본 논문에서는 MCCB 및 단자대 접속부의 접촉불량에 의한 소손특성을 분석하였으며, 발열을 감지하여 화재를 예방할 수 있는 다양한 기법들을 제시하였다. 첫째로, 열전대를 사용하는 방법과 적외선 열화상기를 사용하여 접촉불량 등의 원인에 의해서 발열을 감지하는 방법을 분석하였다. 또한, 접촉불량 발생시 변색여부로 쉽게 이상유무 판단이 가능한 서모캡의 특성을 분석하였으며, 공간 등의 제약을 덜 받으면서 접속부위에 상시 설치하고 감시할 수 있는 방식인 향 캡슐과 향 검지기를 사용하여 과열을 감지하는 시스템의 원리 및 특징을 분석하였다. 마지막으로, 가융합금의 용융특성을 응용한 접촉불량 감지나사를 제작하여 단자대에 적용 및 실험하여 성능을 검증하였다. 상기 제시된 기법들을 적절히 적용된다면 MCCB 및 단자대등의 접속부의 접촉불량에 의한 전기화재 예방에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
본 논문에서는 MCCB 및 단자대 접속부의 접촉불량에 의한 소손특성을 분석하였으며, 발열을 감지하여 화재를 예방할 수 있는 다양한 기법들을 제시하였다. 첫째로, 열전대를 사용하는 방법과 적외선 열화상기를 사용하여 접촉불량 등의 원인에 의해서 발열을 감지하는 방법을 분석하였다. 또한, 접촉불량 발생시 변색여부로 쉽게 이상유무 판단이 가능한 서모캡의 특성을 분석하였으며, 공간 등의 제약을 덜 받으면서 접속부위에 상시 설치하고 감시할 수 있는 방식인 향 캡슐과 향 검지기를 사용하여 과열을 감지하는 시스템의 원리 및 특징을 분석하였다. 마지막으로, 가융합금의 용융특성을 응용한 접촉불량 감지나사를 제작하여 단자대에 적용 및 실험하여 성능을 검증하였다. 상기 제시된 기법들을 적절히 적용된다면 MCCB 및 단자대등의 접속부의 접촉불량에 의한 전기화재 예방에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
In this study, damage characteristics of MCCB and terminal block due to poor contact were analyzed, and various poor contact detection techniques were suggested. Firstly, the detection techniques using thermocouple and infrared thermal camera were analyzed respectively. Also, thermo-cap during poor ...
In this study, damage characteristics of MCCB and terminal block due to poor contact were analyzed, and various poor contact detection techniques were suggested. Firstly, the detection techniques using thermocouple and infrared thermal camera were analyzed respectively. Also, thermo-cap during poor contact detected abnormal status effectively by changing its color, and the detection system using an odor detector and odor capsules was analyzed. Lastly, poor contact detection screw was made using characteristics of fusible alloy, and we applied the poor contact detection screw to terminal block. The above methods could prevent electrical fire caused by poor contact effectively if they are used properly.
In this study, damage characteristics of MCCB and terminal block due to poor contact were analyzed, and various poor contact detection techniques were suggested. Firstly, the detection techniques using thermocouple and infrared thermal camera were analyzed respectively. Also, thermo-cap during poor contact detected abnormal status effectively by changing its color, and the detection system using an odor detector and odor capsules was analyzed. Lastly, poor contact detection screw was made using characteristics of fusible alloy, and we applied the poor contact detection screw to terminal block. The above methods could prevent electrical fire caused by poor contact effectively if they are used properly.
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문제 정의
본 연구에서는 MCCB 및 단자대 접속부의 접촉불량에 의한 소손특성을 분석하고, 발열특성을 감지하여 화재를 예방할 수 있는 기법들이 제시되었으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
(a)는 단자대의 양 단자 중 전원측 단자 나사의 조임토크를 0[N · m]로 설정하였으며, 가진기에 연결하여 진동(5[G], 60]Hz])에 의한 서모캡의 동작특성을 관측하였다.
Figure 14에 나타낸 바와 같이 실험을 위해 제작된 나사는 직경 3[mm]이며, 나사 머리 안쪽을 절개하여 가융합금으로 연납을 삽입하였다. 물리적 진동에 의한 접촉 불량 유도를 위한 장치로는 소형 가진기를 이용하였으며, 전선은 x-rail에 고정하고 단자대를 가진기에 연결하였다. 진동은 5[G], 60[Hz]의 정현파를 10분간 인가하였으며, 부하는 220[V], 100[W] 전등부하 4개를 병렬 연결하여 사용하였다.
본 논문에서는 접촉불량에 의해 소손된 배선용차단기(MCCB: Molde case circuit breaker)7) 단자 접속부의 소손패턴을 분석하였고, MCCB 및 단자대(Terminal block)8)의 접속부위에 접촉불량을 발생시켜 접촉불량 감지기법에 따른 특성을 비교, 분석, 검증하였다.
실험에는 2개의 전열기(950[W]+570[W])를 사용하였으며, MCCB 2차측 중 부하측 한상의 조임토크를 0[N · m]로 설정한 상태에서 가진기를 사용하여 5[G], 60[Hz]의 진동을 인가하였다.
위에서 설계한 접촉불량 감지나사의 성능을 검증하기 위해 실험장치를 구성하여 기존 나사와 비교하였다. Figure 14에 나타낸 바와 같이 실험을 위해 제작된 나사는 직경 3[mm]이며, 나사 머리 안쪽을 절개하여 가융합금으로 연납을 삽입하였다.
전기 설비에서 접촉불량에 의한 이상 향 캡슐의 동작특성을 실험하기 위해 단자대(3P 30A)의 체결 나사 상부에 향 캡슐을 설치하였다. 이때 부하로는 220[V] 100[W] 전구 4개를 병렬 연결하여 사용하였으며 단자대에 가진기를 이용하여 기계적 진동(2[G], 60[Hz])을인가하였을 때 전선 고정 나사에서의 발열 및 아크 특성, 향 캡슐의 동작 상태를 확인하였다. Figure 12는 외부의 기계적 진동에 의해 접촉불량이 발생하고, 이때 발생한 열이 향 캡슐에 전도되어 향 캡슐의 밀봉부가 용융되어 캡슐 내부의 향 물질이 외부로 누출후의 향캡슐을 나타낸 사진이다.
이상과 같이 MCCB 및 단자대 접속부의 접촉불량 감지기법에 대한 감지특성을 실험을 통하여 분석하였으며, 다음과 같은 특징을 나타내었다.
전기 설비에서 접촉불량에 의한 이상 향 캡슐의 동작특성을 실험하기 위해 단자대(3P 30A)의 체결 나사 상부에 향 캡슐을 설치하였다. 이때 부하로는 220[V] 100[W] 전구 4개를 병렬 연결하여 사용하였으며 단자대에 가진기를 이용하여 기계적 진동(2[G], 60[Hz])을인가하였을 때 전선 고정 나사에서의 발열 및 아크 특성, 향 캡슐의 동작 상태를 확인하였다.
물리적 진동에 의한 접촉 불량 유도를 위한 장치로는 소형 가진기를 이용하였으며, 전선은 x-rail에 고정하고 단자대를 가진기에 연결하였다. 진동은 5[G], 60[Hz]의 정현파를 10분간 인가하였으며, 부하는 220[V], 100[W] 전등부하 4개를 병렬 연결하여 사용하였다.
대상 데이터
위에서 설계한 접촉불량 감지나사의 성능을 검증하기 위해 실험장치를 구성하여 기존 나사와 비교하였다. Figure 14에 나타낸 바와 같이 실험을 위해 제작된 나사는 직경 3[mm]이며, 나사 머리 안쪽을 절개하여 가융합금으로 연납을 삽입하였다. 물리적 진동에 의한 접촉 불량 유도를 위한 장치로는 소형 가진기를 이용하였으며, 전선은 x-rail에 고정하고 단자대를 가진기에 연결하였다.
Figure 15와 같이, 접촉불량 감지 나사는 기존 나사와 같이 초기에는 크고 작은 아크가 연속적으로 발생하나, 시간이 경과함에 따라 가융합금이 녹아 아크의 크기 및 아크의 발생빈도가 점차적으로 감소함을 확인할 수 있었다. 실험에 사용된 접촉불량 감지나사의 가융합금으로는 주석-납(Sn-Pb)계의 연납을 사용하였다. 일반적으로 가융 합금은 주성분인 비스무스(Bi), 주석(Sn), 카드뮴(Cd), 인듐(In) 등의 조합 성분에 따라 녹는점을 다르게 할 수 있으므로, 전기 접속부의 종류 및 특성에 따라 다양한 온도범위의 접촉불량 감지 나사의 설계, 제작이 가능하다.
9(b)는 MCCB의 1차측과 2차측 단자에 압착단자와 서모캡을 접속하였으며, 2차측 중 부하측 한상의 조임토크를 0[N · m]로 설정하여 진동에 의한 접촉불량을 유도하였다. 실험에 사용한 부하는 2개의 전열기(950[W]+570[W])를 사용하였으며, 진동의 크기 및 주파수는 5[G], 60[Hz]이었다.
성능/효과
1) 이와같이 증가 추세에 있는 접촉부 과열에 의한 화재를 예방하기 위해서는 전기적 접속부인 단자나사의 조임불량, 전선의 연결상태 불완전, 접점의 열화, 스프링 이완 등 접속부분의 위험요소에 대해 전기설비나 전기기기의 사용자 및 관리자의 주기적인 점검이 필요하며, 전기설비나 전기기기의 접속부분에 접촉불량 등의 원인에 의해 이상 발열이 발생하였을 경우, 이를 조기에 감지하여 적절한 조치를 취하는 것이 중요하다.2-4)
1) 접촉불량에 의해 소손된 차단기는 외부 화염이나 트래킹 등에 의해 소손된 차단기와는 달리 접촉불량이 발생된 단자 부위를 중심으로 국부적으로만 탄화가 진전되었다. 또한, 트래킹에 의해 탄화된 절연재료와는 달리 접촉불량에 의해 탄화된 절연재료는 절연재료의 성질을 유지하였다.
3) 적외선 열화상장치는 비접촉 상태에서 온도계측을 할 수 있어 활선상태에서 기기 전체의 온도상황을 파악할 수 있으며, 발열지점의 온도를 수치로 측정 할 수 있는 장점이 있다. 그러나 접속부위에 상시 설치하고 감시하기에는 비용, 공간 등의 제약이 있다.
4) 단자대(또는 배선용 차단기)와 전선의 접속부에 터미널 서모캡을 삽입하여 실험한 결과, 접촉불량이 발생한 단자부분에서 변색이 되었으며, 단자부분이 정상 상태로 복구되면 서모캡의 색도 원래의 색으로 복귀하였다. 따라서 터미널 서모캡은 접속부분의 발열 상태를 육안으로 점검하는데 효과적으로 적용이 가능하였다.
5) 향 감지방식은 일정한 온도에서 동작하여 특정의 냄새를 발생시켜 그 냄새를 향 센서에서 검지하여 이상발열 감시가 가능한 방식으로, 접촉불량에 의한 이상발열 실험결과, 접촉불량이 진전됨에 따라 향 캡슐의 저융 합금이 용융되어 향 물질이 분출되었으며, 시각·청각으로 표시하여 접촉불량 여부를 육안으로 확인할 수 있었다.
5,6) 터미널 서모캡은 전선 말단과 압착단자의 접속부분에 사용되어 접촉불량이나 발열시 변색에 의해서 이상유무를 쉽게 확인할 수 있으며, 서모라벨은 발열예상 부위에 부착하여 접촉불량 등의 원인에 의한 발열시 변색에 의해서 이상을 감지 할 수 있다. 또한 향 검지방식은 액상의 향 물질이 충전된 향 캡슐을 사용하여 설정된 온도로 발열할 경우 향 캡슐의 봉인부가 녹아 캡슐 내부에 있는 향 물질이 기화되면서 외부로 분출된 향 가스를 향 검지기가 검출하게 된다.
6) 접촉불량 감지나사는 나사 머리의 하부와 나사골을 낸 몸체사이에 가융합금을 채워서 만들어지며, 가융합금의 주성분인 비스무스(Bi), 주석(Sn), 카드뮴(Cd), 인듐(In) 등의 조합 성분에 따라 융점조정이 가능하다. 접촉불량 감지나사를 제작하여 단자대 접속부에 적용 하여 실험한 결과, 접촉불량이 발생함에 따라 가융합금 일부가 용융되면서 단자대와 나사의 접촉면적 증가에 의해 아크의 크기 및 아크의 발생 빈도가 기존의 나사를 사용하였을 때와 비교하여 감소하였다.
따라서, 트래킹에 의해 탄화된 절연재료는 절연특성을 잃고 탄화도전로가 형성되는 것과는 달리, 접촉불량에 의해 탄화된 절연재료는 절연특성을 유지하는 특성을 나타내었다.
접촉불량 감지나사는 가융합금을 나사머리 하부 등에 채워서 만들어 지며, 가융합금의 성분에 따라 융점조정이 가능하다. 실험결과 접촉불량이 진전됨에 따라 아크의 크기 및 발생빈도 등이 감소하는 특징을 나타내었다. 향후, 가융합금의 삽입위치, 삽입량, 가융합금의 용융특성 등에 대한 연구를 통해 설비특성에 맞는 최적의 접촉불량 감지 나사의 제작이 가능할 것으로 기대한다.
6) 접촉불량 감지나사는 나사 머리의 하부와 나사골을 낸 몸체사이에 가융합금을 채워서 만들어지며, 가융합금의 주성분인 비스무스(Bi), 주석(Sn), 카드뮴(Cd), 인듐(In) 등의 조합 성분에 따라 융점조정이 가능하다. 접촉불량 감지나사를 제작하여 단자대 접속부에 적용 하여 실험한 결과, 접촉불량이 발생함에 따라 가융합금 일부가 용융되면서 단자대와 나사의 접촉면적 증가에 의해 아크의 크기 및 아크의 발생 빈도가 기존의 나사를 사용하였을 때와 비교하여 감소하였다.
후속연구
위의 분석기법 및 감지기법들은 MCCB 단자대 접속부 등 전기설비 특성에 맞게 적절히 적용된다면 접촉불량의 원인분석 및 접촉불량에 의한 전기화재 예방에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
서모캡은 눈으로 보는 것만으로도 전선이나 케이블 접속부분의 발열상태를 확인할 수 있어서 접촉불량 발생시 변색여부로 쉽게 이상유무 판단이 가능하다. 이러한 단자 캡은 대부분이 일본제품이었으나, 최근에는 국내에서도 케이블 단말 상태 불량으로 인한 열화현상을 사전에 확인할 수 있는 육안 점검용 절연캡이 개발, 출시되어 재해예방 및 수입대체 효과가 기대된다.11)
실험결과 접촉불량이 진전됨에 따라 아크의 크기 및 발생빈도 등이 감소하는 특징을 나타내었다. 향후, 가융합금의 삽입위치, 삽입량, 가융합금의 용융특성 등에 대한 연구를 통해 설비특성에 맞는 최적의 접촉불량 감지 나사의 제작이 가능할 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
접속부분의 위험요소에는 무엇이 있나?
최근 전기화재 발생건수 및 점유율은 감소추세에 있으나, 접촉부 과열에 의한 화재의 발생건수 및 점유율은 증가 추세에 있다. 1) 이와같이 증가 추세에 있는 접촉부 과열에 의한 화재를 예방하기 위해서는 전기적 접속부인 단자나사의 조임불량, 전선의 연결상태 불완전, 접점의 열화, 스프링 이완 등 접속부분의 위험요소에 대해 전기설비나 전기기기의 사용자 및 관리자의 주기적인 점검이 필요하며, 전기설비나 전기기기의 접속부분에 접촉불량 등의 원인에 의해 이상 발열이 발생하였을 경우, 이를 조기에 감지하여 적절한 조치를 취하는 것이 중요하다. 2-4)
전기설비나 전기기기 접속부분에 접촉불량 등의 원인에 의해서 발열 등의 이상이 발생하였을 경우 이를 감지하는 방법은?
전기설비나 전기기기 접속부분에 접촉불량 등의 원인에 의해서 발열 등의 이상이 발생하였을 경우 이를 감지하는 방법으로는 접촉식으로는 열전대를 사용하는 방법, 비접촉식으로는 적외선 열화상장치를 사용하는 방법 등이 있으나, 접속부위에 상시 설치하고 감시하 기에는 비용, 공간 등 한계가 있다. 따라서, 좀 더 간편하고, 저렴하며, 효과적인 방식의 발열 감지 방식이 개발되어 왔다.
MCCB 및 단자대 접속부의 접촉불량에 의한 소손특성 분석과 발열특성 감지를 통한 화재예방기법에 대한 연구 결론은?
1) 접촉불량에 의해 소손된 차단기는 외부 화염이나 트래킹 등에 의해 소손된 차단기와는 달리 접촉불량이 발생된 단자 부위를 중심으로 국부적으로만 탄화가 진전되었다. 또한, 트래킹에 의해 탄화된 절연재료와는 달리 접촉불량에 의해 탄화된 절연재료는 절연재료의 성질을 유지하였다.
2) 열전대를 이용한 접촉불량의 과열 검지방식은 측정부위에 직접 접촉을 하여 측정을 하는 방법이다. 그러나 전류가 흐르는 도전체의 경우는 테프론 테이프 등으로 절연한 후 열전대와 접속하여, 측정부위와 열전대가 분리되지 않도록 주의하여야 한다.
3) 적외선 열화상장치는 비접촉 상태에서 온도계측을 할 수 있어 활선상태에서 기기 전체의 온도상황을 파악할 수 있으며, 발열지점의 온도를 수치로 측정 할수 있는 장점이 있다. 그러나 접속부위에 상시 설치하고 감시하기에는 비용, 공간 등의 제약이 있다.
4) 단자대(또는 배선용 차단기)와 전선의 접속부에 터미널 서모캡을 삽입하여 실험한 결과, 접촉불량이 발생한 단자부분에서 변색이 되었으며, 단자부분이 정상 상태로 복구되면 서모캡의 색도 원래의 색으로 복귀하였다. 따라서 터미널 서모캡은 접속부분의 발열 상태를 육안으로 점검하는데 효과적으로 적용이 가능하였다.
5) 향 감지방식은 일정한 온도에서 동작하여 특정의 냄새를 발생시켜 그 냄새를 향 센서에서 검지하여 이상발열 감시가 가능한 방식으로, 접촉불량에 의한 이상발열 실험결과, 접촉불량이 진전됨에 따라 향 캡슐의 저융 합금이 용융되어 향 물질이 분출되었으며, 시각·청각으로 표시하여 접촉불량 여부를 육안으로 확인할 수 있었다. 또한, 향 캡슐과 향 검지기를 사용하여 과열을 감지하는 시스템은 하나의 감지기로 다수의 전기기기나 설비를 지속적으로 감시할 수 있는 특징이있다.
6) 접촉불량 감지나사는 나사 머리의 하부와 나사골을 낸 몸체사이에 가융합금을 채워서 만들어지며, 가융합금의 주성분인 비스무스(Bi), 주석(Sn), 카드뮴(Cd), 인듐(In) 등의 조합 성분에 따라 융점조정이 가능하다. 접촉불량 감지나사를 제작하여 단자대 접속부에 적용 하여 실험한 결과, 접촉불량이 발생함에 따라 가융합금 일부가 용융되면서 단자대와 나사의 접촉면적 증가에 의해 아크의 크기 및 아크의 발생 빈도가 기존의나사를 사용하였을 때와 비교하여 감소하였다.
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