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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 현재 우리나라에서 일반적으로 사용되고 있는 주성분이 페놀수지인 누전차단기 외함 절연재료의 소손특성 등을 비교·분석하여 분전반내 차단기에서 발생하는 화재의 원인규명을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.
제안 방법
- Table 3은 각 시료별 비교트래킹 지수를 나타낸 것이다. A사의 경우 타사의 시료와는 달리 탄화도전로가 형성 되지 않고 시료표면이 침식되는 현상이 발생하여 KS C IEC 60112.의 기준에 서 정하는 바와 같이 시료의 두께를 3mm 이상으로 하여 50방울 이내에 시료를 관통 하는 구멍이 생기는 전압을 비교트래킹 지수로 결정하였다. 실험결과 A사는 600V에서 시료를 관통하는 구멍이 생성 되었고, B사와 C사의 경우 시간의 차이는 있으나 두 제조사 모두 비교트래킹 지수는 150V로 나타났다.
- 각 제조사의 누전차단기 외함 절연재료의 열특성을 분석하기 위해 TGA(제조사, 모엘)를 사용하였다. 온도 범위는 실온에서 700℃로 설정하였으며, 승온속도는 10℃/min의 속도로 온도를 상승시키며 온도에 따른 열분해 특성을 분석하였다.
- 본 논문에서는 일반적으로 사용되는 여러 제조사의 누전차단기 외함 절연재료의 소손 특성을 비교·분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 실험은 KS C IEC 6011210)에 따라 시료 표면에 오손액이 50방울에서 트래킹 파괴가 일어나지 않는 최대 전압을 측정하여 비교트래킹 지수로 하였다. 비교트래킹 지수는 시료 표면에 오손액이 50방울에서 트래킹 파괴가 일어나지 않는 최대전압이다.
- 실험장치는 Figure 1에 나타낸 콘 형태의 복사전기히터(cone heater), 시간에 따른 시료의 무게변화를 측정하기 위한 무게측정장치(load cell), 시료홀더(sample holder), 스파크 점화장치, heat flux meter, data 수집 및 분석시스템 (Data logger와 Computer) 등으로 구성되어 있다. 실험은 복사전기히터의 바닥면과 누전차단기 스위치 상부 표면 사이 거리를 25.0mm로 조정한 후 시료홀더 위에 누전차단기를 놓고, 무게 측정장치 위에 수평으로 설치하여 실제 화재실과 유사한 조건을 주기위해 상온에서부터 550℃, 650℃, 750℃의 온도로 일정하게 상승시키면서 15분 동안 복사열에 노출 시켜 각 노출 온도에 따른 착화온도, 중량변화 등 연소특성을 관찰하였다. 시료에 대한 착화는 복사전기 히터하부와 시료 상부의 중간에 위치한 스파크 점화장치를 이용하였다.
- 각 제조사의 누전차단기 외함 절연재료의 열특성을 분석하기 위해 TGA(제조사, 모엘)를 사용하였다. 온도 범위는 실온에서 700℃로 설정하였으며, 승온속도는 10℃/min의 속도로 온도를 상승시키며 온도에 따른 열분해 특성을 분석하였다. 분위기 가스로는 N 2 를 사용하여 100ml/min으로 흘려주었다.
- 착화온도는 시료 표면에 K-type(φ1.0mm)의 열전대를 이용하여 매 1초 간격으로 측정하였다.
대상 데이터
- 0mm로 조정한 후 시료홀더 위에 누전차단기를 놓고, 무게 측정장치 위에 수평으로 설치하여 실제 화재실과 유사한 조건을 주기위해 상온에서부터 550℃, 650℃, 750℃의 온도로 일정하게 상승시키면서 15분 동안 복사열에 노출 시켜 각 노출 온도에 따른 착화온도, 중량변화 등 연소특성을 관찰하였다. 시료에 대한 착화는 복사전기 히터하부와 시료 상부의 중간에 위치한 스파크 점화장치를 이용하였다.
- 실험시료는 Table 1과 같이 3개 제조사의 누전차단기 외함의 절연재료를 사용하였으며, 각각 A사, B사 및 C사로 구분하였다.
- 각 제조사의 누전차단기 외함 절연재료의 연소특성을 분석하기 위해 ISO5660(Fire tests - Reaction to Fire, part 1)을 만족하는 Mass Loss Calorimeter(FTT사,모델명)를 사용되었다. 실험장치는 Figure 1에 나타낸 콘 형태의 복사전기히터(cone heater), 시간에 따른 시료의 무게변화를 측정하기 위한 무게측정장치(load cell), 시료홀더(sample holder), 스파크 점화장치, heat flux meter, data 수집 및 분석시스템 (Data logger와 Computer) 등으로 구성되어 있다. 실험은 복사전기히터의 바닥면과 누전차단기 스위치 상부 표면 사이 거리를 25.
- 오손액은 가혹한 조건에서 열화를 가속시키기 위해 IEC(International Electrotechnical Commission) 605899)의 기준에 따라 제조된 0.1[%]의 염화나트륨(NaCl) 수용액을 사용 되었다.
- 전원은 교류 220V, 60Hz로 하였고, 내트래킹 장비는 KSC IEC(Korea standard C International Electrotechnical Commission) 60112에 따라 제작된 것을 사용하였다. 가변저항 R은 무유도성으로 KS C IEC의 권고안인 회로의 단락 전류가 1.
이론/모형
- 각 제조사의 누전차단기 외함 절연재료의 연소특성을 분석하기 위해 ISO5660(Fire tests - Reaction to Fire, part 1)을 만족하는 Mass Loss Calorimeter(FTT사,모델명)를 사용되었다. 실험장치는 Figure 1에 나타낸 콘 형태의 복사전기히터(cone heater), 시간에 따른 시료의 무게변화를 측정하기 위한 무게측정장치(load cell), 시료홀더(sample holder), 스파크 점화장치, heat flux meter, data 수집 및 분석시스템 (Data logger와 Computer) 등으로 구성되어 있다.
성능/효과
- 1) 각 시료의 열분해 특성을 분석한 결과 중량감소율이 A사(96%), B사(65.23%), C사(80.9%)로 B사가 열 안전성이 가장 우수한 것으로 나타났다. 이는 타사에 비해 B사의 절연재료에 안정화제의 함유량이 많거나, 성능이 우수한 안정화제의 첨가에 기인 된 것으로 사료 된다.
- 2) 각 시료의 연소 특성을 분석한 결과 A사의 경우 550℃ 이하의 복사열에서도 착화가 되었으며, B사의 경우 착화가 발생하지 않았다. C사는 550℃와 650℃의 복사열에서 착화가 이루어 졌으나 일정 시간 경과 후 화염이 소멸되는 것을 확인 할 수 있었다.
- 3) 각 시료의 트래킹 특성을 분석한 결과 내트래킹성은 A사 > C사 > B사의 순으로 A사가 내트래킹성은 가장 우수하게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 A사의 절연재료가 타사의 절연재료 보다 열분해시 휘발분 생성 에너지가 탄소를 생성하는 에너지보다 크기 때문인 것으로 사료된다.
- 4) 각 시료의 트래킹에 의한 소손 형태를 분석한 결과 B사와 C사의 경우 양 전극 사이에 전극의 가로방향으로 도전로가 형성이 되었으나 A사의 경우 양 전극의 사이가 아닌 전극 주변에서 불규칙적으로 탄화가 진행 되는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 A사의 경우탄소소멸현상으로 인해 탄화도전로가 전 구간에 걸쳐 형성되지 못하기 때문인 것으로 사료된다.
- A사의 경우 모든 노출 온도에서 시료 표면에 착화가 되었으며, 노출 온도에 따른 표면온도의 변화가 크게 나지 않는 것을 확인 할 수 있었고, B제조사의 경우 550℃의 복사열에서는 착화가 이루어지지 않았으며, 외부 복사열의 온도가 증가할수록 표면 온도변화가 증가하는 것을 알 수 있었다. C제조사의 경우 550℃와 650℃의 복사열에 노출된 시료는 착화가 되었으나 일정시간 경과후 화염이 소멸되는 현상이 나타났으며, 750℃의 복사열에서는 착화되어 화염이 유지되는 현상을 관찰 할 수 있었다.
- Figure 7은 절연재료 표면에 탄화가 진행되어 탄화도전로를 형성했을 때의 형상을 나타낸 것이다. B사와 C사의 경우 양 전극 사이에서 규칙적으로 건조대가 형성이 되면서 탄화가 진행이 되어 전극의 가로방향으로 도전로가 형성이 되었으나 A사의 경우 양 전극의 사이가 아닌 전극 주변에서 불규칙적으로 건조대가 발생하고 탄화 역시 전극 중앙의 가로방향이 아닌 전극 주변에서 산발적으로 진행 되는 것을 확인 할 수 있었다.
- 7%가 감소되었다. 각 시료의 열중량분석 결과 400℃ 이하의 온도에서는 C사의 시료가 열안정성이 가장 우수하였고, 400℃ 이후의 온도에서는 B사의 시료가 타제조사에 비해 열 안정성이 우수한 것을 알 수 있었다. 실험 결과 각 제조사별로 열분해 온도가 상이한 것을 확인할 수 있었으며, 이는 누전차단기 외함 절연재료의 주재료인 페놀수지 외에 첨가되는 첨가제 중 안정화제의 종류와 첨가비율에 의한 것으로 사료된다.
- C사는 550℃와 650℃의 복사열에서 착화가 이루어 졌으나 일정 시간 경과 후 화염이 소멸되는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 열분해가 시작되는 온도는 B사가 높게 나타났으나 650℃에서도 연소가 유지 되지 않는 C사가 타사에 비해 난연성이 우수한 것을 알 수 있었다.
- 실험결과 A사는 600V에서 시료를 관통하는 구멍이 생성 되었고, B사와 C사의 경우 시간의 차이는 있으나 두 제조사 모두 비교트래킹 지수는 150V로 나타났다. 비교트래킹 지수 분석결과 3개 시료 중 A사가 내트래킹성이 가장 우수하고, B사가 내트래킹성이 가장 낮은 것으로 나타났다. A사의 절연재료와 같이 절연재료 표면이 탄화가 되지 않고 침식이 되는 것은 절연재료의 분자구조에 기인된 것이다.
- 각 시료의 열중량분석 결과 400℃ 이하의 온도에서는 C사의 시료가 열안정성이 가장 우수하였고, 400℃ 이후의 온도에서는 B사의 시료가 타제조사에 비해 열 안정성이 우수한 것을 알 수 있었다. 실험 결과 각 제조사별로 열분해 온도가 상이한 것을 확인할 수 있었으며, 이는 누전차단기 외함 절연재료의 주재료인 페놀수지 외에 첨가되는 첨가제 중 안정화제의 종류와 첨가비율에 의한 것으로 사료된다. 안정화제의 종류에는 산화방지제나 과산화물 분해제 등이 있으며, 열분해 반응을 억제 시키는 효과가 있다.
- 의 기준에 서 정하는 바와 같이 시료의 두께를 3mm 이상으로 하여 50방울 이내에 시료를 관통 하는 구멍이 생기는 전압을 비교트래킹 지수로 결정하였다. 실험결과 A사는 600V에서 시료를 관통하는 구멍이 생성 되었고, B사와 C사의 경우 시간의 차이는 있으나 두 제조사 모두 비교트래킹 지수는 150V로 나타났다. 비교트래킹 지수 분석결과 3개 시료 중 A사가 내트래킹성이 가장 우수하고, B사가 내트래킹성이 가장 낮은 것으로 나타났다.
- A사와 C사는 약 280℃에서 착화가 되었으며, B사의 경우 약 350℃에서 착화가 발생 하였다. 한편, A사, B사, C사 모두 착화시간은 미소한 차이가 나지만 노출된 복사열 증가에 따른 착화온도는 일정하게 나타났다. 이는 각각의 설정된 온도까지 도달하는 시간이 노출복사 열의 온도가 높을수록 빨리 도달하기 때문인 것으로 사료된다.
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