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문제 정의
- 본 논문에서는 옥외에 설치되는 LED 조명에 있어 전기 화재 위험성에 대하여 실험, 분석하였다. 본 연구결과는 옥외용 LED 조명설비의 전기안전을 위한 성능 향상과 전기안 전성 검증 및 전기사고 예방을 위한 기술개발 및 사고원인 규명을 위한 자료로 활용 가능할 것으로 기대한다.
제안 방법
- 그림 6은 선간 절연파괴에 의해 소손된 전선의 외형과 내부구조를 나타낸 것이다. 소손된 전선의 내부구조는 X선 투과 분석장비(VMX-160, X-Tek System, England)를 이용하여 분석하였다. 분석결과, 전선 피복이 심하게 용융, 탄화되었으며, 전선도체의 끝부분에는 둥근 형태의 용융흔이 여러 곳에 생성됨을 확인할 수 있다.
- 그림 7과 8은 LED 가로등 및 경관조명의 DC 전로에서의 선간 단락에 의한 화재위험성 실험을 위한 장치 구성 및 실험모습을 나타낸 것이다. 실험은 컨버터 2차측 전로의 도체가 직접 접촉하여 선간 단락되도록 하였으며, 선간 접촉시간은 순간단락(0.1sec) 및 지속단락(5분)으로 하였다. 순간 단락실험은 단락 및 과부하 겸용 실험장치(ES&OL-20, KESCO, Korea)를 이용하였으며, 실험에는 130W LED 가로등과 12W LED 경관조명을 사용하였다.
- 그림 12는 DC 전원이 인가된 단자대의 전기적 접속부에서의 접촉 불량에 의한 발열특성과 화재 위험성 분석을 위한 실험장치 구성을 나타낸 것이다. 실험전원은 직류전원공급장치(XDC 150-40, Xantrex, Canada)를 이용하여 각각 직류 24V(2.5A), 직류 32V(3.5A)의 실험전압과 전류를 일정하게 단자대에 공급하였으며, 가진기를 이용하여 단자대의 단자와 전선 접속부에서 접촉불량이 발생하도록 하였다.
- 그러나 현실적으로 모든 면에서 완벽하게할 수 없으며 규정이나 기준 또한 최소한의 것을 정하고 있어 사고는 피할 수 없는 것이 현실이며 이를 최소화하는 것이 중요하다. 옥외에 설치되는 LED 조명의 전기안전에 대하여 DC 전로의 선간 절연파괴에 의한 화재위험성과 DC 전로의 선간단락에 의한 화재위험성, 이상전압 유입에 따른 동작 특성, 컨버터 2차측 DC 단자대의 접촉불량에 의한 화재위험성 등에 대하여 각각 실험과 분석을 수행하였다.
- 실험에 사용된 오손액은 NaCl 수용액(3%)으로 손상된 피복의 노출된 도체 사이에 오손액을 한방울씩 떨어뜨렸다. 적하하는 동안 컨버터 2차측의 전기적 특성과 발열 특성에 대하여 오실로스코프(TDS-3052, Tektronix, USA)와 적외선 열화상 진단장비(TI-45FT, Fluke, USA)를 이용하여 측정, 분석하였다.
대상 데이터
- 25㎟×2C)이며, 피복을 벗겨 내부의 도체 일부가 외부에 노출되도록 하였다. 사용된 부하는 130W LED 가로등으로 컨버터의 출력사양은 직류 32V, 3.5A이다.
- 사용된 전선은 VCTF(1.25㎟×2C)이며, 피복을 벗겨 내부의 도체 일부가 외부에 노출되도록 하였다.
- 순간 단락실험은 단락 및 과부하 겸용 실험장치(ES&OL-20, KESCO, Korea)를 이용하였으며, 실험에는 130W LED 가로등과 12W LED 경관조명을 사용하였다.
- Korea)를 이용하여 교류 220V 대신에 380V의 과전압을 컨버터의 1차측에 입력하였다. 실험에 사용된 LED 조명은 130W LED 가로등 및 12W LED 경관조명으로 그림 9(a)와 같이 결선하여 실험하였다.
- 실험에 사용된 오손액은 NaCl 수용액(3%)으로 손상된 피복의 노출된 도체 사이에 오손액을 한방울씩 떨어뜨렸다. 적하하는 동안 컨버터 2차측의 전기적 특성과 발열 특성에 대하여 오실로스코프(TDS-3052, Tektronix, USA)와 적외선 열화상 진단장비(TI-45FT, Fluke, USA)를 이용하여 측정, 분석하였다.
- 위험요소로는 선간단락(교류 및 직류), 전선 피복 손상에 의한 누설전류, 극간의 절연열화에 의한 절연파괴, 외부의 과전압 유입에 의한 이상 동작, 전기적 접속부의 접속(접촉)불량, 부품 등 소자의 국부 발열 등의 원인으로 전기화재나 감전사고가 발생하게 된다.
성능/효과
- (1) 전기안전 위험요소 및 사고 발생메커니즘의 분석결과, 환경적 영향 및 기계적 영향, 전기적 영향에 의한 단락, 지락, 접촉불량, 절연열화 등의 위험요소가 있음을 알 수 있었으며, 이러한 위험요소에 따른 사고 발생 메커니즘을 규명하였다.
- (2) DC 전로의 선간 절연파괴에 의한 화재위험성에 대한 분석 결과, 선간 절연열화에 의해 국부적인 발열이 발생하며 절연파괴에 의해 아크와 함께 피복이 착화되고 도체에 용융흔이 형성됨을 볼 수 있었다.
- (3) DC 전로의 선간 단락에 의한 위험성에 대한 분석 결과, 컨버터 2차측의 순간 단락시 일시 소등되었다가 재점등되었으며, 지속 단락시에는 소등이 지속되었으며, 컨버터 2차측에 단락점을 통하여 귀환 전류가 흐름을 확인할 수 있었다.
- (4) 이상전압 유입에 의한 화재위험성에 대한 분석 결과, 이상전압의 유입에 의해 AC/DC 컨버터의 내부의 바리스터와 콘덴서가 각각 소손되었으며, 컨버터의 소손에 의해 LED 등기구에의 전원 공급이 차단되었다.
- (5) DC 단자 접속부의 접촉불량에 의한 화재위험성에 대한 분석 결과, 낮은 단자전압에서도 접촉불량에 의해 국부적인 발열이 발생함을 알 수 있었으며, 발생한 열에 의해 절연물이 탄화, 변색됨을 확인할 수 있었다.
- 그림 11은 LED 경관조명의 소손과정과 컨버터 내부 모습을 나타낸 것이다. LED 경관조명에 380V의 과전압을 인가하였을 때 전원 투입과 동시에 LED 조명의 밝기가 220V 보다 밝아졌으며, 전원인가 후 약 30초 경과시 컨버터 내부에서 이상음이 발생하면서 불쾌한 냄새의 흰색 연기가 외부로 지속적으로 다량 분출하였으며, 이로 인해 컨버터의 출력 전원이 차단되면서 LED 경관조명은 소등되었다. 컨버터 내부를 분석한 결과, 컨버터 내부의 콘덴서가 파열되었으며, 소손된 콘덴서에 약간의 이물질이 부착되었으며 콘덴서 이외의 부품 손상은 발견되지 않았다.
- 소손된 전선의 내부구조는 X선 투과 분석장비(VMX-160, X-Tek System, England)를 이용하여 분석하였다. 분석결과, 전선 피복이 심하게 용융, 탄화되었으며, 전선도체의 끝부분에는 둥근 형태의 용융흔이 여러 곳에 생성됨을 확인할 수 있다.
- 이상의 실험을 통해 발생한 열과 아크 등에 의해 충분히 화재가 발생할 수 있으며, LED 조명에 있어 교류 전원측에 설치된 보호장치(MCCB, ELB)는 DC 전로에서의 전기적 이상현상에 대해 보호를 하지 못함을 확인할 수 있었다. 따라서, LED 조명의 전기안전을 확보하기 위하여 제품의 안전성과 성능 향상은 물론 관련기준 및 규격의 보완과 더불어 전기화재, 감전사고 등 전기재해 예방을 위한 기술 개발과 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것이며, 전기사고의 예방을 위한 안전의식의 제고와 철저한 유지관리가 요구된다.
- 그림 8은 실험결과를 나타낸 것으로, 순간 단락의 경우에는 LED 조명이 순간 소등되었다가 재점등 되었으며, 지속 단락의 경우에는 LED 등기구가 점등되지 않고 계속 소등되었다. 지속 단락되는 동안 컨버터 2차측에 단락점(electric short point)을 통하여 귀환전류가 흐르며 지속적으로 가변됨을 확인할 수 있었다. 이는 컨버터에서 2차측의 출력전류 제한하고 있는 것으로 판단된다.
- 87A로 측정되었다. 측정결과로부터 선간 절연파괴가 진행되는 동안 DC 전로에 인가되는 전압은 낮아지고 전류는 증가함을 확인할 수 있다.
후속연구
- 이상의 실험을 통해 발생한 열과 아크 등에 의해 충분히 화재가 발생할 수 있으며, LED 조명에 있어 교류 전원측에 설치된 보호장치(MCCB, ELB)는 DC 전로에서의 전기적 이상현상에 대해 보호를 하지 못함을 확인할 수 있었다. 따라서, LED 조명의 전기안전을 확보하기 위하여 제품의 안전성과 성능 향상은 물론 관련기준 및 규격의 보완과 더불어 전기화재, 감전사고 등 전기재해 예방을 위한 기술 개발과 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것이며, 전기사고의 예방을 위한 안전의식의 제고와 철저한 유지관리가 요구된다.
- 본 논문에서는 옥외에 설치되는 LED 조명에 있어 전기 화재 위험성에 대하여 실험, 분석하였다. 본 연구결과는 옥외용 LED 조명설비의 전기안전을 위한 성능 향상과 전기안 전성 검증 및 전기사고 예방을 위한 기술개발 및 사고원인 규명을 위한 자료로 활용 가능할 것으로 기대한다.
- 위의 실험을 통해 DC 전로의 선간 절연파괴에 의해 충분히 화재가 이어질 수 있음을 확인할 수 있으며, 현장에 설치된 LED 조명의 등기구의 밝기가 변하거나 점등과 소등이 불규칙적으로 반복되는 경우에는 DC 전로의 이상에 의한 것인지에 대한 확인이 필요함을 알 수 있다.
- LED 조명과 관련된 연구와 기술개발은 주로 부품 및 소재 개발과 발열문제의 해결을 위한 방열설계나 조명으로서 빛의 배광설계 등에 대한 연구에 집중되고 있으며[1-4], 전기화재나 감전사고의 예방을 위한 안전성능의 검증과 이를 위한 기술개발은 미미한 실정이다[5-7]. 최근 LED 가로등, 보안등과 관련된 기술기준과 국가 표준이 제정[8-10]되어 LED 조명의 안전성과 성능 향상을 가져올 것으로 기대되며, 현장의 안전을 어느 정도 확보할 수 있을 것으로 기대된다. 향후, 지속적인 연구개발을 통하여 LED 조명에 대한 전기안전 위험요소에 대한 검증으로 전기안전 확보와 제품의 품질 및 성능향상, 제·규정의 개선이 요구된다.
- 향후, 지속적인 연구개발을 통하여 LED 조명에 대한 전기안전 위험요소에 대한 검증으로 전기안전 확보와 제품의 품질 및 성능향상, 제·규정의 개선이 요구된다.
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