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문제 정의
- 본 논문에서는 누전차단기 절연재료의 오염에 따른 트래킹 발생 특성을 고찰하고, 현재 일반가정에서 주로 사용하고 있는 누전차단기를 제조사별로 특성을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 논문에서는 분전반 내 누전차단기 외함 절연재료의 표면을 오염되지 않은 경우와 기타 오염물질에 오염된 경우 절연열화 특성을 비교·분석하여 절연재료의 오염에 따른 절연성능 변화 여부를 관찰함으로써 누전차단기 절연재료의 트래킹에 의한 화재 위험성을 규명하여 전기에 의한 화재를 미연에 예방하고 현장의 화재 원인 감식에 활용할 수 있도록 하였다.
제안 방법
- 5 A 이상의 전류가 2초 이상 지속되는 시점까지의 시간을 측정한 것이다.6)모든 실험은 각 시료별로 10회 반복실험을 실시하였다.
- KSC IEC 60112의 권고안인 회로의 단락 전극간 전류가 1.0±0.1 A를 만족시키기 위해 무유도성 가변저항 R를 설치하였다.
- 오염에 따른 누전차단기 절연재료의 트래킹 특성을 분석하기 위하여 고체 절연재료의 내트래킹 및 비교트래킹 지수를 측정하는 실험으로서 비교실험인 KSC IEC 60112.6)를 응용하여 최초방전 발생시간, 탄화도전로 형성 시간 및 트래킹 발생 형태등을 비교·분석하였다.
- 오염에 따른 트래킹 특성 분석에 앞서 제조사별로 누전차단기에 사용된 절연재료의 특성을 분석하기 위해 TGA를 이용하여 열중량분석을 진행하였다. 승온속도는 10℃/min이며, 분위기 가스는 N2를 사용하여 100 ml/min으로 흘려주었다.
- 승온속도는 10℃/min이며, 분위기 가스는 N2를 사용하여 100 ml/min으로 흘려주었다. 절연재료의 오염은 KS C 3004의 20 절연체의 내유 실험을 기준으로 하여 시료를 오염물질(절삭유(수성용절삭유), 윤활유(Lithium grease, Hydrocarbon fluid), 물, 염수(5 wt%)에 70℃의 온도에서 4시간 동안 침유시킨 후 상온에서 24시간 건조후에 실험을 진행하였다.4)
- 최초방전 발생시간은 오실로스코프[Tektronix(TDS2022B)]를 이용하여 전류를 측정하여 분석하였으며, 탄화도전로 형성 시간은 전극사이의 건조대에서 지속적인 누설전류로 인하여 절연재료의 표면에 탄화가 지속적으로 진행되어 절연재료의 절연이 파괴되어 0.5 A 이상의 전류가 2초 이상 지속되는 시점까지의 시간을 측정한 것이다.6)모든 실험은 각 시료별로 10회 반복실험을 실시하였다.
대상 데이터
- 실험시료는 현재 우리나라에서 일반적으로 사용되고 있는 3개 제조사의 누전차단기로서 단상 2선식, 정격감도전류 30 mA에 정격전류는 20 A, 최소동작시간 0.03 sec, 전원측 단자간 거리가 약 13 mm인 것을 사용하였으며, 누전차단기의 절연재료를 가로 40 mm, 세로 30 mm 크기로 절단하여 사용하였다. Figure 1은 실험에 사용된 제조사별 누전차단기이다.
데이터처리
- 최초방전 발생시간은 절연재료 표면에 발생한 건조대에 최초로 발생하는 방전을 오실로스코프를 이용하여 전류파형을 분석하였으며, 각 시료별로 10회 측정하여 그 평균값을 나타내었다.
이론/모형
- 오손액은 가혹한 조건에서 열화를 가속시키기 위해 IEC(International Electrotechnical Commission)605895)의 기준에 따라 0.1[%]의 염화나트륨(NaCl)을 용해시킨 수용액을 사용하였고 30 mm의 높이에서 20 mm3의 양을 60초 간격으로 투여하였으며, 이 때 전극간의 거리는 5 mm로 하였다.
성능/효과
- 1) 시료로 선정된 3개 제조사의 누전차단기 절연재료의 특성을 분석한 결과 열안전성이 우수한 제조사의 경우 내트래킹성이 타제조사에 비해 낮게 나타나는 것을 알 수 있었다. 이는 각 제조사별로 주재료인 페놀수지 외에 첨가된 충전제의 영향에 의한 것으로 사료된다.
- 2) 시편으로 사용된 오염물질로 오염된 경우 3개 제조사 모두 최초방전 발생시간 및 탄화도전로의 형성시간이 오염물질별로 크게 차이를 보였으며, 염수에 오염된 시료 > 물에 오염된 시료 > 절삭유에 오염된 시료 > 윤활유에 오염된 시료 순으로 나타났다.
- 3) 트래킹으로 인해 발생된 탄화흔의 형태가 제조사별로 상이하게 나타났으며, 오염물질에 오염된 경우 오염이 되지 않은 시료보다 트래킹으로 인한 탄화가 심하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- Figure 5는 절연재료 표면에 탄화가 진행되어 탄화도전로 형상를 나타낸 것이다. B제조사와 C제조사의 경우 양 전극 사이에서 규칙적으로 건조대가 형성이 되면서 탄화가 진행이 되어 전극의 가로방향으로 도전로가 형성이 되었으나 A제조사의 경우 양 전극의 사이가 아닌 전극 주변에서 불규칙적으로 건조대가 발생하고 탄화 역시 전극 중앙의 가로방향이 아닌 전극 주변에서 산발적으로 진행되는 것을 확인할 수 있었다.
- A제조사의 경우 절연재료 표면이 불규칙적으로 침식되는 현상을 확인할 수 있었으며, B 제조사의 경우 트래킹이 발생한 부분이 홈이 파인 형태를 나타났다. C제조사의 경우 균일하게 양전극 사이에 탄화된 흔적을 확인 할 수 있었으며 탄화된 부분의 표면이 부풀어 오르는 현상이 나타났다. 실험에 사용된 모든 제조사의 누전차단기 절연재료를 오염시킨 경우 오염이 되지 않은 시료 보다 탄화의 정도가 심하게 진행 되었으며, Table 2의 탄화도전로 형성시간과 비교해 보았을 때 탄화도전로가 형성되는데 걸리는 시간이 긴 시료일수록 탄화가 심하게 진행되는 것을 확인할 수 있었다.
- 특히 A제조사의 경우 중량감소율이 B제조사에 비해 큰 것을 알 수 있었다. 같은 용량의 누전차단기라도 제조사별로 절연 재료의 열안정성이 차이가 많이 나는 것을 확인할 수 있었으며 3개 제조사 가운데 C제조사가 열안정성이 가장 우수하고 A제조사가 제일 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 제조사별로 주재료인 페놀수지 외에 난연제 및 기타 충전제의 영향에 의한 것으로 사료된다.
- 실험결과 A제조사의 경우 오염이 되지 않은 정상시료는 오손액을 투하 한지 약 6분 경과후에 최초방전이 발생하였으며, 물과 절삭유, 윤활유 등에 오염된 시료는 약 5분 경과후 최초방전이 발생하였다. 염수에 오염된 경우는 가장 빠른 시간인 약 2분 경과후 방전이 발생하였다.
- 실험결과 A제조사의 경우 탄화도전로가 형성이 되지 않았으며, B제조사의 경우 오염되지 않은 정상시료의 경우 약 12분 경과후에 탄화도전로가 형성이 되었으며, 물에 오염된 시료는 약 7분, 염수에 오염된 시료는 약 6분, 절삭유에 오염된 시료는 약 4분, 윤활유에 오염된 시료는 약 8분 경과후 탄화도전로가 형성이 되었다. C제조사의 경우 오염이 되지 않은 정상시료의경우 약 10분 경과후 탄화도전로가 발생하였으며, 물에 오염된 시료는 약 6분, 염수에 오염된 시료는 약 5분, 절삭유에 오염된 시료는 약 4분, 윤활유에 오염된 시료는 약 7분 경과후 탄화도전로가 형성이 되었다.
- C사의 경우 오염이 되지 않은 정상시료의 경우 약 5분 경과후 최초방전이 발생하였으며, 윤활유에 오염된 시료의 경우 약 4분 경과후, 절삭유에 오염된 시료는 약 3분 경과후, 염수와 물에 오염된 시료는 약 1분 경과후 최초방전이 발생하였다. 실험결과 다소 시간적인 차이가 있으나 모든 제조사가 염수, 물, 절삭유, 윤활유 정상시료 순으로 오염된 시료가 오염이 되지 않은 시료보다 최초방전 시간이 빠르게 나타났으며, 절삭유나 윤활유에 오염된 시료보다 물과 염수에 오염된 시료가 최초방전 발생 시간이 확연이 줄어드는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 기름성분이 절연재료 표면에 유막을 형성하여 건조대의 형성에 영향을 미친 것으로 사료되며, 오염물질(절삭유, 윤활유) 고유의 절연성능 또한 영향을 주는 것으로 사료 된다.
- C제조사의 경우 균일하게 양전극 사이에 탄화된 흔적을 확인 할 수 있었으며 탄화된 부분의 표면이 부풀어 오르는 현상이 나타났다. 실험에 사용된 모든 제조사의 누전차단기 절연재료를 오염시킨 경우 오염이 되지 않은 시료 보다 탄화의 정도가 심하게 진행 되었으며, Table 2의 탄화도전로 형성시간과 비교해 보았을 때 탄화도전로가 형성되는데 걸리는 시간이 긴 시료일수록 탄화가 심하게 진행되는 것을 확인할 수 있었다.
- 탄 화도전로가 형성이 된 B제조사와 C제조사 대부분의 시료가 최초방전 발생 시간과 같은 염수, 물, 절삭유, 윤활유, 정상시료 순으로 오염이 되지 않은 시료보다 오염된 시료가 탄화 도전로 형성시간이 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 실험에 사용된 오염물질로 인해 절연재료의 표면저항 저하로 인한 것으로 생각되며, 실험에 사용된 3개 제조사 중 A제조사의 누전차단기 절연재료가 내트래킹성이 가장 우수한 것으로 나타났다. 그리고 오염물질 중 윤활유의 경우 정상시료의 탄화도전로 발생 시간과 크게 차이가 나지 않는 것을 알 수 있었다.
- 6%의 높은 점유율을 보이고 있다. 전기화재 원인별 발생을 보면 합선에 의한 전기화재가 가장 많았고 다음으로는 누전, 과부하 등의 순서로 나타났다.1)
- C제조사의 경우 오염이 되지 않은 정상시료의경우 약 10분 경과후 탄화도전로가 발생하였으며, 물에 오염된 시료는 약 6분, 염수에 오염된 시료는 약 5분, 절삭유에 오염된 시료는 약 4분, 윤활유에 오염된 시료는 약 7분 경과후 탄화도전로가 형성이 되었다. 탄 화도전로가 형성이 된 B제조사와 C제조사 대부분의 시료가 최초방전 발생 시간과 같은 염수, 물, 절삭유, 윤활유, 정상시료 순으로 오염이 되지 않은 시료보다 오염된 시료가 탄화 도전로 형성시간이 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 실험에 사용된 오염물질로 인해 절연재료의 표면저항 저하로 인한 것으로 생각되며, 실험에 사용된 3개 제조사 중 A제조사의 누전차단기 절연재료가 내트래킹성이 가장 우수한 것으로 나타났다.
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