전력 수요의 증가로 인해 대용량화되는 전력설비에 의한 전기화재 위험성이 증가하고 있다. 옥내 전로에서 과전류 차단 및 전기화재를 방지하기 위해 사용되는 배선용 차단기(MCCB ; Molded Case Circuit Breaker)의 주변 온도 상승, 전류 증가율, 고조파 전류에 의한 동작 특성에 대해 실험적 연구 및 해석을 수행하였다. 전력이 전달되는 부하기기 또는 회로를 보호하기 위해 사용되는 배선용 차단기의 동작 방식은 열동식(Thermal type), 열동-전자식(Thermal-magnetic type), 완전 전자식(Hydraulic-magnetic type)으로 구분된다. 실험은 현재 가정 및 시중에서 가장 보편적으로 사용되고 있는 완전 전자식 배선용 차단기를 사용하였다. 완전 전자식 배선용 차단기의 차단 동작은 ...
전력 수요의 증가로 인해 대용량화되는 전력설비에 의한 전기화재 위험성이 증가하고 있다. 옥내 전로에서 과전류 차단 및 전기화재를 방지하기 위해 사용되는 배선용 차단기(MCCB ; Molded Case Circuit Breaker)의 주변 온도 상승, 전류 증가율, 고조파 전류에 의한 동작 특성에 대해 실험적 연구 및 해석을 수행하였다. 전력이 전달되는 부하기기 또는 회로를 보호하기 위해 사용되는 배선용 차단기의 동작 방식은 열동식(Thermal type), 열동-전자식(Thermal-magnetic type), 완전 전자식(Hydraulic-magnetic type)으로 구분된다. 실험은 현재 가정 및 시중에서 가장 보편적으로 사용되고 있는 완전 전자식 배선용 차단기를 사용하였다. 완전 전자식 배선용 차단기의 차단 동작은 전자석의 원리(=전기 자기식)에 의해 동작한다. 트립 장치의 코일을 통해 전류가 흐르면 자속이 생성되어 용기 내부에 기름을 넣은 장치인 ODP(Oil Dash Pot) 실린더 안에 Plunger가 이동하고 상부에 있는 Armature를 흡인한다. 결과적으로 Trip cross bar를 움직이게 하여 차단기를 동작시키는 원리이다. 이것이 일반적인 과전류가 인가되었을 때 배선용 차단기가 동작하는 원리이다. 순간적으로 차단기 정격 전류의 8~10배 이상의 대전류가 인가될 경우도 고려하여 실험을 단계적으로 진행하여 동작특성을 파악하였다. 완전 전자식 배선용 차단기는 차단 동작 장치 실린더 내부 실리콘 오일의 점도저항에 따라 동작 시간이 달라진다. 그러므로 화재가 발생할 경우 화염 또는 복사열에 의해 실리콘 오일의 점도저항이 변하게 되고, 차단 동작 시간이 영향을 받을 수 있다. 본 연구에서는 적외선 복사히터(Radiant panel heater)를 사용하여 배선용 차단기 주변 온도상승에 따른 응동 특성을 정격전류에의 배수 및 전류 증가율에 따라 실험을 진행하였다. 그 결과 동일한 전류 값 조건에서 상온에서의 차단동작 시간과 한계온도로 설정한 160℃에서의 차단시간의 차이가 56초로 주변 온도가 높아질수록 빨라지는 것을 확인하였다. 주변 온도 상승실험과 연관하여 전류 증가율에 따른 배선용 차단기 동작시간도 비교 분석하였다. 전류 증가율은 5A/sec, 10A/sec, 30A/sec, 50A/sec 및 100A/sec로 증가시키면서 차단시간을 분석하였다. 하지만 전류 증가율에 따른 실험에서는 정격 전류 배수에 따른 실험결과와 달리 차단기 동작시간에 대한 영향이 크지 않았다. 그 이유는 초당 전류 값이 증가함에 따라 n초 후 배선용 차단기 정격전류의 수배의 전류 값이 배선용 차단기에 인가되기 때문이다. 배선용 차단기에 관한 표준은 KS C 8321(한국 산업 표준) 과 IEC 60947-2(국제 규격 인증)을 통해 확인 할 수 있다. 또한 KS C 8332에 배선용 차단기 작동 기준온도가 제시되어 있다. 주위(기준)온도는 즉 대기온도로써 최대온도 40℃에서 상대 습도는 50%를 초과하지 않아야 한다. 정상 사용 범위는 –5℃ ∼ +40℃ 이고, 화재와 같은 특수 상황에 대한 모의시험으로 70℃ 또는 100℃ 상황에서 1시간 노출되어도 정상 동작해야 한다는 내열성 시험이 있다. 배선용 차단기에 대한 온도상승, 정격전류 배수, 전류증가율에 따른 실험 이외에도 고조파 전류에 따른 동작특성을 실험을 통해 확인하였다. 고조파란 기본파를 제외한 왜곡된 파형을 말한다. 전력변환기기, 인버터와 같은 비선형 부하에 전류가 공급되면 부하에 전류·전압 파형의 왜곡이 동반된다. 고조파는 변압기, 유도전동기, 콘덴서 등 전력설비, 반도체 응용기기, 조광·조명기기, 전자레인지와 같은 자기증폭기, 공업용 전기로, 전해용 정류기 등에서 발생한다. 고조파 전류가 전력계통에 유입되면 변압기 과열, 부하기기 오동작 등 피해가 발생할 우려가 있다. 고조파 전압 왜형률을 3% 이하가 되도록 관리하고 제한하여 손실을 예방해야 한다. 고조파 영향 저감 연구, 해석 모델연구 및 실 계측에 대한 고조파 연구 등 기존에 진행된 고조파 관련 연구 분야가 아닌 고조파로 인해 발생하는 배선용 차단기 오동작에 대한 원인 규명을 위하여 실험 연구를 추가적으로 진행하였다. 실험 방법은 LabVIEW NI myDAQ를 이용하여 60Hz 진폭의 기본파를 설정하고, 3, 5, 7, 9차 고조파 각각 10%, 20%, 30% 함유율에 따른 각기 다른 주파수의 정현파를 합성하였다. 합성한 고조파를 교류전원장치(PNE universal power supply 700A, 20V)에 입력하여 정격전류의 2배인 60A에서부터 10배인 300A까지 배선용 차단기에 통전시켰다. 실험의 결과값은 데이터 측정시스템(NI SCXI-1001)을 이용하여 차단 동작 시간을 확인하였다. 고조파 파형은 차수가 높아질수록 파형의 왜곡이 심해진다. 실험 결과 정격 전류의 2배인 60A에서 3고조파가 10%, 20%, 30% 포함되었을 때 차단동작시간은 각각 195초, 197초, 182초로 기본파 108초에 비해 약 1.75배 느려진 것을 확인하였다. 하지만 정격 전류 4배인 120A 이상에서는 차단동작시간 차이가 크지 않았다. 그 이유는 통전시간이 약 10초 내외로 짧아 고조파의 영향을 크게 받지 않았기 때문이다. 또한, 실험 결과의 타당성을 확보하기 위해 배선용 차단기 내부 구리코일의 자속밀도를 자기장수치해석 프로그램을 통해 확인하였다. 구리 코일 자기력 세기가 커질수록 차단동작시간이 빨라지므로 실험 결과와 비교하였을 때 신뢰성을 확보할 수 있었다. 본 논문에서는 완전 전자식 배선용 차단기에 대한 연구를 진행하였다. 온도 상승, 정격 전류 배수, 전류 증가율 및 고조파에 의한 배선용 차단기 동작 특성을 분석하였다. 전기 화재 예방을 위해 배선용 차단기 오동작의 원인이 될 수 있는 요인들을 실험 및 수치 해석을 통해 확인하였고, 이에 따른 대책을 제시하였다.
주제어 : 배선용 차단기 , 정격 전류 배수 , 전류 증가율 , 고조파 , 전기 화재 예방
전력 수요의 증가로 인해 대용량화되는 전력설비에 의한 전기화재 위험성이 증가하고 있다. 옥내 전로에서 과전류 차단 및 전기화재를 방지하기 위해 사용되는 배선용 차단기(MCCB ; Molded Case Circuit Breaker)의 주변 온도 상승, 전류 증가율, 고조파 전류에 의한 동작 특성에 대해 실험적 연구 및 해석을 수행하였다. 전력이 전달되는 부하기기 또는 회로를 보호하기 위해 사용되는 배선용 차단기의 동작 방식은 열동식(Thermal type), 열동-전자식(Thermal-magnetic type), 완전 전자식(Hydraulic-magnetic type)으로 구분된다. 실험은 현재 가정 및 시중에서 가장 보편적으로 사용되고 있는 완전 전자식 배선용 차단기를 사용하였다. 완전 전자식 배선용 차단기의 차단 동작은 전자석의 원리(=전기 자기식)에 의해 동작한다. 트립 장치의 코일을 통해 전류가 흐르면 자속이 생성되어 용기 내부에 기름을 넣은 장치인 ODP(Oil Dash Pot) 실린더 안에 Plunger가 이동하고 상부에 있는 Armature를 흡인한다. 결과적으로 Trip cross bar를 움직이게 하여 차단기를 동작시키는 원리이다. 이것이 일반적인 과전류가 인가되었을 때 배선용 차단기가 동작하는 원리이다. 순간적으로 차단기 정격 전류의 8~10배 이상의 대전류가 인가될 경우도 고려하여 실험을 단계적으로 진행하여 동작특성을 파악하였다. 완전 전자식 배선용 차단기는 차단 동작 장치 실린더 내부 실리콘 오일의 점도저항에 따라 동작 시간이 달라진다. 그러므로 화재가 발생할 경우 화염 또는 복사열에 의해 실리콘 오일의 점도저항이 변하게 되고, 차단 동작 시간이 영향을 받을 수 있다. 본 연구에서는 적외선 복사히터(Radiant panel heater)를 사용하여 배선용 차단기 주변 온도상승에 따른 응동 특성을 정격전류에의 배수 및 전류 증가율에 따라 실험을 진행하였다. 그 결과 동일한 전류 값 조건에서 상온에서의 차단동작 시간과 한계온도로 설정한 160℃에서의 차단시간의 차이가 56초로 주변 온도가 높아질수록 빨라지는 것을 확인하였다. 주변 온도 상승실험과 연관하여 전류 증가율에 따른 배선용 차단기 동작시간도 비교 분석하였다. 전류 증가율은 5A/sec, 10A/sec, 30A/sec, 50A/sec 및 100A/sec로 증가시키면서 차단시간을 분석하였다. 하지만 전류 증가율에 따른 실험에서는 정격 전류 배수에 따른 실험결과와 달리 차단기 동작시간에 대한 영향이 크지 않았다. 그 이유는 초당 전류 값이 증가함에 따라 n초 후 배선용 차단기 정격전류의 수배의 전류 값이 배선용 차단기에 인가되기 때문이다. 배선용 차단기에 관한 표준은 KS C 8321(한국 산업 표준) 과 IEC 60947-2(국제 규격 인증)을 통해 확인 할 수 있다. 또한 KS C 8332에 배선용 차단기 작동 기준온도가 제시되어 있다. 주위(기준)온도는 즉 대기온도로써 최대온도 40℃에서 상대 습도는 50%를 초과하지 않아야 한다. 정상 사용 범위는 –5℃ ∼ +40℃ 이고, 화재와 같은 특수 상황에 대한 모의시험으로 70℃ 또는 100℃ 상황에서 1시간 노출되어도 정상 동작해야 한다는 내열성 시험이 있다. 배선용 차단기에 대한 온도상승, 정격전류 배수, 전류증가율에 따른 실험 이외에도 고조파 전류에 따른 동작특성을 실험을 통해 확인하였다. 고조파란 기본파를 제외한 왜곡된 파형을 말한다. 전력변환기기, 인버터와 같은 비선형 부하에 전류가 공급되면 부하에 전류·전압 파형의 왜곡이 동반된다. 고조파는 변압기, 유도전동기, 콘덴서 등 전력설비, 반도체 응용기기, 조광·조명기기, 전자레인지와 같은 자기증폭기, 공업용 전기로, 전해용 정류기 등에서 발생한다. 고조파 전류가 전력계통에 유입되면 변압기 과열, 부하기기 오동작 등 피해가 발생할 우려가 있다. 고조파 전압 왜형률을 3% 이하가 되도록 관리하고 제한하여 손실을 예방해야 한다. 고조파 영향 저감 연구, 해석 모델연구 및 실 계측에 대한 고조파 연구 등 기존에 진행된 고조파 관련 연구 분야가 아닌 고조파로 인해 발생하는 배선용 차단기 오동작에 대한 원인 규명을 위하여 실험 연구를 추가적으로 진행하였다. 실험 방법은 LabVIEW NI myDAQ를 이용하여 60Hz 진폭의 기본파를 설정하고, 3, 5, 7, 9차 고조파 각각 10%, 20%, 30% 함유율에 따른 각기 다른 주파수의 정현파를 합성하였다. 합성한 고조파를 교류전원장치(PNE universal power supply 700A, 20V)에 입력하여 정격전류의 2배인 60A에서부터 10배인 300A까지 배선용 차단기에 통전시켰다. 실험의 결과값은 데이터 측정시스템(NI SCXI-1001)을 이용하여 차단 동작 시간을 확인하였다. 고조파 파형은 차수가 높아질수록 파형의 왜곡이 심해진다. 실험 결과 정격 전류의 2배인 60A에서 3고조파가 10%, 20%, 30% 포함되었을 때 차단동작시간은 각각 195초, 197초, 182초로 기본파 108초에 비해 약 1.75배 느려진 것을 확인하였다. 하지만 정격 전류 4배인 120A 이상에서는 차단동작시간 차이가 크지 않았다. 그 이유는 통전시간이 약 10초 내외로 짧아 고조파의 영향을 크게 받지 않았기 때문이다. 또한, 실험 결과의 타당성을 확보하기 위해 배선용 차단기 내부 구리코일의 자속밀도를 자기장 수치해석 프로그램을 통해 확인하였다. 구리 코일 자기력 세기가 커질수록 차단동작시간이 빨라지므로 실험 결과와 비교하였을 때 신뢰성을 확보할 수 있었다. 본 논문에서는 완전 전자식 배선용 차단기에 대한 연구를 진행하였다. 온도 상승, 정격 전류 배수, 전류 증가율 및 고조파에 의한 배선용 차단기 동작 특성을 분석하였다. 전기 화재 예방을 위해 배선용 차단기 오동작의 원인이 될 수 있는 요인들을 실험 및 수치 해석을 통해 확인하였고, 이에 따른 대책을 제시하였다.
주제어 : 배선용 차단기 , 정격 전류 배수 , 전류 증가율 , 고조파 , 전기 화재 예방
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