화재 현장에서 화재조사 시 원인 규명에 앞서 출화지점을 추정하게 된다. 화재조사관들은 소손된 패턴과 단락흔(Arc Bead), 목격자 증언, CCTV 영상 등을 찾아 최초 출화지점을 한정해 추정한다. 

 

만일 화재 발생 장소 대부분이 전소된 상태로 화재패턴의 차별성이 구별되지 않거나 목격자 증언, CCTV 영상 등의 신뢰성이 떨어지면 단락흔을 통한 출화지점 추정이 중요시 된다.

 

하지만 단락흔 관련 통전 중 발생한 전기적 아크흔인지, 높은 화재 온도로 인해 전선이 용융되면서 생성된 열용융흔인지에 대한 논란이 발생하기도 한다.

 

필자는 화재조사업무를 수행 중이다. 따라서 이번 호에서는 화재조사 업무 수행 경력이 많지 않은 화재조사관들을 위해 화재조사 현장에서 단락흔을 발굴하고 추정할 때 고려해야 할 점(오류)에 관해 이야기해 보고자 한다.

 

단락흔(Arc Bead)이란? 

건물 대부분에는 조명과 각종 가전기기, 공장설비 등을 동작하기 위해 전기 배선이 공급된다. 이는 건물 외부에서 인입돼 건물 내부 공간으로 공급되는 옥내배선과 벽체 등에 고정된 콘센트 등(Outlets and Devices)을 통해 전기기기로 연결되는 형태로 구분할 수 있다.

 

전기가 통전되는 부분에서 전기적 원인에 의해 최초 화재가 출화되거나 화재 발생 후 화염이 확대되면서 통전 중인 전선의 절연 피복을 소손해 내부 전선에 단락(아크)이 발생한다. 그 결과 전선에는 용흔(Bead, Notch)이라는 아크흔이 형성된다.

 

(a) 연선 타입 전선의 단락흔 모습   ↓

 

(b) 단선 타입 전선의 단락흔 모습   ↓

▲ [그림 1] 전선유형별 단락흔(Bead) 모양과 에칭(Etching)기법을 활용한 전선 단락흔 조직 확대 모습 

 

화재 현장에서 감식과정 중 발견된 전선의 용흔은 세 가지로 구분된다. 해당 전선에서 통전 상태 중 단락이 최초 출화 원인이 되는 단락흔(1차 단락흔)인지, 화염에 의해 절연 피복이 소실되면서 단락이 발생한 단락흔(2차 단락흔)인지, 통전되지 않은 전선이 강한 수열 영향으로 용융된 열용흔인지 등이다.

 

현장에서는 [그림 2]에 표기된 명칭 등이 사용된다.

 

▲ [그림 2] 화재 현장에서 전선에 형성된 용흔에 관한 분류ㆍ그림1)

 

[그림 2]와 같이 화재 현장 전선에 나타난 용흔들에 관해 통일되지 않은 명칭이 사용된다. ‘단락흔’이라는 건 통전상태임을 의미한다는 게 중요하다.

 

단락흔을 활용한 출화 지점 추정

화재조사 시 단락흔과 관련한 전제 사항이 있다. 용흔이 형성된 전선에는 과부하로 인한 화재와 감전사고를 보호하기 위해 전선 인입단에 퓨즈(가전기기) 또는 누전차단기 등의 보호기기(Over current Protection)가 연결된 상태라는 점이다.

 

따라서 1차 또는 2차 단락이 통전 중인 전선에서 발생하면 옥내배선이 인입부 분전반에 있는 누전차단기 등의 배선용 배선 보호기기가 동작(트립, trip/off)되거나 전선이 단선돼 더는 부하 쪽으로 단락이 발생하지 않는다는 걸 전제로 한다. 

 

이를 근거로 [그림 3]과 같이 화재 현장에서 출화지점을 추정해 나가는 방법으로 단락 지도(Arc Mapping)를 활용할 수 있다. 각각 방 4개로 구성된 영희네 집과 철희네 집은 화재로 전소됐다.

 

각 A 방에서 발견된 용흔이 통전 중 발생하는 단락흔으로 추정되며 단락 발생 시 배선용 보호기기(차단기)는 동작(트립)돼 통전되지 않는다고 가정해보자.

 

최초 출화지점은 영희네 A 방으로서 단락이 발생해 메인 차단기 동작(trip) → B와 C 방으로 연소확대(Flashover 상태)되면서 열용흔 생성 → 창문을 통해 철희네 집 A 방으로 확대되면서 단락 발생 → 철희네 메인 차단기 동작(trip)

 

일반적으로 이러한 상황을 가정하면 최초 출화는 영희네 집 A 방일 가능성이 있다. 이런 이유로 화재 현장에서 현장감식 시에는 우선 분전반에서의 차단기 트립 상태 확인과 불이 난 건물 내에서의 감식을 통해 단락흔 발굴을 수행하고 있다.

 

▲ [그림 3] 단락흔 매핑(Arc Mapping)을 통한 최초 출화 지점 추정 모습

 

단락흔 판정 기법

영희네 C 방에서 발견된 용흔이 열용흔이 아닌 단락흔이라면 달라진 단락흔 매핑 결과에서 화재 진행 방향과 이에 따른 최초 출화지점 추정은 많이 복잡해진다. 따라서 화재조사 현장에서 발굴된 용흔이 단락흔 또는 열용흔인지에 대한 판단은 최초 출화지점을 추정하는 데 있어 중요한 사항이다.

 

현재 화재조사 현장에서는 일반적으로 현장에서 발굴된 용흔의 모양을 보고 직관적인 육안검사법으로 단락흔 유무를 추정한다.

 

육안검사법에 관해선 용흔이 형성된 전선의 색상까지 언급하기도 하지만 [그림 1]처럼 일반적으로는 용흔 구형 상태, 용흔부 또는 아크흔이 형성된 곳과 전선부의 구분 가능 등으로 판정한다.

 

더 나아가 에칭(Etching)을 통해 용융부가 형성된 부분과 전선부의 내부 금속조직 모양을 분석하는 방식의 ‘금속 단면조직’ 분석 방법을 사용하기도 한다. 이는 기존 용접작업의 품질 평가 기법을 활용한 방식이다.

 

단락흔, 수열에 의해 용흔부와 전선부의 단면을 에칭해 형성된 조직 패턴으로 판단한다. 자세한 사항은 [그림 1]을 확대 설명한 [그림 4]를 참고하면 된다. 

 

【단락흔】     ↓ • 용흔부에서 ‘주상조직’이 관찰됨 • 용흔부에서 ‘다수의 기공’이 관찰됨 • 용흔부와 전선부의 조직 경계면이 구별됨

 

【열용흔】   ↓ • 용흔부에서 ‘수지상 조직’이 관찰됨 • 용흔부와 전선부의 조직 경계면이 구별되지 않음

▲ [그림 4] 전선의 단락흔 모양ㆍ에칭된 조직 분석 모습 

 

최근엔 딥러닝을 활용한 방법도 사용되고 있다. 1, 2차 단락흔 판정 등을 위해 미세분석방식을 활용한 연구ㆍ사례를 나열한 게 [표 1]이다. 

 

순번	기법	내용
	SEM/EDX 활용 방법	SEM을 통한 미세표면 조직ㆍ구조 형상분석과 EDS 성분 분석 매핑 이미지로 1, 2차 단락흔 판별2)
	DAS 활용 방법	수지상의 DAS(Dendrite Arm Spacing) 크기를 구하면 용융흔 생성 시 주위 온도를 추정해 1, 2차 단락흔 판정3)
	CS 분석법	Cell Size를 구하면 용융흔 생성 시 주위 온도를 추정해 1, 2차 단락흔 판정4) 5)
	Raman 분광법	라만분광기 활용 분석법. 흑연화 탄소 검출 유무에 따라 1, 2차 단락흔 판단6)
	EBSD 활용 분석	전자후방산란회절(Electron Backscattered Diffraction: EBSD)은 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscope: TEM)을 활용. 결정립의 크기 등 관찰을 통해 단락흔 판단7)

 

[표 1]과 같이 미세 분석방식 외에 CNN(Convolutional Neural Network) 인공신경망 중 Googlenet(Inception v1), Inception v3, Vgg16, Resnet50 등 네 가지 모델방식을 활용해 1, 2차 단락흔과 열용흔을 분석하는 연구를 수행했다. 화재조사 현장에서 단락흔 유무를 모바일로 확인할 수 있는 서비스를 제공한다.9) 10)

 

딥러닝 활용 관련과 열용흔으로 변화한 단락흔, 단락흔 위치만으로 출화지점 추정의 오류 등에 관한 내용은 다음 호에서 다뤄 보겠다.

 

 

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1) “전기화재 원인분석을 위한 실험실 데이터를 활용한 1차, 2차 단락흔 및 열흔 판별용”, 종장훈 외 5명(Vol.70 No.11)/KIEE.2021.70.11.1750

2) 박한종, 한주환, 서형원, “분석화학을 통한 전선 용융흔의 분석기법 향상에 관한 연구”, 한국화재감식학회 학회지, Vol. 11, No. 2, pp. 47-63(2020). 

3) 이상준, “화재조사를 위한 전기기기 내부배선의 전기적인 용융흔과 화재원인 판단에 대한 실험적 연구”, 국내박사학위논문 서울과학기술대학교 에너지환경대학원, (2019).

4) 이의평, 금전수이, 금속 현미경 조직에 의한 1차.2차 용융흔(溶融痕)의 식별, 한국화재조사학회지, Vol. 4, No. 1, pp. 9-27(2004).

5) 가전제품 발화사고 원인규명 매뉴얼, NITE, (2010).

6) 김희남, “전선 단락에 의한 1, 2차 용융흔의 성분 비교 분석”, 국내석사학위논문 경일대학교, (2019).

7) 이주호, 한송희, 마병진 외, “전자후방산란회절(EBSD)을 이용한 소재분석”, 한국신뢰성학회 학술대회논문집, p.117(2023).

8) 김찬식 외 3명, “구리 전선의 1차 용융흔과 2차 용융흔 분석법에 대한 고찰”, 학사학위논문 호서대학교, 2023.

9) 조장훈, “CNN 알고리즘을 적용한 전기화재 원인 분석용 용융흔 외형 판별에 관한 연구”, 국내석사학위논문 전북대학교 대학원, pp. 2-30 (2022).

10) 박형균, “인공지능을 활용한 전기화재 원인 분석용 용융흔 실시간 판별에 관한 연구”, 국내석사학위논문 전북대학교 대학원, pp. 28-56 (2023).

 

국립소방연구원_ 김수영 : sykim00@korea.kr

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2024년 11월 호에서도 만나볼 수 있습니다.>

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