[논문]VCTF와 IV전선의 반단선에 의한 화재위험성 평가를 위한 열적특성 해석

김두현; 김성철; 이종호; 박종영; 박영호; 이형준

문제 정의

반단선 실험의 목적은 시뮬레이션과의 비교 분석을 통하여 반단선 데이터의 신뢰성을 확보하기 위함이다. 본 실험에서는 VCTF 전선(2 X 1.
이러한 개념을 이용한 선행연구 9)에 상용전선으로 주로 사용되고 있는 VCTF 전선에서 정상상태와 반단선 상태의 온도적 특성을 시뮬레이션하여 열적특성을 분석하고 그 결과를 제시하였다. 본 연구에서는 VCTF 전선과 IV 전선을 중심으로 실험을 추가하였고 실험값과 시뮬레이션 값을 상호 비교하여 반단선 상태의 특징적 데이터의 신뢰성을 확보하고자 하였다. 전선으로는 300V 범용 비닐평형시스코드(VCTF wire : PVC insulated PVC sheathed Cap Tyre Flexible cord, KSC 3304)坷와 600V의 옥내배선용 전선(IV wire: Indoorwire PVC, KSC 3302*)을 선정하였으며 시뮬레이션 프로그램은 Flux 3D를 이용하였다.

가설 설정

시뮬레이션을 위한 유한요소모델은 2가지로 가정하였으며 첫째는 정상상태 전선에 대한 부하증가에 따른 열적 해석모델이며 두 번째로는 물리적 손상, 즉 반단선 상태에서의 열적 해석모델이다. 이두 모델에 대하여 10A의 전류부터 각각 전선의 허용전류 200%까지 전류에 대한 열적 분석을 수행하였다.
이두 모델에 대하여 10A의 전류부터 각각 전선의 허용전류 200%까지 전류에 대한 열적 분석을 수행하였다. 주위온도는 20℃로 가정하였으며, 전류 증가로 인하여 도체에 발생한 전체 주울열의 손실은 식 (1)과 (2)를 적용하였고 기타 전선의 물리적 특성들은 힌국산업규격(KS)의 데이터를 바탕으로 Table 1과 Table 2를 통하여 입력하였다.

제안 방법

VCTF 전선과 IV 전선에 대한 정상상태와 반 단선 상태에서 유한요소해석과 실험을 통하여 온도 특성을 비교분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
VCTF 전선과 IV전선의 시뮬레이션 형상은 한 가닥의 동선부분을 1/3, 1/2, 2/3의 3가지로 절단하여 전선의 단면적을 변화시켰고, IV 전선의 반단선은 1/2로 전선의 형상을 설계하였다. 측정 지점인 피복 (PVC)의 물리적 특성 값들을 입력하였고 매질의 크기에 따라 메쉬를 나누었다'이5.
VCTF 전선에서 전류값에 따른 정상상태와 반 단선 상태의 열적특성을 분석하였다. 특히 허용전류에서의 정상상태와 반단선상태의 온도차, 전선의 허용온도인 7(rc에 해당되는 정상상태와 반단선 상태의 전류값, 과부하상태의 전선의 온도를 중점적으로 분석하였다.
측정 지점인 피복 (PVC)의 물리적 특성 값들을 입력하였고 매질의 크기에 따라 메쉬를 나누었다'이5. VCTF 전선의 경우 메쉬 크기를 1mm, 0.1mm, 0.05mm로 3가지 형태로 분류하였고, 이를 IV 전선의 경우에도 동일하게 적용하였다. 이에 대한 3차원적 그림은 참고문헌 9)에 제시되어 있다.
반단선 실험은 가정용 주택의 차단기 능력을 감안하여 20A까지의 전류 크기 및 시간에 따른 전기배선에서의 온도변화를 측정한 열해석을 통하여 정상상태와 1/2 반단선상태에서의 물리적 특성을 비교하였고 20A 이상의 경우와 반단선의 다양한 형태인 1/3, 1/2, 2/3에 대하여 시뮬레이션하였으며 전선의 도체파손에 대한 부분을 집중 연구하였다. 또한 두 전선 모두 허용전류 이내의 온도 변화와 허용전류의 200% 까지의 전류에 대한 온도변화를 분석하여 반 단선과 전류, 온도특성에 대한 상관성을 도출하였다2).
전선으로는 300V 범용 비닐평형시스코드(VCTF wire : PVC insulated PVC sheathed Cap Tyre Flexible cord, KSC 3304)坷와 600V의 옥내배선용 전선(IV wire: Indoorwire PVC, KSC 3302*)을 선정하였으며 시뮬레이션 프로그램은 Flux 3D를 이용하였다. 반단선 실험은 가정용 주택의 차단기 능력을 감안하여 20A까지의 전류 크기 및 시간에 따른 전기배선에서의 온도변화를 측정한 열해석을 통하여 정상상태와 1/2 반단선상태에서의 물리적 특성을 비교하였고 20A 이상의 경우와 반단선의 다양한 형태인 1/3, 1/2, 2/3에 대하여 시뮬레이션하였으며 전선의 도체파손에 대한 부분을 집중 연구하였다. 또한 두 전선 모두 허용전류 이내의 온도 변화와 허용전류의 200% 까지의 전류에 대한 온도변화를 분석하여 반 단선과 전류, 온도특성에 대한 상관성을 도출하였다2).
6mm)을 실험대상으로 선정하였다. 실험장치 구성은 Fig.l에 제시하였으며 상용전원에 독일 D사의 3kW와 G사의 3kW의 두 전열기를 부하로 이용하고 부하전류는 5, 10, 15, 20A로 인가하였다 분석장치로는 전류값을 측정하기 위해서는 일본의 H시-의 클램프메타를 이용하였고 스웨덴 A사의 열화상 측정기를 이용하여 전선피복 (PVC)의 온도를 측정하였다. 전선의 길이는 100mm 로 하였으며 반단선의 길이는 10mml로 설계하였다.
전선의 경우 10A에서 허용전류의 200%인 54A 까지의 전류를 흐르게 하여 각 지점별로의 열적 특성을 분석하였다. 여기서 IV 전선은 VCTF 전선과 마찬가지로 허용 전류에서의 정상상태와 1/2 반 단선 상태의 열적 변화, 전선의 허용온도인 60℃에 해당 되는 정상상태와 반단선 상태의 전류값, 과부하 상태의 전선의 온도를 중점적으로 분석하였다. Fig.
이두 모델에 대하여 10A의 전류부터 각각 전선의 허용전류 200%까지 전류에 대한 열적 분석을 수행하였다. 주위온도는 20℃로 가정하였으며, 전류 증가로 인하여 도체에 발생한 전체 주울열의 손실은 식 (1)과 (2)를 적용하였고 기타 전선의 물리적 특성들은 힌국산업규격(KS)의 데이터를 바탕으로 Table 1과 Table 2를 통하여 입력하였다.
이를 위해 전선 도체부분을 인위적으로 단선하여 정상상태와 반단선상태를 모의하고 전류 신호를 통한 과부하 정도를 분석하고 온도변화 추이를 통한 열적 변화를 분석한다. 이러한 개념을 이용한 선행연구 9)에 상용전선으로 주로 사용되고 있는 VCTF 전선에서 정상상태와 반단선 상태의 온도적 특성을 시뮬레이션하여 열적특성을 분석하고 그 결과를 제시하였다. 본 연구에서는 VCTF 전선과 IV 전선을 중심으로 실험을 추가하였고 실험값과 시뮬레이션 값을 상호 비교하여 반단선 상태의 특징적 데이터의 신뢰성을 확보하고자 하였다.
이를 위해 전선 도체부분을 인위적으로 단선하여 정상상태와 반단선상태를 모의하고 전류 신호를 통한 과부하 정도를 분석하고 온도변화 추이를 통한 열적 변화를 분석한다. 이러한 개념을 이용한 선행연구 9)에 상용전선으로 주로 사용되고 있는 VCTF 전선에서 정상상태와 반단선 상태의 온도적 특성을 시뮬레이션하여 열적특성을 분석하고 그 결과를 제시하였다.
Ⅳ.전선의 경우 10A에서 허용전류의 200%인 54A 까지의 전류를 흐르게 하여 각 지점별로의 열적 특성을 분석하였다. 여기서 IV 전선은 VCTF 전선과 마찬가지로 허용 전류에서의 정상상태와 1/2 반 단선 상태의 열적 변화, 전선의 허용온도인 60℃에 해당 되는 정상상태와 반단선 상태의 전류값, 과부하 상태의 전선의 온도를 중점적으로 분석하였다.
열적특성을 분석하였다. 특히 허용전류에서의 정상상태와 반단선상태의 온도차, 전선의 허용온도인 7(rc에 해당되는 정상상태와 반단선 상태의 전류값, 과부하상태의 전선의 온도를 중점적으로 분석하였다. VCTF의 분석지점으로 Fig.

대상 데이터

본 실험에서는 VCTF 전선(2 X 1.25mm²) 과 IV 전선(1 X 1.6mm)을 실험대상으로 선정하였다. 실험장치 구성은 Fig.
본 연구에서는 VCTF 전선과 IV 전선을 중심으로 실험을 추가하였고 실험값과 시뮬레이션 값을 상호 비교하여 반단선 상태의 특징적 데이터의 신뢰성을 확보하고자 하였다. 전선으로는 300V 범용 비닐평형시스코드(VCTF wire : PVC insulated PVC sheathed Cap Tyre Flexible cord, KSC 3304)坷와 600V의 옥내배선용 전선(IV wire: Indoorwire PVC, KSC 3302*)을 선정하였으며 시뮬레이션 프로그램은 Flux 3D를 이용하였다. 반단선 실험은 가정용 주택의 차단기 능력을 감안하여 20A까지의 전류 크기 및 시간에 따른 전기배선에서의 온도변화를 측정한 열해석을 통하여 정상상태와 1/2 반단선상태에서의 물리적 특성을 비교하였고 20A 이상의 경우와 반단선의 다양한 형태인 1/3, 1/2, 2/3에 대하여 시뮬레이션하였으며 전선의 도체파손에 대한 부분을 집중 연구하였다.
l에 제시하였으며 상용전원에 독일 D사의 3kW와 G사의 3kW의 두 전열기를 부하로 이용하고 부하전류는 5, 10, 15, 20A로 인가하였다 분석장치로는 전류값을 측정하기 위해서는 일본의 H시-의 클램프메타를 이용하였고 스웨덴 A사의 열화상 측정기를 이용하여 전선피복 (PVC)의 온도를 측정하였다. 전선의 길이는 100mm 로 하였으며 반단선의 길이는 10mml로 설계하였다. 반단선 방법은 정상적인 전선에 끌 도구를 이용하여 1/2 정도를 손상시킨 후 분리된 피복을 다시 덮었다.

성능/효과

1) 반단선의 경우 전선의 허용전류가 흘러도 정상 상태와 비교하였을 때 3(rc 정도의 높은 온도 차를 나타내었으며 이는 허용전류 이하의 값에서도 반 단선 상태의 전선은 열화가 가속될 수 있음을 의미한다.
2) 반단선의 정도에 따라 동일한 전류에 대해 온도상승의 폭은 다소 차이가 있으나 온도상승 패턴은 반단선의 정도에 무관하게 일관된 경향을 나타내었다.
반단선은 전선 피복(TVC)에 상당한 물리적 손상이 가해진 상태이며 이러한 상태가 지속적으로 유지된다면 피복의 탄화현상으로 인한 단락으로 쉽게 이를 수 있을 것으로 판단된다. 또한 반단선의 경우 전류가 약 20A 부근에서 온도가 약 uxrc 이싱-이 됨으로써 전선피복재가 열화 및 용융이 가속화되며, 전기화재의 발생가능성이 있는 것으로 나타났다. 특히 주목할 만한 것은 b 지점 20A에서 반단선의 경우 98℃로 나타났고 정상 상태의 전선에서는 62℃로 36℃의 높은 온도 차를 보였다.
3은 15A에서의 실험 및 시뮬레이션 결과값을 나타낸다. 실험에서 정상상태의 경우 실험과 시뮬레이션 모두 비슷한 열적 특성을 보였으나 반 단선의 경우 실험과 시뮬레이션 데이터 모두 열화 시간 5분 정도에서 포화되는 경향을 보였다. Fig.
5는 VCTF 전선의 B지점을 분석한 데이터로 20A까지는 실험과 시뮬레이션 데이터를 상호 비교하여 보수적인 값을 선정하였고 20A 이싱의 값은 시뮬레이션을 바탕으로 작성한 그래프이다. 정상 상태의 경우 부하전류에 대해 허용온도 이하의 값을 보였으나 반단선의 1/3의 경우는 16~ 18A 사이에 허용온도를 초과하였고, 1/2의 경우는 15A 정도에 허용온도를 초과하였다. 반단선은 전선 피복(TVC)에 상당한 물리적 손상이 가해진 상태이며 이러한 상태가 지속적으로 유지된다면 피복의 탄화현상으로 인한 단락으로 쉽게 이를 수 있을 것으로 판단된다.
54A(허용전류 200%) 에서는 정상상태에서는 171 ℃를 초과하였고 1/2 반 단선의 경우는 이미 235 ℃를 초과하였다. 특히 정상 상태와 반단선상태의 전 구간에 대한 온도 차를 분석하면 최소 20E에서 최대 60℃의 온도 차를 보였음을 알 수 있다.
9는 B지점을 분석한 그래프로 정상 상태의 경우 27A에서 53℃로 허용온도를 미만의 값을 보였고, 반단선의 경우 23A에서 허용온도를 초과함을 보였다. 허용전류인 27A의 정상상태는 허용온도 미만이나 반단선의 경우 75℃로 허용온도 15℃를 초과하는 열적 특성이 나타났다. 이는 시간이 증가함에 따라 전선피복재가 서서히 열화될 것으로 기대된다.

후속연구

3) VCTF 전선과 IV 전선에서의 발열과 전류 값을 고려하여 반단선과의 상관성을 도출하였고 이를 통하여 반단선 취약장소나 배전반 내부의 특정 장소에서의 반단선 감지에 활용될 수 있을 것이다. 감사의 글 : 이 논문은 2007년도 충북대학교 학술연구지원사업의 연구비지 원에 의하여 연구되었음.

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