[논문]과전류에 의해 용단된 소선의 특성해석에 관한 연구

최충석; 김향곤; 김동욱

[국내논문] 과전류에 의해 용단된 소선의 특성해석에 관한 연구
A Study on the Characteristics Analysis of Strands Melted by Over Current 원문보기

산업안전학회지 = Journal of the Korean Institute of Industrial Safety, v.19 no.1, 2004년, pp.60 - 65

최충석 (전기안전연구원(한국전기안전공사 부설)) , 김향곤 (전기안전연구원(한국전기안전공사 부설)) , 김동욱 (전기안전연구원(한국전기안전공사 부설))

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The PVC insulated flexible cords are used mainly as power supply cords of electric appliance. This electric wire is a stranded wire consisted of dozens of strands. In case stranded wires are disconnected by mechanical stress, it weakens electrically. Finally, the over current flows through stranded wires, and electrical fire occurs. In this study, we analyzed the melting properties of strands by over current, such as melting process, melting current and melting time. And we analyzed that quantity of heat for melting, a cross sectional structure, and surface structure by optical microscope and SEM. As analysis results, melting time decreased as melting current increased. And quantity of heat for melting was low, too. From the cross sectional structure of melted wire, when a melting current low and melting time long, it was found that the dendrite structure grew. However, the dendrite structure is hard to grow because growing time is not enough when a melting current high and melting time short.

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문제 정의

본 연구에서는 연선 내 소선의 과전류에 의한 용단특성을 해석하기 위하여 전기제품의 전원선으로 주로 사용되고 있는 VCTF (2.0㎟×2C) 전선의 0.26 ㎜ 소선을 대상으로 전류의 크기에 따른 용단 시간과 용단에 소요된 열량, 용단된 소선의 외형, 단면구조 및 표면구조 등을 분석하였다.

제안 방법

소선의 용단특성을 규명하기 위하여 Fig. 1과 같은 실험회로를 구성하였으며, 1_Ø 220V 60㎐의 상용전압 하에서 단락 및 과부하 겸용 실험장치(ES&OL-10, KESCO, Korea)를 이용하여 길이 10㎝의 0.26㎜ 소선에 과전류를 인가하였으며 소선에 흐르는 전류는 실험장치의 부하조절기를 이용하여 제어하였다. 소선이 용단되는 시간과 전류는 누설전류계(3263, Hioki, Japan)와 기록계(AR1100A, Yokoga- wa, Japan)를 사용하여 실시간 측정, 기록하였다^7.
8). 또한, 소선의 과전류에 의해 용단되는 과정을 초고속카메라(HG -100K, Redlake, USA)를 이용하여 분석 하였으며, 용단시 소요되는 열량을 계산하였다. 과전류에 의해 용단된 소선은 실체현미경(SV-11, Carlzeiss, Germany)과 금속현미경 (Epiphot, Nikon, Japan)을 이용하여 외형과 단면구조 변화를 정상 상태와 비교, 분석하였으며, SEM(JSM- 6400, Jeol, Japan)를 이용하여 용융된 소선의 표면구조를 분석하였다.
또한, 소선의 과전류에 의해 용단되는 과정을 초고속카메라(HG -100K, Redlake, USA)를 이용하여 분석 하였으며, 용단시 소요되는 열량을 계산하였다. 과전류에 의해 용단된 소선은 실체현미경(SV-11, Carlzeiss, Germany)과 금속현미경 (Epiphot, Nikon, Japan)을 이용하여 외형과 단면구조 변화를 정상 상태와 비교, 분석하였으며, SEM(JSM- 6400, Jeol, Japan)를 이용하여 용융된 소선의 표면구조를 분석하였다.
6A가 된다. 실험의 효율성과 제어의 적정성을 높이기 위하여 본 실험에서는 이 보다 높은 전류를 흘렸으며 전류에 따른 소선의 용 단시간을 측정하였다.
6A로 소선에 이 전류이상으로 과전류가 흐르게 되면, 줄열에 의해 소선이 적열하고 황색 발열 후 백색으로 발열하고 용단되었다. 용단시 섬광과 용융망울이 비산하였다.
26㎜ 소선에 과전류를 인가하였으며 소선에 흐르는 전류는 실험장치의 부하조절기를 이용하여 제어하였다. 소선이 용단되는 시간과 전류는 누설전류계(3263, Hioki, Japan)와 기록계(AR1100A, Yokoga- wa, Japan)를 사용하여 실시간 측정, 기록하였다^7.8). 또한, 소선의 과전류에 의해 용단되는 과정을 초고속카메라(HG -100K, Redlake, USA)를 이용하여 분석 하였으며, 용단시 소요되는 열량을 계산하였다.

성능/효과

216sec에 소선이 용단되었다. 측정된 결과에서 알 수 있듯이 전류가 커짐에 따라 용단시간은 전류증가분에 제곱을 한 값보다 크게 감소함을 알 수 있다.
광학현미경과 SEM을 이용하여 단면의 결정구조와 표면구조를 분석한 결과 어느 정도의 시간이 경과한 후 용단됐을 때에는 수지상조직이 관측되었으나 짧은 시간에 용단된 경우에는 변형된 구조를 볼 수 있었다..
1) 0.26㎜ 소선의 용단전류는 10.6A로 소선에 이 전류이상으로 과전류가 흐르게 되면, 줄열에 의해 소선이 적열하고 황색 발열 후 백색으로 발열하고 용단되었다. 용단시 섬광과 용융망울이 비산하였다.
2) 소선의 과전류에 의한 용단 특성을 분석한 결과, 15.16A의 전류에서는 5.086sec에 용단되었으며, 29.63A의 전류에서는 1.216sec에 용단되었다. 용단전류가 커짐에 따라 용단시간은 용단전류의 증가분의 제곱 값보다 크게 감소하였으며 이에 따라 용단에 소요된 열량도 점차 작아짐을 알 수 있었다.
216sec에 용단되었다. 용단전류가 커짐에 따라 용단시간은 용단전류의 증가분의 제곱 값보다 크게 감소하였으며 이에 따라 용단에 소요된 열량도 점차 작아짐을 알 수 있었다.
3) 용단된 소선의 외형, 단면구조 및 표면구조를 분석한 결과, 소선 끝과 중간부분에서 용융흔을 볼 수 있었으며, 15.16A에서 용단된 소선에서는 수지상 조직의 성장이 확인되었으나, 29.63A 용단된 소선에서는 변형된 조직이 관측되었다. 따라서 수지상 조직의 성장에는 용단시간이 크게 좌우함을 알 수 있다.
0%의 점유율을 나타냈으며, 그 다음으로 담배에 의한 화재, 방화, 불티에 의한 화재 순으로 집계되었다. 전기화재의 원인으로 합선 9,325건(75.8%), 과부하 961건(7.8%), 누전 897건(7.3%), 접촉부과열 167건(1.4%)의 순으로 나타났으며, 설비별 화재 발생 유형을 조사한 결과 전기배선에서의 화재가 절반이 넘는 55.2%를 나타냈다. 이는 설계나 시공 불량이 주원인으로 전문가에 의한 시공과 관리가 필요함을 입증한다.

후속연구

. 따라서, 수지상 조직이 성장하기 위해서는 최소한도의 시간이 필요하며 향후, 이부분에 대한 중점적인 연구가 이루어져야 하겠다.
이상과 같은 실험과 분석결과는 과전류에 의한 전선의 전기화재 원인규명에 많은 도움을 줄 것으로 기대한다.

참고문헌 (8)

행정자치부 소방국, ' 소방행정자료 및 통계', 행정자치부, pp. 167-168, 2003
임의빈 외 5, '전기재해 통계분석', 한국전기안전공사, pp. 7-23, 2002
Norimichi Watanbe, 電源コ？ドの半斷線箇所における放電形熊と發火危？性,' 日本火災學會？究發表會槪要集, pp. 202-203, 1994
Nasayoshi Nagata, 'Firing Current and Energy Input of Polyvinyl Chloride Covered Cords Having Disconnected Element Wrres', Bulletin of Japanese Association of Fire Science and Engineering, Vol. 33, No.1, pp. 1-2, 1983
Atila Mertol, 'Estimation of Aluminum and Gold Bond Wire Fusing Current and Fusing Time', IEEE Trans. on Components, Packaging and Manufacturing Technology, Vol. 18 No. 1, pp. 210-214, 1995
Eugene Lob, 'Physical Analysis of Data on fusedOpen Bond Wires', IEEE Trans. on Component, Hybrids and Manufacturing Technology, Vol. CHMT 6 No.1, pp. 209-217, 1983

상세보기
최충석 외 5, '과부하에 의해 변형된 비닐절연전선의 구조변화 분석', 한국전기전자재료학회 하계학술대회, pp. 398-401, 2002
송길목 외 3, "Overcurrent에 의한 PVC insulated flexible cord의 전기화재 해석에 관한 연구', 대한전기학회 춘계학술대회, pp. 131-133, 2003

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