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문제 정의
- 본 논문에서 환풍기 시설이 전기화재를 발생하는 주요 특징으로 공기의 질을 개선하기 위해 “상시가동”이라는 동작 특성과 장시간 사용에 의한 먼지 퇴적의 축열, 과부하, 단락, 기계적 구속 등이 있다.
제안 방법
- 또한 환풍기는 탁한 공기의 순환으로 상시 가동하여 사람에게 잘 관리되지 않는다. 그래서 장시간 사용이 경과된 환풍기의 열화 특성을 확인하였다. 환경적 요인의 열화를 확인 위해 신규제품과 제조 및 사용경과가 10년 이상 경과된 환풍기를 KS C 60068-2-67 환경시험방법(전기전자) 기준을 적용하여 시험하였다.
- 따라서 팬(fan) 가동의 소음을 적고, 제품 가격을 낮추기 위해 환풍기 외함과 팬 재질은 철 보다 플라스틱을 사용하므로 가연성 재질인 플라스틱이 화재에 대한 위험성을 더 높게 가지고 있다. 그래서 환풍기의 전기 보호장치로서 사용하고 있는 누전차단기(RCD) 및 온도퓨즈(Thermal fuse) 동작특성과 문제점에 대해 시험을 통해 확인하였다.
- 본 논문에서 환풍기 시설이 전기화재를 발생하는 주요 특징으로 공기의 질을 개선하기 위해 “상시가동”이라는 동작 특성과 장시간 사용에 의한 먼지 퇴적의 축열, 과부하, 단락, 기계적 구속 등이 있다. 따라서 소형 환풍기의 상시가동과 구속 상태에서의 전류와 온도 및 전기보호 장치의 동작특성을 확인하였고, 장시간 사용으로 인한 환경적 요인의 열화 특성을 확인하였다.
- 소형 환풍기의 상시가동의 특성을 확인하기 위해서 측정 회로도를 Fig. 2와 같이 구성하였으며, 환풍기에는 상용전원 (220 V, 60 Hz)을 인가하고, 산업현장, 가정 및 건물에서 전기 부하를 분기하는데 적용하는 누전차단기 20A 적용하여 사용 환경조건과 동일하게 구성하였다.
- 그래서 환경적 요인의 사용 경과에 따른 열화를 확인하기 위해 장시간 사용되어진 제품과 신규 제품의 전동기 부분을 가지고, KS C 60068-2-67 환경 시험방법(전기전자) 기준을 적용하여 시험을 하였다. 시험을 통해 장시간 사용된 전동기의 전기절연영향과 환경적 요인이 내외부에서 영향이 되는지를 확인하였다.
- 전기화재는 환풍기 시설의 전체 분류에 대한 통계를 나타내고 있으나, 화장실과 같은 작은 공간에서는 낮은 풍량의 전기용량은 10~20 W를 많이 사용하고, 건물, 사무실, 제조현장 및 여러 분야에서 사용 빈도와 환경이 열악한 장소에서는 많이 사용되는 환풍기 25 W∼40 W로 정격용량 26 W와 37 W를 선정하여 상시 가동과 구속 특성을 확인하였다.
- 전압 측정은 제조사가 미국의 Fluke 177 DMM으로 6000 Count 분해능으로 True-RMS 방식의 오차는 ±(1.0%+3)로 환풍기와 병렬 연결하였고, 전류 측정은 Fluke 87 DMM으로 0∼10,000 mA 측정의 True–RMS 방식의 오차는 ±(1.0%+2)로 환풍기와 직렬 연결하였고, 온도 측정은 제조사가 TES 1300 K형 Thermocoupl -e Single Channer의 -50℃∼1300℃범위에 정확도는 0.3% rdg + 1℃로 사용하고, 전동기 외함과 권선 고정자 (Stator)측의 온도 퓨즈 부분에 K형 열전대를 부착하여 측정하였다.
- 환경 가속도 조건은 온도 85℃, 상대습도 85%, I등급 - 168시간으로 시험을 하였고, 전동기 권선의 절연저항은 제조사 일본의 HIOKI IR 4051-10 절연저항계로 500V DC에 ±4% 오차로 측정하여 시험의 전과 후에 절연저항을 측정하였다.
- 을 기준으로 환풍기 신규제품과 제조 및 사용이 10년 이상 되어진 전동기 부분을 동일조건 에서 진행하였다. 환경시험 후에는 전동기의 절연에 영향을 확인 위해 절연저항 측정기로 전동기를 확인하였다.
- 환풍기 26 W와 37 W의 기계적·전기적 구속에 의한 전기화재 위험성을 검토하기 위해 구속시험을 진행 하였고, 구속방법은 가동 중에 강제 구속하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
이론/모형
- 그리고 소형 환풍기는 상시 사용 목적으로 열적, 전기적, 기계적, 환경적 요인 등에 의해 절연물의 열분해, 산화, 물리 화학적 반응으로 절연 특성이 열화 되어 층간 단락, 단락, 과부하 사고로 전기화재의 위험노출이 높다. 그래서 환경적 요인의 사용 경과에 따른 열화를 확인하기 위해 장시간 사용되어진 제품과 신규 제품의 전동기 부분을 가지고, KS C 60068-2-67 환경 시험방법(전기전자) 기준을 적용하여 시험을 하였다. 시험을 통해 장시간 사용된 전동기의 전기절연영향과 환경적 요인이 내외부에서 영향이 되는지를 확인하였다.
- 그래서 장시간 사용이 경과된 환풍기의 열화 특성을 확인하였다. 환경적 요인의 열화를 확인 위해 신규제품과 제조 및 사용경과가 10년 이상 경과된 환풍기를 KS C 60068-2-67 환경시험방법(전기전자) 기준을 적용하여 시험하였다.
- 환풍기의 환경열화 특성을 확인하기 위해서 KS C IEC60068-2-67 (환경시험방법(전기전자)-안정상태의 내습성) 부품의 가혹도 시험의 온도 85℃, 상대습도 85%, I등급-168시간4) 을 기준으로 환풍기 신규제품과 제조 및 사용이 10년 이상 되어진 전동기 부분을 동일조건 에서 진행하였다. 환경시험 후에는 전동기의 절연에 영향을 확인 위해 절연저항 측정기로 전동기를 확인하였다.
성능/효과
- (d)신규제품은 (a)의 시험 후로써 시험전과 후에 동일하게 절연 저항 값이 1,000 ㏁이상을 확인하였고, 외관상의 변화는 없었다. (e)10년경과는 (b)의 시험 후로써 시험 전과 후가 같이 1,000 ㏁이상을 확인하였고, 외관상의 변화도 없었다.
- 환경 가속도 시험으로서의 장시간 사용된 전동기는 자체의 절연의 영향은 없었으나, 사용 환경에 따라 전동기 외함에서 부식이 크게 달라지는 것을 (e), (f)와 같이 같은 제조사와 사용 경과로 확인할 수 있었다. 따라서 시험을 통해 환경적 요인의 열화는 환풍기 사용경과의 영향보다는 사용 환경 장소의 영향이 더 큰 것으로 판단된다.
- 상시가동의 측정시간은 환풍기가 가동 후 전동기 외함 및 권선의 온도는 약 80분정도 가동 후 일정하게 유지되어는 것을 확인되어 측정 기준시간을 설정하였고, 상시가동 및 구속 상태에서의 전기보호 장치의 동작과 온도특성을 확인하였다.
- 그래서 전동기의 전기 절연에 영향을 미치는 온도가 유지되는 현상이 나타났는데, 이 시간이 장시간으로 이어져 전동기의 주요 전기 화재 원인이 되는 층간 단락으로 이어졌다. 이 결과로 환풍기의 전기화재 보호를 위해 온도퓨즈 적용은 전동기 내열성 등급의 적용 온도(E종, 120℃)보다 온도퓨즈 동작온도는 낮아야 한다는 결론을 얻을 수 있다. 이는 환풍기뿐만 아니라 전동기에 적용되는 전기화재 보호용 온도퓨즈는 모두 적용되어야 할 것으로 판단된다.
- 전동기외함의 온도는 Fig. 7와 같이 56℃에서 103℃ 까지 증가 하였고, 내부 권선온도는 72℃에서 141℃ 까지 증가로 약 2배 이상 증가되는 것을 확인하였다.
- 환풍기 26 W의 구속시험에 전류는 Fig. 6와 같이 상시가동 185 mA에서 228 mA로 23% 증가되는 과전류가 발생하는 것을 확인하였다.
- 환풍기 37 W에 구속 시험에 전류는 246 mA에서 320 mA로 약 30% 증가되는 과전류가 발생하는 것을 확인하였다. 이때 전동기외함의 온도는 Fig.
후속연구
- 그래서 플라스틱 외함의 환풍기는 전기화재를 예방하기 위해 별도의 안전장치로써 온도 퓨즈의 사용이 요구된다. 또한 전동기의 내열성에 적합한 온도퓨즈의 동작온도를 기준이 필요하며, 다른 소형 가전기기에 사용되는 전동기에서도 전기화재를 예방하기 위해서는 이에 관한 연구를 지속적으로 할 필요는 있다
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