[논문]PCITS에 의해 소손된 강이음쇠형 CSST의 특성 해석에 관한 연구

이장우; 최충석

doi:10.7731/kifse.2016.30.4.121

PCITS에 의해 소손된 강이음쇠형 CSST의 특성 해석에 관한 연구
A Study on the Properties Analysis of an Iron Fittings Type CSST Damaged by the PCITS 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.30 no.4, 2016년, pp.121 - 127

이장우 (전주대학교 소방안전공학과) , 최충석 (전주대학교 소방안전공학과)

초록
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본 논문에서는 대전류공급장치(PCITS)에 의해 소손된 강이음쇠형(iron fittings type) 금속플렉시블호스(CSST)의 구조 및 전기적 특성을 해석하였다. CSST는 보호 피막, 튜브, 너트, 클램프 링, 플레어 캡, 소켓, 볼 밸브 등으로 구성되어 있다. CSST의 내전압 평가는 전기 충전부와 비충전부 사이에 교류 전압 220 V를 1분간 인가하여 견뎌야 한다. 직류 500 V에 의한 절연 성능의 평가는 온도 상승 시험 전에 $1M{\Omega}$ 이상, 시험이 끝난 후에는 $0.3M{\Omega}$ 이상을 요구한다. 정상 제품의 평균 저항은 $11.5m{\Omega}$이었으나 PCITS로 130 A를 흘려 소손된 제품의 평균 저항 $11.50m{\Omega}$이었다. 또한 130 A가 약 10 s 흘렀을 때 튜브의 보호 피막이 일부 용융되었고, 검정색의 연기가 발생하였다. 60 s 경과되면 튜브의 대부분이 적색으로 발열되며, 전류가 120 s 흘렀을 때는 적열 범위가 넓어졌다. 95%의 신뢰 구간(CI)의 검증에서 P 값은 0.019로 정규 분포를 갖지 못하였으나 Anderson-Darling (AD) 통계량은 0.896, 표준 편차는 0.5573 등으로 양호한 특성을 나타냈다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study analyzed the structural and electrical characteristics of an iron fittings type Corrugated Stainless Steel Tubing (CSST) damaged by the Primary Current Injection Test System (PCITS). CSST consists of cladding, tube, nuts, clamp ring, flare cap, socket, and ball valve. For an evaluation of the dielectric withstand voltage, the area between the live part and non-live part of the CCST shall withstand a voltage of 220 V AC for one minute. For an evaluation of the insulation performance by 500 V DC, it is required that the insulation exceed more than $1M{\Omega}$ before the temperature rise test, $0.3M{\Omega}$ after the test. Although the average resistance of the product was $11.5m{\Omega}$, that of the product damaged at a current of 130 A by the PCITS was $11.50m{\Omega}$. Furthermore, parts of the cladding were melted and black smoke appeared when a current of 130 A applied for 10 s. After 60 s, most parts were heated and turned red. At 120 s, the parts that turned red had widened. Although it did not form a normal distribution because the P value was 0.019 with a confidential interval of 95%, it revealed outstanding characteristics with an AD (Anderson-Darling) value of 0.896 and a standard deviation of 0.5573.

주제어

표/그림 (12)

그림 Figure 1. Structure and name of an iron fittings type CSST.
표 Table 1. Ingredient of an Iron Fittings Type CSST Tube
표 Table 2. Relation with Insulation State and Test Voltage
그림 Figure 2. Measurement resistance of an iron fittings type CSST.
표 Table 3. Relation with Insulation State and Insulation Resistance
표 Table 4. Resistance of an Iron Fittings Type Normal Product CSST
그림 Figure 3. Schematic diagram for the test supplying overcurrent to the CSST using the PCITS.
그림 Figure 4. Current supplied to the CSST using the PCITS and supply time.
그림 Figure 5. Reliability verification of the iron fittings type CSST damaged for 120 s with the current of 130 A generated by the PCITS.
그림 Figure 6. The actual photograph of the iron fittings type CSST damaged for 120 s with the current of 130 A generated by the PCITS.
표 Table 5. The Resistance of the Iron Fittings Type CSST Electrically Stressed with the Current of 130 A Generated by the PCITS
그림 Figure 7. Reliability verification of the iron fittings type CSST damaged for 120 s with the current of 130 A generated by the PCITS.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 가스 연소기에 사용되는 강이음쇠형(iron fittings type) CSST의 구조 및 전기적 특성을 분석하고자 한다. 또한 대전류공급장치(Primary Current Injection Test System; PCITS)를 이용하여 인위적으로 전기적인 스트레스를 인가했을 때 소손되는 패턴 및 특성 등을 신뢰성 검증하여 사고 조사자가 현장에서 원인을 규명하고 해석하기 위한 과학적 자료를 제공하는 데 있다.
따라서 본 논문에서는 가스 연소기에 사용되는 강이음쇠형(iron fittings type) CSST의 구조 및 전기적 특성을 분석하고자 한다. 또한 대전류공급장치(Primary Current Injection Test System; PCITS)를 이용하여 인위적으로 전기적인 스트레스를 인가했을 때 소손되는 패턴 및 특성 등을 신뢰성 검증하여 사고 조사자가 현장에서 원인을 규명하고 해석하기 위한 과학적 자료를 제공하는 데 있다.
본 논문에서는 PCITS에 의해 소손된 강이음쇠형 CSST의 구조 및 전기적 특성을 해석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

가설 설정

Figure 4는 PCITS를 이용하여 강이음쇠형 CSST에 대전류를 공급할 때의 전류 크기 및 공급 시간 등의 관계를 나타낸 것이다. 대전류의 크기는 저압 옥내 전기설비에서 단락 사고가 발생했을 때 통전되는 전류가 약 100~400 A이므로 사고 전류⁽¹⁸⁾를 가정하여 본 실험에서는 130 A의 전류를 120 s 동안 공급하였다. 그리고 설정된 시간이 경과되면 전류의 공급을 중단하였으며, 실온 상태에서 자연냉각시켜 상온에 도달하였을 때 특성을 분석하였다.

제안 방법

저항 측정이 진행된 실험실의 온도는 20~22 ^oC, 상대습도는 18 ± 2%로 일정하게 유지하였다. 강이음쇠형 CSST의 저항 측정은 튜브와 볼밸브의 양단에서 전극을 반복하여 측정하였다.
대전류의 크기는 저압 옥내 전기설비에서 단락 사고가 발생했을 때 통전되는 전류가 약 100~400 A이므로 사고 전류⁽¹⁸⁾를 가정하여 본 실험에서는 130 A의 전류를 120 s 동안 공급하였다. 그리고 설정된 시간이 경과되면 전류의 공급을 중단하였으며, 실온 상태에서 자연냉각시켜 상온에 도달하였을 때 특성을 분석하였다.
PCITS는 Charger1, Charger2, Controller, Power cable 등으로 구성되어 있다. 대전류가 일정하게 공급될 수 있도록 PCITS는 2 hr 이상 충전하여 시스템을 안정화시킨 후 실험을 실시하였다. 전원 공급 케이블은 노출 배선하여 애자(insulator)와 새들(saddle)을 이용하여 고정시켰으며, 실험 과정은 디지털카메라(Digital Camera, D90, Nikon, Japan)로 촬영하여 분석하였다.
실험이 진행되는 동안 전류 통전 유무는 제어기(controller) 및 클램프미터(3541 Clamp on Leak Hitester, 0~200 A, Hioki Co., Japan) 등으로 확인하였다.
대전류가 일정하게 공급될 수 있도록 PCITS는 2 hr 이상 충전하여 시스템을 안정화시킨 후 실험을 실시하였다. 전원 공급 케이블은 노출 배선하여 애자(insulator)와 새들(saddle)을 이용하여 고정시켰으며, 실험 과정은 디지털카메라(Digital Camera, D90, Nikon, Japan)로 촬영하여 분석하였다. 실험이 진행되는 동안 전류 통전 유무는 제어기(controller) 및 클램프미터(3541 Clamp on Leak Hitester, 0~200 A, Hioki Co.
체결 상태의 정확한 해석과 신뢰성을 검증하기 위해 동일한 환경에서 30회 측정한 것이다. 초저항측정기로 저항을 측정하기 전 0점 보정을 실시하여 오차 발생을 최소로 하였으며, 일정한 위치에 측정 단자를 연결하여 측정을 실시하였다. 가장 낮게 측정된 저항은 11.
초저항측정기로 저항을 측정하기 전 0점 보정을 실시하여 오차 발생을 최소로 하였으며, 일정한 위치에 측정 단자를 연결하여 측정을 실시하였다.

대상 데이터

그런데 체결을 해제하고 재차 체결하게 되면 플레어 캡이 변형되어 기밀성이 떨어져 가스의 누출 위험이 높고, 신뢰성을 보증할 수 없다는 단점이 있다. 강이음쇠형의 너트와 소켓의 재질은 철이며 표면 도금을 하였다. 또한 볼 밸브는 황동이 주재료이며, 튜브는 스테인리스이다⁽¹⁰⁾.
또한 Control Unit은 ODEN AT, 240C, Current Unit은 240 × 2 set, Cable Set은 2W×5m ×120mm2 GA-12052 등이다.
자연배기식은 KGS AB 133, 가스보일러 강제급배기식은 KGS AB 131, 가스오븐레인지는 KGS AB 332, 가스오븐은 KGS AB 333 등을 적용 받는다^(12-17). 또한 가스오븐레인지는 KS B 8115, 가스보일러 KS B 8109 등을 적용 받는다. Table 2는 가스오븐레인지 및 가스오븐의 절연 상태 및 시험 전압을 나타낸 것이다.
Table 4는 정상 제품의 저항을 측정하여 나타낸 것이다. 체결 상태의 정확한 해석과 신뢰성을 검증하기 위해 동일한 환경에서 30회 측정한 것이다. 초저항측정기로 저항을 측정하기 전 0점 보정을 실시하여 오차 발생을 최소로 하였으며, 일정한 위치에 측정 단자를 연결하여 측정을 실시하였다.

데이터처리

Figure 7은 PCITS에 의해 130 A의 대전류를 120 s 동안 강이음쇠형 CSST에 인가한 후 소손된 제품의 신뢰성을 검증한 그래프이다. 신뢰성 검증은 미니탭 프로그램 17(Mini tap PGM 17)을 사용했으며, CCST의 신뢰성을 확보하기 위해 중심 극한의 정리(Central Limit Theorem; CLT)에 따라 저항은 30회를 반복하여 측정하였다. Figure 7(a)는 95%의 신뢰도에 대한 평균을 나타낸 것으로 최대 11.

성능/효과

(1) 강이음쇠형 CSST는 보호 피막, 튜브, 너트, 클램프링, 플레어 캡, 소켓, 볼 밸브 등으로 구성된 것을 알 수 있었다. 플레어 캡의 재질은 구리로 되어 있었고, 연신이 가능하여 한 번 체결하면 기밀성이 우수할 것으로 판단된다.
(2) CSST의 내전압 평가는 전기 충전부와 접지할 우려가 있는 비충전부 사이에 교류 전압을 연속하여 1분간 인가하여 견디도록 되어 있다. 또한 절연 성능의 평가는 직류 500 V 절연저항계를 사용하며, 온도 상승 시험 전에 1MΩ 이상을 요구하고 있으나 온도 상승 시험이 끝난 후에는 0.
(3) 정상 제품의 강이음쇠형 CSST의 평균 저항은 11.5 mΩ이었으나 PCITS로 130 A를 흘려 소손된 CSST의 평균 저항 11.50 mΩ이었다.
(4) CSST에 대한 95%의 신뢰도 검증에서 저항은 11.53~11.11 mΩ이었고, 평균 저항은 11.32 mΩ으로 해석되었다.
(a)는 95%의 신뢰도에 대한 평균을 나타낸 것으로 최대 11.53 mΩ, 최소 11.11 mΩ으로 해석되었다.
Figure 6은 PCITS로 130 A의 대전류를 120 s 동안 강이음쇠형 CSST에 흘려 소손된 실체 사진을 나타낸 것이다. Figure 6(a)는 실험이 종료된 후 자연 냉각되었을 때의 표면 실체 사진으로 튜브의 표면 보호막은 대부분 용융되어 없어졌을 뿐만 아니라 금속재료인 튜브 자체도 심하게 변색된 것이 확인되며, 너트의 표면이 오염된 것을 알 수 있다. Figure 6(b)는 표면 소손이 심하게 발생한 부분을 확대하여 나타낸 실체 사진이다.
AD 검정은 경험적 누적 분포 함수를 기초로 한 검정 방법으로 우수한 검정력을 가지며, 분포의 높은 값과 낮은 값 사이에서 정규 분포로부터 이탈을 탐지하는데 효과적이다. 검정 절차는 가설을 세운 후 데이터를 오름차순으로 정렬하며, 소손된 CSST의 AD는 0.896으로 해석되는바 데이터의 해당 분포는 양호한 것으로 판단된다. 또한 표준 편차(Standard Deviation; SD)는 0.
분포된 데이터가 특정한 확률 분포를 나타내기 위해서는 일직선의 회귀선에 가까워야 한다. 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 각각의 분포가 대부분 3개의 곡선안에 있는 것으로 보아 직선의 회귀선은 적합한 것을 알 수 있고, 곡선은 95%의 신뢰 구간 기준으로 해석한 것이다. 일반적으로 신뢰 구간에서 유의 수준인 P값이 0.
또한 130 A의 전류를 CSST에 흘리면 약 10 s 경과할 때 튜브의 표면을 감싸고 있는 보호 피막이 일부 용융되고 검정색의 연기가 발생한다. 그리고 60 s가 경화하면 튜브의 대부분이 적색으로 발열되며, 전류가 120 s 흘렀을 때는 튜브의 적열 범위가 넓어졌으며, 연기의 발생은 거의 없는 것으로 확인되었다.
32 mΩ으로 해석되었다. 그리고 95%의 신뢰 구간 분석에서 P 값은 0.019로 정규분포를 갖지 못하는 것으로 해석되었고, AD는 0.896으로 해석되어 양호한 것으로 판단된다. 또한 히스토그램에 의한 표준 편차는 0.
또한 신뢰 구간(Confidence Interval; CI)에 대한 평균 저항(mean resistance)은 11.32 mΩ으로 해석되었고, 산출적인 평균 저항 11.5 mΩ 보다 약간 적은 것으로 해석되었다.
특히, 금속의 저항이 크고 부피가 적은 튜브의 소손이 집중적으로 발생했으며, 너트와 튜브의 연결 부위도 소손이 많이 발생된 것을 알 수 있었다. 즉, 금속의 전기 저항이 크거나 접속부의 접촉 저항 또는 경계 저항 등이 큰 곳에서 전기적인 열화가 발생한다는 것을 알 수 있었다. 그러므로 사고 원인 조사를 실시할 때 이와 같은 현상 및 패턴 등이 확인된다면 CSST에 전기가 통전되어 사고를 유발시켰다고 판단하는 것이 과학적인 근거이다.
즉, 산술적인 값과 신뢰 구간에서 값의 차가 0.18 mΩ으로 참값에 대한 오차는 약 1.56%로 낮게 해석되었다.
그러나 정상 제품의 저항의 편차에 비해 약간 증가한 것으로 확인되었다. 즉, 전기적 스트레스가 증가하면 튜브의 저항도 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 금속의 저항과 온도 특성과 유사한 것을 알 수 있다.
Figure 6(c)는 소손된 강이음쇠형 CSST를 분해한 실체 사진이며 전기적인 스트레스를 많이 받은 부분과 적게 받은 부분이 명확하게 구분되었다. 특히, 금속의 저항이 크고 부피가 적은 튜브의 소손이 집중적으로 발생했으며, 너트와 튜브의 연결 부위도 소손이 많이 발생된 것을 알 수 있었다. 즉, 금속의 전기 저항이 크거나 접속부의 접촉 저항 또는 경계 저항 등이 큰 곳에서 전기적인 열화가 발생한다는 것을 알 수 있었다.
황동이음쇠형의 평균 저항 7.36 mΩ 보다 4.14 mΩ 큰 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CSST는 무엇으로 구성되어 있는가?	본 논문에서는 대전류공급장치(PCITS)에 의해 소손된 강이음쇠형(iron fittings type) 금속플렉시블호스(CSST)의 구조 및 전기적 특성을 해석하였다. CSST는 보호 피막, 튜브, 너트, 클램프 링, 플레어 캡, 소켓, 볼 밸브 등으로 구성되어 있다. CSST의 내전압 평가는 전기 충전부와 비충전부 사이에 교류 전압 220 V를 1분간 인가하여 견뎌야 한다.
	AD 통계량이란 무엇인가?	019로 확인된바 소손된 CSST의 저항 값은 정규 분포를 갖지 못 하는 것으로 해석되었다. 그리고 AD는 Anderson-Darling의 약자로서 AD 통계량은 데이터가 특정 분포에 얼마나 적합한가를 나타낸다. AD 값이 작을수록 해당 분포가 데이터에 더 적합하다는 것을 나타낸다.
	사고 조사자는 가스 화재 및 폭발 현장에서 어떤 일을 해야하는가?	사고가 발생된 현장에서 원인 규명을 위한 자료의 확보 및 분석 역시 전문적인 지식과 경험이 요구된다. 사고 조사자는 화재 및 폭발 현장에서 잔존하고 있는 가스시설물에 대한 이해, 가스 누출 화염의 특징과 패턴, 가스폭발의 영향과 비산방향 등 현장의 특이점을 종합하여 가스 사고의 원인을 규명해야 한다(9).

참고문헌 (18)

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J. H. Lee and C. S. Choi, "Carbonization Patten and Operation Characteristics of 1F a 2w MCCB Damaged by PCITS", Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 28, No. 5, pp. 8-13 (2014).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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