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문제 정의
- 이러한 관점에서, 절연체의 양에 따른 화염전파 거동은 전선화재의 예방을 위해 분석해야할 요소이다. 따라서 본 연구에서는 교류전기장이 인가되었을 경우, 전선의 직경에 따른 화염전파거동을 보고하고자 한다.
제안 방법
- )는 0-1000 Hz까지 변화시켜가며 실험을 수행하였다. 실험은 전선과 와이어홀더의 연결부분을 제외한 247 mm 구간에서 실험을 수행하였으며, 전선 끝에서 와이어 홀더와의 영향을 고려한 10 mm와 점화후 점화천이구간 70 mm를 제외한 167 mm구간에서 Matlab기반의 코드를 사용하여 화염전파 거동을 분석하였다.
- 3(b), (c), (d)의 그래프에서 알 수 있듯이 전선에 인가되는 주파수가 증가할수록 화염 전파속도가 변한다는 것을 알 수 있다. 이를 통하여 화염의 선단위치는 인가되는 전기장의 세기와 전선의 직경에 의하여 변화되며 이에 대한 분석은 뒤에서 상세히 다루도록 하겠다.
- 전선을 단일전극상태로 만들기 위해 전선의 한쪽 끝에만 고전압 터미널을 연결하였다. 전선에 인가되는 교류전기장은 함수발생기와 증폭기를 사용하여 인가하였으며, 오실로스코프를 통해 전선에 인가된 전압과 주파수를 확인하였다. 화염은 에어실린더 끝에 설치된 점화기에 의해 점화하였으며, 점화기에 의해 발생할 수 있는 전기장 교란을 방지하기 위해 PLC(Programmable Logic Controller) 회로를 이용하여 점화 후 전선에서 제거되도록 하였다.
- 전선에 인가되는 교류전압(VAC)의 세기는 RMS값으로 0-5 kV까지 다양하게 변화시켰으며, 교류주파수 (fAC )는 0-1000 Hz까지 변화시켜가며 실험을 수행하였다. 실험은 전선과 와이어홀더의 연결부분을 제외한 247 mm 구간에서 실험을 수행하였으며, 전선 끝에서 와이어 홀더와의 영향을 고려한 10 mm와 점화후 점화천이구간 70 mm를 제외한 167 mm구간에서 Matlab기반의 코드를 사용하여 화염전파 거동을 분석하였다.
- 전선의 한쪽 끝은 와이어홀더의 고정체에 연결하였으며, 다른 한쪽 끝은 스프링과 연결하여 화염이 전파하는 동안 열팽창에 의한 전선의 변형을 방지하였다. 전선을 단일전극상태로 만들기 위해 전선의 한쪽 끝에만 고전압 터미널을 연결하였다. 전선에 인가되는 교류전기장은 함수발생기와 증폭기를 사용하여 인가하였으며, 오실로스코프를 통해 전선에 인가된 전압과 주파수를 확인하였다.
- 전선에 인가되는 교류전기장은 함수발생기와 증폭기를 사용하여 인가하였으며, 오실로스코프를 통해 전선에 인가된 전압과 주파수를 확인하였다. 화염은 에어실린더 끝에 설치된 점화기에 의해 점화하였으며, 점화기에 의해 발생할 수 있는 전기장 교란을 방지하기 위해 PLC(Programmable Logic Controller) 회로를 이용하여 점화 후 전선에서 제거되도록 하였다.
대상 데이터
- 1은 전선과 와이어홀더(Wire Holder), 증폭기 (Amplifier), 함수발생기(Function Generator), 비디오 카메라로 구성된 실험장치 개략도이다. 길이가 400 mm이고 직경이 0.5 mm인 니크롬선(DC)에 폴리에틸렌(Polyethylene)으로 피복된 직경 0.8, 1.1, 1.5 mm인전선(DOUT)을 사용하였으며, 비전도성 아세탈 수지로 만들어진 와이어 홀더에 설치하였다. 전선의 한쪽 끝은 와이어홀더의 고정체에 연결하였으며, 다른 한쪽 끝은 스프링과 연결하여 화염이 전파하는 동안 열팽창에 의한 전선의 변형을 방지하였다.
성능/효과
- Fig. 7(b)와 같이 화염의 크기는 전선에 인가되는 주파수가 증가함에 따라 증가한다는 것을 알 수 있다. 이로 인해 Q1과 Q3가 증가하게 되고, Q4가 증가하기 때문에 결과적으로 녹은 폴리에틸렌으로의 열전달이 증가하게 된다.
- 1) 관심 구간인 167 mm에서, 화염의 선단 위치는 시간에 대해 선형적으로 전파하며 인가되는 전기장의 세기와 전선의 직경에 따라 화염의 모양과 크기가 변화하게 되며 결과적으로 화염전파속도가 변화하게 된다. 또한, 실험에 사용된 전선의 직경이 증가할수록 화염이 존재하는 전압과 주파수의 영역이 증가하는 것을 알 수 있다.
- 2) 각각의 전선 직경에서의 화염전파속도를 로그 스케일의 주파수로 표현했을 때, 인가되는 주파수가 증가함에 따라 화염전파속도가 감소하는 영역을 Regime I, 증가하는 영역을 Regime II, 증가 후 다시 감소하는 영역을 Regime III로 구분할 수 있다.
- 3) 화염전파속도를 전선에 인가되는 주파수, 전선 직경의 무차원수를 이용하여 특성화할 수 있고, 이를 통해 각 Regime에 대한 상관관계식을 도출할 수 있다.
- 5) 화염은 전선에 인가되는 전압의 크기가 증가할수록 낮은 인가 주파수에서 소화되었으며, 전선 직경의 크기가 커짐에 따라 화염 소화 영역이 확장되는 것을 관찰할 수 있다. 화염 소화 영역은 인가되는 전압과 로그 스케일의 주파수에 따라 선형적인 관계를 가진다.
- 5 mm인 전선에 4 kV, 10 Hz를 인가하였을 때 시간에 따른 화염선단의 위치를 나타낸 것이다. 그래프에서 볼 수 있는 것처럼 화염은 전선을 통해 전파하는 동안 시간에 대해 거의 선형적으로 전파한다는 것을 알 수 있고, 전선의 직경이 증가할수록 그래프의 기울기인 화염전파속도(SW=dX/dt)가 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 Fig.
- 그리고 VAC = 3 kV에서 200 Hz≤fAC인 경우와 VAC = 4 kV에서 80 Hz≤fAC인 경우에 주파수가 증가할수록 증가하였고 VAC=4 kV, fAC>200 Hz에서 화염이 소화되었다.
- 그리고 VAC = 4 (5) kV 에서 60 (30)≤fAC ≤200 (100)Hz인 경우에 주파수가 증가할수록 증가하였으며, V AC =4 (5)kV에서 200(100) Hz≤fAC 인 경우에 인가되는 주파수가 증가할수록 다시 감소하였다.
- 1) 관심 구간인 167 mm에서, 화염의 선단 위치는 시간에 대해 선형적으로 전파하며 인가되는 전기장의 세기와 전선의 직경에 따라 화염의 모양과 크기가 변화하게 되며 결과적으로 화염전파속도가 변화하게 된다. 또한, 실험에 사용된 전선의 직경이 증가할수록 화염이 존재하는 전압과 주파수의 영역이 증가하는 것을 알 수 있다.
- 1 mm)인 전선에서 소화가 일어난다. 이를 통해 본 실험에서 인가하는 전압과 주파수의 영역에서, 직경과 인가하는 전기장의 세기에 따라 화염모양이 달라지고 직경 1.5 mm는 소화가 일어나지 않지만 직경 1.1, 0.8 mm인 경우에는 소화가 일어나는 것을 관찰할 수 있다.
- 5 mm인 경우에는 인가된 전압과 주파수 범위에서 소화지점이 없는 것을 알 수 있다. 이를 통해 실험에 사용된 전선의 직경이 증가할수록 더 높은 인가전압과 주파수에서 화염이 존재한다는 것을 알 수 있었으며, 언급된 화염전파속도의 경향으로부터 각각의 전압에서 인가된 주파수가 증가함에 따라 화염전파속도가 감소하는 부분을 Regime I, 그리고 다시 인가되는 주파수에 따라 화염전파속도가 증가하는 영역을 Regime II, 높은 인가전압에서 인가되는 주파수에 따라 다시 감소하는 영역을 Regime III으로 화염전파속도의 경향을 구분할 수 있으며, 각 Regime에서의 화염전파속도는 전선에 인가되는 전압과 주파수, 전선의 직경을 통해 특성화 작업을 수행할 수 있었다.
- 전선에 인가되는 전압이 높을수록 작은 주파수에서 소화되는 것을 알 수 있으며, 전선 직경이 1.5 mm인 경우에는 인가되는 전압과 주파수 범위에서 소화 지점이 없는 것을 알 수 있다.
- 화염전파속도는 VAC ≤2 kV 인 경우와 VAC = 3 kV에서 fAC ≤200Hz인 경우, V AC = 4 kV에서 f AC ≤80 Hz 인 경우, VAC = 5 kV에서 fAC ≤60 Hz인 경우에 인가되는 주파수가 증가할수록 로그스케일의 주파수에 따라 선형적으로 감소하였고 VAC =5 kV, fAC >60 Hz에서 화염이 소화되었다.
- 화염전파속도는 VAC ≤3kV인 경우와 VAC =4 kV에서 fAC ≤60 Hz인 경우,VAC = 5 kV에서 f AC ≤30 Hz 인 경우에 인가되는 주파수가 증가할수록 감소하였다.
후속연구
- 따라서 전선의 직경이 증가할수록 화염 소화 한계가 확장되는 것을 알 수 있다. 이와 같이 전선의 직경과 인가되는 전압과 주파수에 따른 화염 소화 영역은 실제 산업에서 발생할 수 있는 화재에 대한 화재안전코드의 수립에 기여할 것이다.
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