제 소비전력(P = VIcosθ)

    ③ 무효전력 : 계통으로 유효전력을 보내는데 필요한 전력(P_r = VIsinθ)

    ④ 역률(효율) : cosθ

⚬ 직류 전동기(발전기) 원리

  1) 자기장 중에 놓인 도체에 직류 전류를 흘리면 플레밍의 왼손법칙에 의해 도체에 전자력이 발생하여 회전하게 된다. 직류 전동기는 속도제어가 용이하기 때문에 전철, 엘리베이터, 압연기 등과 같이 속도 조정이 필요한 경우에 널리 사용된다.

  2) 직류기는 교류의 슬립링 대신 2조각의 정류자편을 연결한다. 코일의 양 끝을 각각 정류자편에 한쪽씩 연결하고 브러시를 접촉시켜 직류 전류를 얻는다.(발전기)

  3) 코일이 자기장 내에서 회전을 할 때 발생하는 전류는 교류지만 슬립링 대신 2조각으로 된 정류자편을 사용하면 코일이 회전하여 자리를 바꾸어도 브러시는 항상 고정된 위치에서 정해진 코일과 접촉하므로 얻어지는 전류는 방향이 바뀌지 않는 직류가 된다.(발전기)

⚬ 3상 유도전동기(발전기)

  1) 원리

   가. 원통형 성층 철심이 안쪽에 3조의 권선 aa’, bb’, cc’를 2π/3[rad]의 간격을 두고 배치하고, 그 속에서 자극을 시계방향으로 회전시키면 다음과 같은 3상 교류를 얻는다.

   나. N극의 자석이 코일 a를 지날 때 기전력 e1이 발생하고 120˚간격을 두고 코일 b와 c가 배치되어 있으므로 2π/3의 위상차를 두고 기전력 e2와 e3가 발생한다. 자극이 1회전(cycle)하는 동안 120˚의 간격으로 3개의 기전력이 발생하므로 3상이라 한다.(발전기)

   다. 주파수가 f[Hz]인 교류를 발생시키기 위하여 극수가 P이며 회전속도 n[rpm]로 회전시키면 f, P, N 사이에는 다음과 같은 관계식이 성립된다.(전동기)

    ① 동기속도(1차 속도) : 회전 자계의 회전 속도로 입력속도라 한다.

   $ N_s = \dfrac {120f}{P} $

    ② 회전자속도(2차 속도) : 회전자의 회전속도로서 출력속도라고 한다.

   $ \\N\\ = \dfrac {120f}{P} (1-s) $

    ③ 효율(슬립)

   $ s = \dfrac {N_s - N}{N_s} \times 100[\%] $

    ④ 펌프용 전동기 용량

   $ P = \dfrac {0.163QH}{η} \times k [㎾] $

     여기서, P : 전동기 용량[kW], Q : 유량[㎥/min], H : 전양정[m], k : 전달계수, η : 효율[%]

  2) 기동 방식

   가. 직입 기동(전전압기동법) : 출력 3.7[kW], 5[HP] 이하의 소형 전동기

   나. Y-Δ 기동(스타-델타법) : 출력이 5~15[kW] 미만의 중형 전동기

   다. 기동보상기 : 출력이 15[kW] 이상의 대형 전동기

⚬ 부울대수 정리

⚬ 유접점 논리회로 요소

  1) 일반 접점

   ※ a접점(에이접점) : 에이(a) 떨어졌다.

      b접점(비접점) : 붙(b)었다.

  2) 구성기기

   가. 수동스위치

   나. 배선용 차단기(MCCB, NFB) : 보통의 상태에서는 수동으로 회로를 개폐하고, 이상상태에서는 자동으로 회로를 차단하도록 설계된 장치

   다. 전자접촉기(Magnetic Contactor) : 전자석으로 전기회로 내 접점을 개폐하는 기능을 가진 기기로 주로 주회로에 사용됨

   라. 열동계전기(THR : Thermal Relay) : 회로의 과전류 시 전류의 발열작용을 감지하여 회로를 자동으로 차단

   마. 한시계전기(Time-Lag Relay) : 회로 동작 시 정해진 시간이 경과한 후 자동적으로 개폐하는 계전기

   바. 전자계전기(Relay) : 전류가 흐르면 전기의 자기 작용에 의해 계전기에 있는 코일이 여자되어 접점을 이동시키는 장치

⚬ 시퀀스회로 및 논리회로

⚬ 유접점 시퀀스 회로의 예

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