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문제 정의
- 최근 LED 조명설비에 대한 국가 규격이 제정되었다. LED 조명설비와 관련된 기준과 규격을 알아보고자 한다.
- 본 논문에서는 옥외용 LED 가로등 및 보안등 설비에 대한 전기설비기술기준과 한국산업규격을 조사, 분석하였으며, LED 가로등 및 보안등의 구조와 동작시의 전압, 전류파형 등 전기적 특성, 열적 특성, 절연 특성, 절연물의 난연 특성 등에 대하여 실험, 분석하였다. 이러한 연구결과는 LED 조명설비의 성능향상과 전기안전기술의 확보를 위한 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
제안 방법
- 또한, 각부의 온도분포는 실시간 영상·열분포 측정시스템(TI45FT, Fluke, USA)을 이용하여 측정하였으며 절연물의 난연 특성은 외부에서 미소 화염을 인가한 후 제거하는 방법으로 실험을 수행하였다.
- 현장의 설치조건과 유사하게 하기 위하여 지상에서 접지선(접지저항 약 80Ω)을 인출하여 LED 등기구의 금속제 외함 부분에 전기적으로 접속한 후 각각의 측정점 간의 절연을 절연저항계(1587, Fluke, USA)를 이용하여 측정하였다. 실험전압은 교류 220V의 상용전원이 입력되는 컨버터 1차측의 전원입력 단자(전로)와 등기구 외함 간의 절연저항은 DC 500V를 인가하였으며, 컨버터 2차측 단자(전로)와 외함, 컨버터 1차측 단자(전로)와 2차측 단자(전로) 사이는 DC 100V의 실험전압으로 측정, 분석하였다.
- 전기적 특성은 전원을 인가하여 LED 조명을 점등한 후 20분 간격으로 1시간 동안의 파형 변화를 측정·분석하였다.
- LED 가로등은 2개의 컨버터로 되어 있으며, 각각의 컨버터에서 변환된 출력전원은 3개의 모듈에 각각 공급하도록 되어 있으며 등기구와 LED 모듈은 방열 구조로 설계되어 있다. 전기적 특성은 전원입력부의 1차측 입력전압 및 전류와 컨버터 1개의 2차측 전압과 전류파형을 측정하였다.
- 실험에 사용된 내장형 LED 가로등 및 보안등은 표 3과 같으며, KS 규격이 제정되기 이전에 제작된 LED 등기구이다. 전기적 특성의 측정은 그림 1과 같이 전력변환장치(이하, 컨버터라 함)의 전단과 후단에서 측정하였으며, 컨버터 전단의 1차측 전압, 전류는 전력품질분석기(PQM, PNA-560, Dewetron, Austria)와 전류 프로브(MN45, Chauvin Arnoux, France)를 이용하여 측정하였으며, 컨버터 후단의 2차측 전압, 전류는 오실로스코프(TDS-3052, Tektronix, USA)와 전류 프로브(PR630, LEM, UK)를 이용하여 측정하였다. 전기적 특성은 전원을 인가하여 LED 조명을 점등한 후 20분 간격으로 1시간 동안의 파형 변화를 측정·분석하였다.
- 현장의 설치조건과 유사하게 하기 위하여 지상에서 접지선(접지저항 약 80Ω)을 인출하여 LED 등기구의 금속제 외함 부분에 전기적으로 접속한 후 각각의 측정점 간의 절연을 절연저항계(1587, Fluke, USA)를 이용하여 측정하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 내장형 LED 가로등 및 보안등은 표 3과 같으며, KS 규격이 제정되기 이전에 제작된 LED 등기구이다. 전기적 특성의 측정은 그림 1과 같이 전력변환장치(이하, 컨버터라 함)의 전단과 후단에서 측정하였으며, 컨버터 전단의 1차측 전압, 전류는 전력품질분석기(PQM, PNA-560, Dewetron, Austria)와 전류 프로브(MN45, Chauvin Arnoux, France)를 이용하여 측정하였으며, 컨버터 후단의 2차측 전압, 전류는 오실로스코프(TDS-3052, Tektronix, USA)와 전류 프로브(PR630, LEM, UK)를 이용하여 측정하였다.
- LED 등기구는 4개의 LED 모듈로 되어 있으며, 등기구 내부에 3개의 방열기구가 부착되어 있다. 전력변환장치(컨버터)는 소형 변압기 1개, 콘덴서 1개, 정류소자 1개가 1세트(1개 컨버터)로 총 4개의 컨버터로 구성되어 있으며, 컨버터 1개에 LED 모듈 1개가 접속되는 구조로 되어 있다.
이론/모형
- 절연저항시험에 있어 KS C IEC 60598-1(등기구-제1부: 일반요구사항 및 시험, 2008)의 10.2에 의해 시험대상에 대략 500V 직류전압을 적용한 후 측정하며, 등기구의 SELV 부분의 절연측정에 대해서는 DC 100V를 인가하여 측정된 절연저항 값이 2MΩ 보다 작아서는 안 된다.
성능/효과
- (1) 전기설비기술기준을 분석한 결과, 가로등설비는 지락 차단장치를 설치하여야 하며, 등주는 제3종 접지를 하고, 등주 내 전선 접속부는 절연과 방수성능이 확보되어야 하며 또한, 0.2MΩ 이상의 절연을 확보하여야 한다.
- (2) 컨버터 내장형 가로등의 특성을 분석한 결과, 컨버터는 2개로 각각 별도의 외함으로 되어 있으며, 전원입력부분의 1차측의 전류파형은 왜형파를 나타냈으나, 컨버터 2차측의 전압, 전류 파형은 거의 선형적으로 나타났다. 절연저항 측정결과, 1개의 컨버터 2차측 단자와 외함 간의 절연이 불량한 것을 알 수 있었다.
- (3) 컨버터 내장형 보안등(1)의 특성을 분석한 결과, 컨버터는 소형 트랜스와 정류소자, 콘덴서가 1개의 세트로 4개 세트의 컨버터로 구성되어 있으며, 1차측의 전류파형은 왜형파를 나타냈다. 2차측의 전압, 전류파형에는 상층부에 톱니파형이 포함된 파형이 관찰되었으며 주기적으로 영점(zero point)을 지남을 알 수 있었다.
- (4) 컨버터 내장형 보안등(2)의 특성을 분석한 결과, 컨버터는 트로이달 코일 1개와 정류소자 1개로 구성되어 있으며, 1차측의 전류는 왜형파를 나타내며, 2차측의 파형은 전압, 전류 파형 모두 반파의 형태를 나타냈다. 이러한 파형은 조명설비의 깜빡거림을 일으키게 되며, 조명기구의 성능과 수명 등에 좋지 않은 영향을 미칠 것으로 사료된다.
- 390A로 측정되었으며 왜형파를 나타냈다. 1개의 컨버터 2차측의 출력전압은 24.6～25.9V, 전류는 2.16～2.5A로 측정되었으며 전압, 전류의 출력파형에서 윗부분에 약간의 톱니파형이 포함된 거의 선형적인 파형이 나타났다.
- (3) 컨버터 내장형 보안등(1)의 특성을 분석한 결과, 컨버터는 소형 트랜스와 정류소자, 콘덴서가 1개의 세트로 4개 세트의 컨버터로 구성되어 있으며, 1차측의 전류파형은 왜형파를 나타냈다. 2차측의 전압, 전류파형에는 상층부에 톱니파형이 포함된 파형이 관찰되었으며 주기적으로 영점(zero point)을 지남을 알 수 있었다. 절연은 기준치 이상으로 측정되었으며, 온도는 정류소자에서 특히 발열이 심함을 알 수 있었다.
- 326A로 측정되었으며 전압은 정현파형을 보였으나 전류는 약간 지연된 파형을 나타냈다. 2차측의 출력전압과 전류파형을 측정한 결과, 전압은 14.7～15.1V, 전류는 3.39～3.63A로 측정되었으며 파형은 반파형태를 보였다. 또한, 전류파형의 경우, 0점(zero point)을 주기적으로 지남을 알 수 있다.
- 5℃까지 온도가 상승함을 알 수 있었다. 60분 경과시, LED 모듈 부분은 최고 54.8℃를 나타냈으며, 정류소자 부분은 최고 88.1℃까지 온도가 상승하였다. 실험결과, 정류소자 부분에서의 발열이 심하며, 시간이 경과함에 따라 온도가 상승하는 경향을 보였다.
- LED 모듈 자체의 절연저항은 각각의 측정점과 외함 간이 110MΩ으로 규정 값 이상으로 측정되었으며, 컨버터 1차 단자와 외함 간 및 2차 단자와 외함간의 절연저항은 각각 550MΩ 및 110MΩ으로 기준치 이상의 값을 나타냈다(그림 5
- 그림 16과 표 6은 내장형 보안등(70[W])의 절연저항 측정 모습과 측정결과를 나타낸 것이다. LED 모듈의 +극 및 -극과 외함사이, 1차 단자와 외함사이, 1차 단자와 2차 단자사이의 절연저항을 측정한 결과, 모든 측정점간에 있어 규정값 이상의 절연저항 값을 나타냈다.
- 절연은 기준치 이상으로 측정되었으며, 온도는 정류소자에서 특히 발열이 심함을 알 수 있었다. 난연 특성을 실험한 결과, 시험시간 동안 인가된 불꽃에 대하여 충분한 난연성을 확보하고 있지 않음을 알 수 있었다.
- 방열판의 온도는 등기구의 구조상 밀폐된 등기구의 내부에 설치되어 있어 어느 정도까지 계속 온도가 상승할 것으로 판단된다. 높은 온도를 나타내는 부분은 방열판에 접착된 정류소자 부분으로 최고 95.2℃의 높은 온도로 발열함을 알 수 있었다. 이러한 부분은 특히 온도차가 심한 날이나 비바람 등에 의해 습기가 유입될 경우 등기구와 등주를 통한 누전이나 절연파괴가 발생할 위험이 있다.
- 1℃까지 온도가 상승하였다. 실험결과, 정류소자 부분에서의 발열이 심하며, 시간이 경과함에 따라 온도가 상승하는 경향을 보였다. 컨버터 장치는 국부적 발열을 줄이기 위한 적절한 방열구조 또는 방열장치 등의 적용이 요구된다.
- (2) 컨버터 내장형 가로등의 특성을 분석한 결과, 컨버터는 2개로 각각 별도의 외함으로 되어 있으며, 전원입력부분의 1차측의 전류파형은 왜형파를 나타냈으나, 컨버터 2차측의 전압, 전류 파형은 거의 선형적으로 나타났다. 절연저항 측정결과, 1개의 컨버터 2차측 단자와 외함 간의 절연이 불량한 것을 알 수 있었다. 또한, 온도분포는 등기구 내부의 노출된 PCB에서 다른 부분에 비해 높은 온도를 나타냈다.
- 최초 점등시 LED 모듈은 최고 약 45℃을, 콘덴서 단자부근이 최대 75.8℃을 나타냈으며, 정류소자 부분에서 가장 높은 온도를 나타냈으며 20분 경과시, LED 모듈 부분은 최고 53.3℃를 나타냈으며, 정류소자 부분은 최고 83.5℃까지 온도가 상승함을 알 수 있었다. 60분 경과시, LED 모듈 부분은 최고 54.
- 컨버터 1차측 접지선과 컨버터 2차 단자(+극, -극) 간의 절연저항 측정 결과, 컨버터1은 0.0MΩ으로 절연이 불량인 것으로 나타났으며, 컨버터2는 110MΩ로 기준치 이상의 값을 나타냈다.
후속연구
- 그림 11은 LED 보안등의 투명덮개(글로브)의 난연 특성을 실험한 모습으로 투명 글로부의 일부를 절단하여 외부에서 미소 화염을 약 5초 정도 인가한 후 불꽃을 제거했을 때 글로브 절연물은 착화하여 지속적으로 불꽃이 발생하였다. 실험결과, 본 보안등의 글로브에 사용된 절연물은 난연성이 없으며 화염에 취약함을 알 수 있으며 제품성능과 품질 향상을 위한 개선이 요구된다.
- 본 논문에서는 옥외용 LED 가로등 및 보안등 설비에 대한 전기설비기술기준과 한국산업규격을 조사, 분석하였으며, LED 가로등 및 보안등의 구조와 동작시의 전압, 전류파형 등 전기적 특성, 열적 특성, 절연 특성, 절연물의 난연 특성 등에 대하여 실험, 분석하였다. 이러한 연구결과는 LED 조명설비의 성능향상과 전기안전기술의 확보를 위한 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 이상으로부터 LED 가로등 및 보안등으로부터의 전기안전을 확보하기 위하여 관련기준 및 규격의 보완과 더불어 전기화재, 감전사고 등 전기재해 예방을 위한 기술 개발과 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
- 0MΩ으로 절연이 불량인 것으로 나타났으며, 컨버터2는 110MΩ로 기준치 이상의 값을 나타냈다. 이상의 측정결과에서 동일 사양의 컨버터임에도 불구하고 절연특성에 차이가 있음을 알 수 있으며 LED 조명설비의 정상적인 동작과 안전 확보를 위하여 회로의 설계, 제작, 완제품 등에 대한 철저한 안전 검증이 필요하다.
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