In order to analyze the characteristics of series arcs that could happen in poor connections of electrical facilities, we made an apparatus which is similar to actual situation. series arcs are generated between copper and copper, copper and bronze, copper and brass, bronze and bronze, and then oxid...
In order to analyze the characteristics of series arcs that could happen in poor connections of electrical facilities, we made an apparatus which is similar to actual situation. series arcs are generated between copper and copper, copper and bronze, copper and brass, bronze and bronze, and then oxidation growth and voltage waveform were measured. A very small vibration with constant movement is needed to grow oxidation initially, whereas oxidation growth proceeded without a vibration after a certain amount of time. At first, blue white flame was generated initially between copper and copper, and then yellow flame was generated. In case of contact between copper and copper, the length of oxidation growth was about 7.1[mm] in 90[min]. In case of contact between copper and brass, the length of oxidation growth was about 4.3[mm] in 90[min], When bronze is contacted with copper, the lengths of oxidation growth were about 1.4[mm] in 20[min] and 2.7[mm] in 40[min] respectively, and no more oxidation growth was shown after that. In case of contact between brass and brass, the length of oxidation growth was about 1.2[mm] in 90[min], so it was the smallest compared to other cases. When copper is contacted with copper, the current through the load was about 1.6[A] and the power dissipation increased from 19[W] to 31[W]. In case of oxidation growth between copper and brass, the voltage changed from 8.4[V] to 11[V]. However, the voltage drop and the power dissipation between copper and brass were small compared to oxidation growth between copper and copper. When series arcs were generated between bronze and copper, a peak was shown at the beginning of voltage increase, and 40[min] later, oxidation material was not grown any longer. When oxidation growth occurred, voltage waveform showed irregular waveforms with tiny ripples.
In order to analyze the characteristics of series arcs that could happen in poor connections of electrical facilities, we made an apparatus which is similar to actual situation. series arcs are generated between copper and copper, copper and bronze, copper and brass, bronze and bronze, and then oxidation growth and voltage waveform were measured. A very small vibration with constant movement is needed to grow oxidation initially, whereas oxidation growth proceeded without a vibration after a certain amount of time. At first, blue white flame was generated initially between copper and copper, and then yellow flame was generated. In case of contact between copper and copper, the length of oxidation growth was about 7.1[mm] in 90[min]. In case of contact between copper and brass, the length of oxidation growth was about 4.3[mm] in 90[min], When bronze is contacted with copper, the lengths of oxidation growth were about 1.4[mm] in 20[min] and 2.7[mm] in 40[min] respectively, and no more oxidation growth was shown after that. In case of contact between brass and brass, the length of oxidation growth was about 1.2[mm] in 90[min], so it was the smallest compared to other cases. When copper is contacted with copper, the current through the load was about 1.6[A] and the power dissipation increased from 19[W] to 31[W]. In case of oxidation growth between copper and brass, the voltage changed from 8.4[V] to 11[V]. However, the voltage drop and the power dissipation between copper and brass were small compared to oxidation growth between copper and copper. When series arcs were generated between bronze and copper, a peak was shown at the beginning of voltage increase, and 40[min] later, oxidation material was not grown any longer. When oxidation growth occurred, voltage waveform showed irregular waveforms with tiny ripples.
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문제 정의
본 논문에서는 전선의 직렬 아크가 안정적으로 발생할 수동선, 구리선-청동선, 황동선-황동선 등 사이에 직렬 아크를 발생시켜 산화물의 성장 속도를 밝히고, 증식이 진행될때의 전압과 전력 파형의 특성을 제시함으로써 전기설비 사고원인 분석 및진단을 위한 자료를 확보하고자 한다.
전기 에너지를 전달하는 전선이 물리적인 스트레스를 받게 되면 단선되어 '끊어짐'과 '이어짐'이 반복되면서 고열이 발생하여 화재 또는 설비 사고가 발생한다. 본 실험에서는 도전 재료로 가장 많이 사용되는 구리선, 청동선, 황동선을 구리선-구리선, 구리선-청동선, 구리선-황동선, 황동선-황동선 등의 4 가지 형태로 설정하여 상호 간의 직렬 아크 발생과 산화물증식의 특성을 해석하고자 그림 1과 같이 실험 장치를 제작하였다. 표 1은 실험에 사용된 전선의 특성을 나타낸 것이다.
본 연구에서는 전기 설비의 접속부 또는 단선시에 발생될 수 있는 직렬 아크의 특성을 해석하기 위해 현장과 유사한 조건의 실험 장치를 제작하여 산화물이 증식된 실체 사진을 제시하였으며, 실시간으로 측정된 전압 및 전력 파형을 관측하고 분석하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
제안 방법
이때 사용된 부하는 전등 부하로서 부하의 크기에 따라 전류의 크기를 조절 가능하도록 하였으며, 부하의 변동은 정밀전력분석계(3030A, BMI, USA)를 사용하여 측정했으며, 접촉 불량에 따른 접촉면 양단의 전압은 전압 리드선을 통해 오실로스코프 (TDS-3052, Tektronics, USA)를 이용하여 측정하였다. 또한, 산화물의 증식 과정은 디지털 카메라를 이용하여 실시간 촬영하였으며, 시간에 따른 산화물의 증식 길이는 마이크로미터(Miyutoyo, Japan)를 이용하여 측정하였다. 이상과 같은 실험이 진행될 때 실험실의 조건은 온도 15[10], 습도 30[%] 정도의 분위기에서 실시함으로써 오차율을 최소화하였다.
절단된 전선과 전선은 접촉 불량 상태를 모의하기 위해 토크드라이버(FDS2-S, Tohnichi, Japan)를 이용하여 압력은 0 [N・m]로 설정하였다. 또한, 접촉면에서의 산화물 증식 현상을 재현하기 위하여 220[V], 60[Hz] 상용전원을 인가하였다. 직렬 아크를 산업 현장과 유사하게 유도되도록 왼쪽에 설치된 진동기(vibrator)로 전선 접촉면에 미소 진동을 주어 불꽃이 반복적으로 발생하도록 하였다.
이때 미소 진동의 인가는 제어부(control part)에서 조절하였으며, 2, 000 [rpm]으로 하였다. 이때 사용된 부하는 전등 부하로서 부하의 크기에 따라 전류의 크기를 조절 가능하도록 하였으며, 부하의 변동은 정밀전력분석계(3030A, BMI, USA)를 사용하여 측정했으며, 접촉 불량에 따른 접촉면 양단의 전압은 전압 리드선을 통해 오실로스코프 (TDS-3052, Tektronics, USA)를 이용하여 측정하였다. 또한, 산화물의 증식 과정은 디지털 카메라를 이용하여 실시간 촬영하였으며, 시간에 따른 산화물의 증식 길이는 마이크로미터(Miyutoyo, Japan)를 이용하여 측정하였다.
저압 옥내용 전기 설비와 동일한 220[V], 60[Hz] 상용전원이 공급되는 전선이 단선되어 직렬 아크가 발생할 때의산화물 성장 길이 및 산화물이 증식될 때 양단의 전압을 측정하였다. 부하는 100[W}의 전등 부하 4개를 사용하였으며 그때 통전 전류는 1.
전선 접속부의 산화물 증식이 있을 때 인가된 전원에 대한 전압 파형은 어떤 특성을 보이는지 알아보기 위해 오실로스코프를 이용해 측정하였다. 그림 7은 구리선-구리선접촉에서 시간에 따른 전압 파형을 나타낸 것이다.
절단한 2개의 나전 선을 좌우에 설치된 척(chuck)에 고정하였으며, 왼쪽은 고정하고 오른쪽은 상하, 좌우 그리고 전진과 후진을 할 수 있는 레일 위에 설치하여 직렬 아크가 일어나기 쉽도록 조절하였다. 절단된 전선과 전선은 접촉 불량 상태를 모의하기 위해 토크드라이버(FDS2-S, Tohnichi, Japan)를 이용하여 압력은 0 [N・m]로 설정하였다. 또한, 접촉면에서의 산화물 증식 현상을 재현하기 위하여 220[V], 60[Hz] 상용전원을 인가하였다.
실험에 사용한 구리선, 황동선, 청동선은 각각 60[mm] 길이로 절단하여 사용하였다. 절단한 2개의 나전 선을 좌우에 설치된 척(chuck)에 고정하였으며, 왼쪽은 고정하고 오른쪽은 상하, 좌우 그리고 전진과 후진을 할 수 있는 레일 위에 설치하여 직렬 아크가 일어나기 쉽도록 조절하였다. 절단된 전선과 전선은 접촉 불량 상태를 모의하기 위해 토크드라이버(FDS2-S, Tohnichi, Japan)를 이용하여 압력은 0 [N・m]로 설정하였다.
또한, 접촉면에서의 산화물 증식 현상을 재현하기 위하여 220[V], 60[Hz] 상용전원을 인가하였다. 직렬 아크를 산업 현장과 유사하게 유도되도록 왼쪽에 설치된 진동기(vibrator)로 전선 접촉면에 미소 진동을 주어 불꽃이 반복적으로 발생하도록 하였다. 이때 미소 진동의 인가는 제어부(control part)에서 조절하였으며, 2, 000 [rpm]으로 하였다.
대상 데이터
실험에 사용한 구리선, 황동선, 청동선은 각각 60[mm] 길이로 절단하여 사용하였다. 절단한 2개의 나전 선을 좌우에 설치된 척(chuck)에 고정하였으며, 왼쪽은 고정하고 오른쪽은 상하, 좌우 그리고 전진과 후진을 할 수 있는 레일 위에 설치하여 직렬 아크가 일어나기 쉽도록 조절하였다.
성능/효과
(1) 구리선과 구리선을 접촉한 상태에서 진동에 의한 직렬 아크가 시작되면 접촉면에서는 청백색의 불꽃이 초기에 발생하고 일정 시간이 지나면 황색의 불꽃이 발생한다. 즉적열로(hot zone)에서 증식이 확대되며 대부분 과열에 의해 표면은 검은 색으로 변형되는 것을 알 수 있으며, 초기의 직렬 아크가 생성되기 위해서는 미소 진동이 필연적이나 일정 시간이 경과하여 산화물 증식이 활성화되면 기계적인진 동이 없이도 성장되는 것을 알 수 있다.
(2) 황동선과 구리선 사이에 직렬 아크가 발생할 때의 산화물 증식은 10분 정도 경과되면 접촉면 근처의 구리선은 용융되어 검게 변하고 증식이 시작되지만, 약 90분 정도 경과되면 구리선은 대부분 과열에 의해 표면은 검은 색으로 변형되고 황동선도 검게 용융되고 적열로가 확실하게 형성되었다.
(4) 구리선과 구리선 사이에 직렬 아크가 발생할 때의 부하에 흐르는 전류는 1.6[A]이며 산화물 성장에 따른 접촉 저항의 상승으로 전력 소비도 약 19[W]에서 31[W]로 증가하는 것을 알 수 있다. 황동선-구리선의 경우 산화물증식에 따른 전압의 변화는 8.
산화물 증식을 나타낸 것이다. 그림 3(a)과 같이 10분정도 경과되면 접촉면 근처의 구리선은 용융되어 검게 변하고 증식이 시작되지만, 황동선은 도전율이 구리선보다 낮기때문에 용융은 더디게 진행된 것으로 판단된다. 그림 3(b) 과 같이 90분 정도 경과되면 구리선 표면은 대부분 과열에의해 검은색으로 산화 변형되고 황동선도 검게 용융되어 적열로가 확실하게 형성되지만, 산화물의 증식 길이는 구리선 -구리선 접촉 보다 짧은 것을 알 수 있다.
그림 3(a)과 같이 10분정도 경과되면 접촉면 근처의 구리선은 용융되어 검게 변하고 증식이 시작되지만, 황동선은 도전율이 구리선보다 낮기때문에 용융은 더디게 진행된 것으로 판단된다. 그림 3(b) 과 같이 90분 정도 경과되면 구리선 표면은 대부분 과열에의해 검은색으로 산화 변형되고 황동선도 검게 용융되어 적열로가 확실하게 형성되지만, 산화물의 증식 길이는 구리선 -구리선 접촉 보다 짧은 것을 알 수 있다. 구리 (390[W/mK])와 황동(120[W/mK])의 열전도율이 다르고저항률의 차이 등이 있기 때문으로 판단된다[15-16].
그림에서 알 수 있듯이 도전 재료의 종류에 따라 증식 길이의 차이가 큼을 알 수 있다. 구리선과 구리선에서 접촉 불량에 따른 산화물 증식이 가장 잘 일어났으며, 황동선과 황동선의 접촉 불량에 의한 산화물 증식이 가장 더디게 나타났다. 구리 선-구리선에서는 약 20분이 지난 후 약 2[mm]7} 성장하였으며, 90 분이 경과한 후에는 약 7.
2[mm])는 다른 시료보다 작게 증식되었다. 구리선과 구리선의 산화물 증식이 가장 활발하였으며, 황동선과 황동선의 산화물 증식이 가장 더디게 일어났다. 또한, 구리선과 접촉하는 청동선과 황동 선은 구리의 영향에 의해 산화물의 증식 현상이 비교적 쉽게 일어 났다.
이상과 같은 결과를 종합하면 전선과 전선 사이에 직렬 아크가 발생하여 산화물 증식이 발생하기 위해서는 초기에 일정한 진동이 필요하며 재질에 따른 일부 상이한 특성을 보이는 것을 알 수 있다. 산화 반응이 일어날 때 전압 파형은 미세한 리플이 수반되며 불규칙적인 파형이 관측됨을 밝혔다.
또한, 산화물의 증식 과정은 디지털 카메라를 이용하여 실시간 촬영하였으며, 시간에 따른 산화물의 증식 길이는 마이크로미터(Miyutoyo, Japan)를 이용하여 측정하였다. 이상과 같은 실험이 진행될 때 실험실의 조건은 온도 15[10], 습도 30[%] 정도의 분위기에서 실시함으로써 오차율을 최소화하였다.
청동선-구리선 접촉에서는 앞의 두 경우와 다르게 정 ( + )에서 전압 상승시에 피크만이 나타났으며, 40분이 경과된 후에는 산화물 성장이 더 이상 일어나지 않았다. 황동 선과 황동선 사이의 접촉에서는 정+ )과 부(-)의 피크가 거의 같았으며, 피크의 크기는 비교적 완만한 형태를 보이는 것으로 관측되었다. 또한, 산화물 증식에 따른 전압의 변화는 8.
따른 전압 파형을 나타낸 것이다. 황동선-황동선 사이의 접촉에서는 정( + )과 부(-)의 피크가 거의 같았으며, 피크의 크기는 비교적 완만한 형태를 보이는 것으로 관측되었다. 또한, 산화물 증식에 따른 접촉 불량부의 전압 변화는 8.
후속연구
산화 반응이 일어날 때 전압 파형은 미세한 리플이 수반되며 불규칙적인 파형이 관측됨을 밝혔다. 즉 이상의 특성을 동일한 시계열로 설정하고 각각의 특성에 대한 데이터를 분석하면 전기 설비의 직렬 아크 발생 여부를 판정할 수 있을 것이다.
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