1. 서 론
2. 등부표 설치 규정
2.1 항로표지의 구분
2.2 등부표의 전국 설치현황
2.3 표준형 등부표의 종류
2.4 표준형 등부표의 전원공급장치
3. 등부표에 사용되는 연축전지
3.1 충전방식에 따른 분류
3.2 연축전지 사용 시 문제점
3.3 등부표용 연축전지 충 ‧ 방전 메커니즘
4. 폭발사고 사례 분석
5. 결 론
1. 서 론
19세기 말부터 전 세계적으로 등부표를 사용하게 되면서 약 30가지 이상의 부표식을 표준규격 없이 사용함으로 인해 혼란이 지속되었다. 이러한 문제를 해결하고자 1936년 제네바 회의에서 전 세계 부표식을 통일하는 것으로 의견을 모았으나 2차 세계대전이 발발해 합의를 도출하는데 실패하였다. 그러던 중 1957년 국제항로표지 및 등대협회(‘현 국제항로표지협회, International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities, IALA)를 설립한 후 계속해서 전 세계 부표식을 통일하려 노력하였고, 1980년대 IALA 총회에 50개 국가와 9개의 국제기구의 대표가 참여하여 해상부표식의 일반원칙과 규칙을 제정하였다.
이후 2010년까지 기존 항로부표식(Maritime Buoyage System, MBS)의 기본원칙을 유지하였지만, 그 동안의 환경변화와 항해기술의 발전에 따라 MBS를 개정하여 해상부표식을 해상부표식과 그 밖의 항로표지로 세분화하였다. 우리나라는 해양 안전의 목적과 국제화에 부응하여 2006년 IALA에 처음 가입하여 현재까지 이사국으로 활동해 오고 있으며, IALA에서 규정한 해양 부표 시스템을 도입하여 설치 운영하고 있다(MOF, 2009; KATON, 2022). 또한 2008년 8월 7일 표준형 부표 제작 및 품질관리기준에 관한 규정이 제정되어 시행되면서 항로표지법 제3조의 규정에 의해 항로표지용 등부표와 부표(이하“부표”라 한다)의 제작 ‧ 수리 및 설치 ‧ 관리에 필요한 기준을 만들어 표준화하였다. 특히 광파 부표 시스템은 빛을 이용한 항로표지로서 야간 항해의 안전과 장애물 존재, 항로의 광파표지 등 안전을 위해 세계적으로 많이 사용된다.
이러한 광파 부표 시스템은 품질관리기준에 따라 계획수립되고 표준형 등부표로 제작된다. 광파 부표 시스템의 품질관리기준에는 부표 몸체 재질, 부표의 강재 사용, 부표의 금속 계류구 기준, 침추의 종류와 규격, 태양전지, 부표의 전원설비 등이 제시되어 있다. 그러나 등부표의 전원공급시스템에서 중요한 요소인 축전지에 대한 세부규정이 마련되지 않아, 축전지에서 발생하는 폭발과 화재로 인한 사고사례가 최근 증대되는 실정이다. 해양 등부표 시스템에 사용되는 축전지는 염분에 대한 강인성과 외부 충격과 요동에 대한 내구성 등을 고려하여 주로 연축전지가 사용된다(MOF, 2021). 본 논문에서는 태양전지에 의해 반복적으로 충방전되고 운영되는 연축전지의 폭발 화재사고 원인을 규명하기 위하여, 연축전지의 종류 특정, 분해 검사, 잔류전압 측정 등의 기초 분석을 진행하고, 특히 충방전 조절기의 회로 추적과 축전지의 과충전 여부 등을 계측하여 축전지의 주요 사고 원인을 분석하고자 한다.
2. 등부표 설치 규정
2.1 항로표지의 구분
항로표지법 제2조(정의)에 따르면 항로표지는 항행하는 선박에 관하여 등광 ‧ 형상 ‧ 색채 ‧ 음향 ‧ 전파 등을 수단으로 선박의 위치 ‧ 방향 및 장애물의 위치 등을 알려주는 항행보조시설로서 광파표지, 형상표지, 음파표지, 전파표지, 및 특수신호표지 등 해양수산부령으로 정하는 것을 말한다.
특히 빛을 이용한 항로표지로 광파표지는 등대, 등주, 등표, 조사등, 도등, 지항등, 등부표가 있으며 그 중에 등부표는 선박에게 암초나 수심이 얕은 곳(shoal) 등의 장애물의 존재나 항로를 표시하기 위하여 해저에 침추(sinker)를 설치하여 해면상에 뜨게 한 구조물로서 야간에는 등화(lights)를 발하는 것을 말한다(Kim, 2009; MOF, 2018; KATON, 2022).
등부표는 표준형 부표 제작 및 품질관리기준에 관한 규정에 따라 표준형 등부표를 제작하도록 규정하고 있으며 부표의 제작 계획수립에서부터 표준형 부표 등의 제작, 몸체 재질, 부표의 강재 사용 및 시험검사, 부표의 금속 계류구 기준, 체인과 계류구의 시험검사 종류, 섬유 재질의 로프 사용, 침추의 종류와 규격, 두표 제작 설치, 부표의 부속장비, 부표의 전원설비, 부표의 전기방식, 부표의 설치 ‧ 교체 ‧ 관리 등을 정하고 있다.
2.2 등부표의 전국 설치현황
해양수산부 해사안전국 항로표지과에 따르면 2023년 2월말 기준으로 우리나라 주요 항만과 항로에 설치되어 운영 중인 국가소유 등부표는 Table 1과 같이 해양수산부 소속기관인 전국 11개 지방해양수산청에서 직접 관리하고 있으며 총 682기가 설치되어 운영되고 있다(Kim, 2009; Moon et al., 2020; ERHKCG, 2022). 그 외에 지자체가 관할하는 해변 인근 해상 및 해상 공사현장 등에 설치된 사설항로표지에 사용되는 등부표는 동 ‧ 서 ‧ 남해에 총 1,154기가 설치되어 있다(Moon et al., 2020). 정부에서 관리하는 등부표의 경우 유지보수에 대한 관리가 엄격하게 이루어지고 있으나 지자체나 공사 현장 등에 설치된 사설항로표지의 경우 위탁 관리업체에 의해 관리되고 있으며 매월 1회 정기점검을 통해 유지보수가 이루어지고 있고 설치장소가 해상이다 보니 선박을 통해 접근하여야 하기 때문에 단순한 부속품 교체만 이루어지고 있다.
Table 1.
Status of installation of domestic light buoy [As of Feb. 2023]
2.3 표준형 등부표의 종류
표준형 등부표는 표준형 부표 제작 및 품질관리 기준에 관한 규정 제4조(표준형 부표 등의 제작) 제1항의 규정에 따라 부표관리청장이 부표를 제작하는 경우에는 표준형 부표(강재) 제작(기본)시방서와 등부표 형식, 설치장소, 수심 등을 기준하여 Table 2와 Table 3의 표준형 부표의 도면을 참조하여 세부 설계도서를 작성하여야 한다. 다만, 부표의 설치 위치, 해역 환경, 사용장비 및 재질 등의 여건을 고려하여 제작시방서와 설계도면의 변경이 필요한 경우 장관의 승인을 받아 변경할 수 있다(MOF, 2009, 2018, 2021; Shim and Lee, 2010; Jeong and Im, 2015).
Table 2.
Drawing of standard buoy (Criteria Ⅰ)
Table 3.
Drawing of standard buoy (Criteria Ⅱ)
이러한 표준형 등부표에 설계 반영된 부분 중 전원공급시스템에 사용되는 연축전지는 태양전지와 등명기에 내장된 일광감지기에 의해 주간에는 충전이 이루어지고 야간에는 등명기를 밝히는 전원으로 공급되면서 지속적인 충방전을 반복하게 된다. 또한 이때 발생하는 수소가스는 배터리실 바닥측과 해치(hatch)측에 설치된 자연 배기통로를 통해 배출된다. 또한, 부표의 전원공급시스템은 태양전지와 연축전지를 기본 구조로 하고 있으나 전력소요량이 많은 다기능 부표의 경우에는 파력 및 풍력발전기를 병행하여 설치할 수 있도록 하고 있다.
2.4 표준형 등부표의 전원공급장치
표준형 등부표에 사용되는 등명기의 전원공급시스템은 일반적으로 80 W 태양전지모듈(Photovoltaic Module, PV) 2개와 최대 충방전 전류가 10~30 A 충방전조절기(Charging & Discharging Controller), 그리고 일광감지기가 내장된 등명기(입력전압 DC 10~14 V, 소비전력 18 W 이하)와 12 V, 100 Ah 부동충전 서비스용 연축전지(lead-acid battery)는 3개에서 4개를 병렬 연결하는 방식으로 구성되어 있다. 일반적으로 사용되는 충방전조절기의 회로구성은 Fig. 1과 같으며, 해양 등부표 시스템의 전체 구성도는 Fig. 2에 나타낸다.
3. 등부표에 사용되는 연축전지
3.1 충전방식에 따른 분류
해양 등부표 시스템에 사용되는 축전지는 염분에 대한 강인성과 외부 충격과 요동에 대한 내구성 등을 고려하여 대부분 연축전지가 사용된다. 연축전지는 일반적으로 보수형과 무보수형으로 구분되며 그 중 무보수형은 부동충전 서비스용(floating service)과 사이클 서비스용(cycle service)으로 나누며 국내에서 생산되는 대다수의 연축전지는 UPS, 통신용 등으로 사용되는 부동충전 서비스용에 집중되어 개발되어 왔으며, 태양광발전시스템과 풍력발전시스템 등에 대한 국고지원사업이 진행되면서 무보수형 중 밸브 조절형 연축전지(Valve Regulated Lead Acid, VRLA)가 개발되면서 본격적으로 사이클용 연축전지의 제품들이 해양 등부표 시스템에 상용되고 있다.
3.2 연축전지 사용 시 문제점
연축전지는 충전과 방전을 반복하며 사용하는 2차 전지이다. 기존 연축전지는 충전 시 물이 전기분해되는 과정에서 전해액이 줄어드는 문제로 전해액을 매월 또는 매 6개월 마다 정기적으로 보충하여 사용하였으나 최근에는 충방전과정에서 발생하는 수소와 산소를 결합하기 위해 전해질을 고정화한 연축전지에 가스가 빠져나가는 것을 방지할 수 있도록 압력 방출 밸브가 있는 밀폐구조의 무보수용 VRLA 전지를 많이 사용하고 있다. 등부표 충전시스템에 사용되는 연축전지는 부동충전 방식으로 충전회로가 설계되어 운용되고 있는데, 이러한 VLRA 전지는 용도에 따라 다시 부동충전 서비스용 연축전지(floating charge service battery)와 사이클 서비스용 연축전지(cycle service battery)로 구분할 수 있다. 부동충전 서비스용 연축전지는 항상 연축전지에 정전압이 흐르게 하고, 이를 충전 상태로 하여 정전 시 또는 부하변동 시에 연축전지로부터 부하로 전력을 공급하는 연축전지로 UPS, 발전기 시동용, 비상등, 소화장치 비상전원 등이 있으며, 사이클 서비스용 연축전지는 충전과 방전을 교대로 바꾸어가며 사용하는 연축전지로 대표적인 것에는 전기차 및 골프카, 전기 오토바이, 전동킥보드, 전기자전거 등이 있다.
그러나, 연축전지를 사용하는 충전시스템을 설계하는 과정에서 부동충전 서비스용 연축전지를 사용할 것인지 또는 사이클 서비스용 연축전지를 사용할 것인지에 대한 검토가 이루어지지 않고 있으며 대부분의 산업현장 에서는 이러한 구분을 하지 않고 사용하고 있다. 특히, 국내에서 사용되는 등부표의 충방전조절기는 최대 충전전압이 14 V로 설계되어 있지만 RP-100 모델처럼 부동충전 전압이 13.1 V인 부동충전 서비스용 연축전지를 사용하고 있어 과충전 상태로 운영되는 경우가 많으며, 이로 인한 연축전지의 수명을 감소시키거나 극판 손상의 원인으로 작용하고 있다.
3.3 등부표용 연축전지 충 ‧ 방전 메커니즘
등부표에 사용되는 연축전지는 부동충전용 12 V, 100 Ah를 공통적으로 사용하고 있으며, Fig. 3과 같이 직렬로 연결된 6개의 셀(cell)로 구성되어 있으며 각 셀은 2 V의 공식 출력전압(부하 연결 시 전압)을 가진다. Table 4는 연축전지 충방전 시의 화학적 반응식을 나타낸다(Im and Ahn, 2011).
4. 폭발사고 사례 분석
일반적으로 항로표지사고란 해상 또는 육상에 설치된 항로표지 등의 내부적인 원인과 선박충돌, 기상악화 등의 외부적인 원인에 의해 운영 중 기능이 정지되는 것을 말한다.
연구 대상 사고 사례는 2022. 6. 9.(수) 07:58경 경북 경주시 양남면 하서항 남방 약 0.39해리 해상에 선박의 항행 안전 등을 위해 설치한 표준형 등부표 LL-24 모델 1기에서 작업자가 신형 충방전조절기를 교체하는 과정에서 Fig. 4와 같이 연축전지(RP-100, 제조일자: 2001년 2월 6일, 사용시간: 약 1년) 4개가 동시에 폭발하면서 폭발압력에 의해 해치가 개방되면서 작업자의 다리가 골절 상해를 입는 사고가 발생하였다(ERHKCG, 2022).
폭발사고가 발생한 등부표(LS-24) 1기에 대하여 현장조사 결과에서 충방전조절기의 고장으로 4개의 연축전지는 Fig. 5와 같이 병렬 연결되어 있고, 해당 연축전지에 출력전압이 17.4 VDC인 18 W 태양전지의 출력 전선을 직접 연결한 상태로 약 38일간 등명기를 운용한 후 신품 충방전조절기로 교체하면서 연축전지측에 음극(-)선을 연결한 후 양극(+)선을 연결하던 중 연축전지가 폭발하면서 연축전지실 덮개인 해치가 폭발압력에 의해 분리되며 작업자가 상해를 입었다.
Fig. 6의 기존 충방전조절기 회로 내 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET)가 소손된 것이 식별되어 조절기 입력단자(태양전지 출력전압 단자)에 21 VDC를 공급하였을 때 출력전압은 0.84 VDC가 측정되었다. FET 소손으로 기존 충방전조절기가 연결된 상태에서는 연축전지가 충전되지 않는 것을 확인하였다.
Fig. 6과 같이 FET가 소손된 상태였음에도 폭발사고 발생 후 현지기상이 28.3°C에서 약 24시간이 경과한 시점에 연축전지의 공통전압을 측정한 결과 12.65 V로 확인되었으며, 병렬 연결된 연축전지를 분리하여 폭발 이후 Table 5와 같이 경과시간에 따른 무부하 상태로 연축전지의 전압을 측정하였다.
Table 5.
Lead storage battery load-free voltage measurement results
| Elapsed time | No. 1. Battery | No. 2. Battery | No. 3. Battery | No. 4. Battery |
| 24 H | 12.57 V | 12.84 V | 10.55 V | 12.72 V |
| 48 H | 9.61 V | 12.74 V | 6.53 V | 11.17 V |
폭발 이후 약 24시간이 경과한 상태에서도 No. 3 연축전지 내부에서 Fig. 7과 같이 기포가 지속적으로 발생하는 것을 육안으로 확인할 수 있었으며, 연축전지 각 셀의 양극과 음극의 활성물질이 탈락된 현상이 식별되었다. 그리고 전체 연축전지 전조 내부의 전해액은 기화되어 Fig. 8과 같이 극판도 노출되어 있고 무보수형 연축전지인 점을 고려하면 많은 양의 수소와 산소 가스가 내부에 축적되어 있었던 것으로 추정된다.
제조사에서는 RP 시리즈 10종의 모델에 대해 2019년도 하반기부터 상온 25°C 기준으로 연축전지의 부동충전 전압을 13.2~13.4 V에서 13.1 V로 변경하여 제작되었음을 확인하였고, 같은 일자에 제조된 연축전지가 설치된 폭발한 등부표에서는 최대 충전전압이 14 V로 제어되도록 설계되어 있어 평상 시 과충전 상태로 운영되고 있었던 것이 확인되었다. 또한 기존 충방전조절기의 고장으로 폭발 전까지 약 38일간 태양전지의 출력전압 17.5 V로 제어되지 않은 상태로 설계상 충전전압(14 V)보다 높게 유지되면서 과충전 상태에서 운용된 것이 확인된다.
5. 결 론
본 연구는 등부표에 사용된 RP Series 연축전지는 전해액이 액체 상태(flooded type)의 부동충전 서비스용 연축전지로 제조사에서 제공한 부동충전 전압이 13.1 V로 규정되어 있으나 폭발한 연축전지는 충전전압이 최대 14 V로 제어되도록 설계되어 있어 과충전 상태로 충방전을 반복하며 운용되고 있는 것이 확인되었다. 그리고 폭발사고가 발생하기 전 약 38일간은 태양전지의 출력전압이 17.5 V가 충전전압으로 공급되며 충방전을 반복하며 기존 충전전압보다 3.5 V가 높게 운용된 것이 확인된다. 본 사례의 연축전지 폭발사고 원인은 과충전 상태로 주간과 야간에 충방전이 반복되며 연축전지 전조 내부에서 전해액이 기화되었다. 이러한 과정에서 수소 농도 폭발범위(4~75%)에 놓인 상태에서 신품 충방전조절기의 음극선을 연결한 후 양극선을 연결하는 순간에 충전회로가 구성되면서 순간 과전류에 의한 서지전압이 발생하여 폭발한 것으로 분석되었다.
본 연구에서는 과충전 요인에 대하여 충방전조절기회로 추적과 연축전지의 종류 특정 및 분해 검사, 잔류전압 측정을 통하여 폭발 당시 연축전지가 과충전 상태로 운용되었다는 점을 재구성하여 폭발 원인을 규명하고, 작업자의 진술을 통해 태양전지를 연축전지 충전회로에 직접 연결하여 운용하였다는 사실을 확보하여 추가 입증하였다.
향후 후속 연구로서 등부표 충전시스템에 사이클 서비스용 연축전지를 적용할 수 있는 제도적 안전성 증대 방안 마련과 더불어 부동충전 서비스용 연축전지를 사용할 경우 과충전과 서지전압을 방지할 수 있는 회로 개발 연구가 진행될 경우, 연축전지(RP-100)의 부동충전 전압 초과로 인한 과충전 상태에서 수소가스 농도 검증과 함께, 동일한 과충전 상황에서 충방전조절기의 동작 재게시 서지전압의 영향성 검토가 가능하여 보다 실제적이고, 신뢰성 있는 사고방지 대책을 마련하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
