[논문]온도 및 절연체에 따른 케이블의 단선시간 특성 해석

김주희; 강신동; 김재호

doi:10.14346/jkosos.2018.33.5.15

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the fusing time characteristics of Light PVC Sheathed Circular Cord(VCTF) and Tray Frame Retardant(TFR) cables according to increased temperature under over current condition. The experimental equation will be used to determine the validity and reliability of the test results. T...

This paper describes the fusing time characteristics of Light PVC Sheathed Circular Cord(VCTF) and Tray Frame Retardant(TFR) cables according to increased temperature under over current condition. The experimental equation will be used to determine the validity and reliability of the test results. The over current flowed 3, 5 and 10 times higher than the amount of allowable current using DC power supply with DAQ(Data Acquisition) measurement system. An infrared radiation heater, which was controlled by a variable AC auto transformer, was used to increase the temperature from room temperature to 50, 100 and 150 degrees Celsius. First, two type of cables were analyzed those with different cross-sectional areas with in the same structure and those with different structures with in the same cross-sectional areas. Then, it was determined how fusing time had been influenced according to the cross-sectional areas and different structures, respectively. The cable resistance was increased by joule heating according to increasing temperature. Therefore, the allowable current of cable is decreased. Finally, the fusing time of the cable was decreased due to increased temperatures at current flow, which were 3 times the amount of allowable current. The instantaneous breakdown was observed when current flow was 5 and 10 times over the amount of allowable current. The fusing time is directly affected by the structure of cable insulation.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Comparison between proposed equation and experimental results.
그림 Fig. 2. Configuration of VCTF cable.
그림 Fig. 3. Configuration of TFR-8 cable.
표 Table 1. Specifications of the VCTF cable
표 Table 2. Specifications of the TFR-8 cable
그림 Fig. 4. Hardware setup.
그림 Fig. 5. Experimental results of fusing time characteristics of VCTF 0.75 mm² and VCTF 1.5 mm² cables.
그림 Fig. 6. Experimental results of fusing time characteristics of VCTF 0.75 mm² cable under room temperature, 50℃, 100℃ and 150℃.
그림 Fig. 7. Temperature variation of VCTF 0.75 mm² cable when the over current flowed 3 times the amount of allowable current.
그림 Fig. 8. The cable resistance increased due to the increased temperature.
그림 Fig. 9. Comparison of fusing times at VCTF 1.5 mm² and TFR- 8 1.5 mm² cables.
표 Table 3. Fusing time of VCTF and TFR-8 1.5 mm² cables

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구는 케이블 용단시간을 평가하는 계산식에 대한 분석과 적외선 복사 히터를 이용하여 주변온도 및 케이블을 구성하고 있는 절연체 및 개재물에 따른 케이블의 단선특성 해석과 화재 위험성을 분석하였다²⁾.

제안 방법

데이터의 측정 및 직류전원 공급 장치의 제어는 National Instruments의 LabVIEW 프로그램을 사용하였다. 전류 측정은 Shunt resistor를 회로에 직렬로 연결하여 측정하였고 슬라이닥스를 이용하여 적외선 복사히터의 온도를 50°C, 100°C, 150°C로 변화시켜 가며 온도조건에 따른 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 케이블의 총 길이는 80 cm, 온도변화는 K-type 열전대를 사용하였고 도체, 시스 및 주변 온도를 측정하였다.
5 mm² 케이블을 사용하였다. 케이블의 구조에 따른 용단시간을 확인하기 위해 절연체 및 개재물 등이 서로 다른 동일한 도체 단면적을 갖는 VCTF 1.5 mm²의 케이블과 TFR-8 1.5 mm² 케이블에 허용전류 이상의 배수를 통전시켰을 때의 단선 시간을 비교 분석하였다.
통전 전류는 케이블에서 단선이 발생하는 허용전류 3배에서부터 케이블의 구조에 따른 용단시간을 확인하기 위해 5배, 10배로 전류를 증가시키면서 인가하였다. 통전 전류는 허용전류의 3배, 5배, 10배로 증가시키면서 용단시간 변화를 측정하였으며, 전류 통전에 따른 온도 및 저항변화를 확인하고 이를 통해 단선시간을 분석하였다.

대상 데이터

도체의 단면적 크기에 따른 단선시간 특성 분석을 위해 VCTF 0.75 mm²와 VCTF 1.5 mm² 케이블을 사용하였다. 케이블의 구조에 따른 용단시간을 확인하기 위해 절연체 및 개재물 등이 서로 다른 동일한 도체 단면적을 갖는 VCTF 1.
실험에 사용된 케이블은 VCTF 염화비닐절연케이블과 TFR-8 트레이용 난연 내화케이블을 사용하였다. VCTF 케이블은 일반적으로 옥내의 에너지 전달을 위해 사용되고 있으며 절연체와 시스 모두 PVC로 구성되어 있다.
전류 측정은 Shunt resistor를 회로에 직렬로 연결하여 측정하였고 슬라이닥스를 이용하여 적외선 복사히터의 온도를 50°C, 100°C, 150°C로 변화시켜 가며 온도조건에 따른 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 케이블의 총 길이는 80 cm, 온도변화는 K-type 열전대를 사용하였고 도체, 시스 및 주변 온도를 측정하였다. 통전 전류는 케이블에서 단선이 발생하는 허용전류 3배에서부터 케이블의 구조에 따른 용단시간을 확인하기 위해 5배, 10배로 전류를 증가시키면서 인가하였다.
절연체의 종류 및 구성방식에 따른 용단시간 특성을 비교 분석하기 위해 여러 개의 층으로 구성되어 있는 TFR-8 케이블을 사용하였다. TFR-8 케이블은 난연 내화 성능을 가지고 있으며, 100 V 이하의 비상 경보설비 신호 및 통신용으로 사용하거나 정격전압 0.

데이터처리

4는 실험을 위한 하드웨어 구성도이다. 데이터의 측정 및 직류전원 공급 장치의 제어는 National Instruments의 LabVIEW 프로그램을 사용하였다. 전류 측정은 Shunt resistor를 회로에 직렬로 연결하여 측정하였고 슬라이닥스를 이용하여 적외선 복사히터의 온도를 50°C, 100°C, 150°C로 변화시켜 가며 온도조건에 따른 실험을 수행하였다.
케이블 단선시간 계산에 사용되고 있는 제안된 수식과 실험결과가 다른 형태를 보이는 것은 실제 케이블에서의 실험은 절연체의 종류와 구성방식에 따라 열적 조건이 변화하게 되고 이에 따라 단선시간에 많은 영향을 미치지만 온더동크의 실험식과 프리스 실험식은 절연체를 전혀 고려하지 않았고 IEC 60364-434식은 단층으로 되어있는 절연체에 대해 고려되어 있으나 다층구조로 되어 있는 케이블에 대한 고려는 되어 있지 않기 때문이다. 따라서 케이블의 단선시간에 대한 수치해석의 필요성이 있어 상온에서 FEM프로그램을 이용하여 선행연구로 진행하였다⁸⁾.

이론/모형

현재 케이블의 단선시간을 평가하기 위해 사용되는 기준은 프리스(W.H. Preece)의 실험식, 온더동크(Onderdonk’s)식, IEC 60364-434에서 제안된 식을 사용하고 있다.

성능/효과

5 mm²의 동일한 도체 단면적을 갖는 서로 다른 두 케이블에서 50°C, 100°C, 150°C 온도 조건에서의 케이블 단선시간을 비교한 그래프이다. VCTF 케이블과 TFR-8 케이블은 허용전류 5배와 10배에서 단선시간이 거의 유사한 형태를 보인다. 하지만 TFR-8 케이블은 허용전류 3배인 조건에서는 단선이 일어나지 않았고, 허용전류 3.
동일한 구조로 되어 있는 케이블의 경우 단면적의 변화에 따른 케이블 단선시간은 허용전류 배수에 따라 유사함을 확인하였고, 주변 온도 상승에 따른 케이블 도체 온도가 증가함에 따라 허용전류 3배 이하의 전류에서는 단선시간이 감소하며 허용전류의 5배 이상에서는 단선시간에 영향을 미치지 않는다는 것을 확인하였다. 또한 케이블 도체 온도가 증가함에 따라 저항이 증가하게 되고 줄열의 발생량이 증가하게 되어 단선시간에 영향을 미치게 된다.
상온, 50°C, 100°C, 150°C에서 도체 온도가 증가함에 따라 저항 또한 줄열에 의해 증가하고 단선 시간에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다. 동일한 도체 단면적을 갖는 케이블이라도 케이블을 구성하고 있는 절연체의 두께 및 개재물 등에 따라 단선시간에 영향을 주는 것을 확인하였다.
케이블 주변 온도변화는 상온, 50°C, 100°C, 150°C에서 실험을 진행하였다. 실험결과 허용전류 3배를 인가하였을 때 상온에서 38분 47초, 50°C에서 34분 15초, 100°C에서 30분 27초, 150°C에서 23분 30초로 온도가 높아질수록 단선시간은 점차 줄어들고 있는 것을 확인 할 수 있다. 이는 온도가 증가함에 따라 도체의 저항이 증가하게 되고 줄열의 열 발생량이 증가하게 되어 단선시간이 줄어드는 것을 알 수 있다.
34분 15초에서 단선을 보였으며, 전류 통전에 따른 도체층과 시스의 온도 상승을 보여주고 있다. 통전되는 전류에 의해 도체가 발열하게 되고 열전달에 의해 외부 절연체로 확산되는형태로 용단시 도체의 온도가 절연체의 온도보다 60°C 높은 것을 확인 할 수 있다.
VCTF 케이블과 TFR-8 케이블은 허용전류 5배와 10배에서 단선시간이 거의 유사한 형태를 보인다. 하지만 TFR-8 케이블은 허용전류 3배인 조건에서는 단선이 일어나지 않았고, 허용전류 3.5배인 조건에서 또한 단선이 일어나지 않았으며 4배인 조건에서는 단선이 일어난 것을 확인하였다. VCTF 케이블은 허용전류 3배에서 단선이 발생하였다.
이는 케이블의 단선특성이 케이블을 구성하고 있는 절연체 및 개재물 등에 영향을 받는다는 것을 알 수 있고 그 이유는 VCTF 케이블과 TFR-8 케이블을 구성하고 있는 절연체 및 개재물 등에 의한 열적 조건이 서로 상이하기 때문이다. 허용전류 5배, 10배에서의 고전류에서는 순간적으로 많은 열의 발생과 축적으로 외부로의 열전달로 인한 손실이 발생되지 않아 수초 이내에 순시용단이 일어나 두 케이블 모두 단선시간이 동일한 것을 알 수 있다.

후속연구

향후 화재 조건을 고려한 화염 접촉에 따른 케이블의 단선 특성 해석에 대한 연구를 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	프리스 식이 케이블의 단선시간 산출에 적합하지 않은 이유는 무엇인가?	If는 용단전류(A), a는 단락계수, D는 전선의 직경(mm2)을 나타내고 있다. 프리스의 실험식에서는 와이어의 종류와 직경이 용단전류를 결정하는 주요 인자로 사용되고 있으며, 주변온도, 습도 등과 같은 인자는 고려되지 않는다3-4). 따라서 용단전류가 케이블의 용단시간, 주변온도, 도체의 용융온도 등에 의해 영향을 받을 경우 프리스 식은 이용될 수 없기 때문에 실제 케이블에서의 단선시간을 산출하는데 있어서 적합하지 않은 것을 확인할 수 있다.
	단락 및 지락 고장에 의해 발생하는 문제는 무엇인가?	케이블은 전력 전송을 위해 한 지점과 지점을 연결하는 에너지 전달을 위해 사용되고 있는 설비 중 하나이다. 단락 및 지락 고장이 빈번하게 발생할 경우 고장 전류에 의한 온도상승으로 열화가 진행되어 초기의 특성을 유지하지 못하고 성능이 저하되어 절연파괴와 같은 고장을 초래할 우려가 있다. 또한 PVC 외피 등 석유계의 유기물로 구성된 절연체 또는 피복재가 연소될 때 유독가스 연소생성물인 연기 등이 발생 하게 되며 케이블에 의해 화재가 타 구획으로 확산되는 원인이 될 수 있다.
	케이블이란 무엇인가?	케이블은 전력 전송을 위해 한 지점과 지점을 연결하는 에너지 전달을 위해 사용되고 있는 설비 중 하나이다. 단락 및 지락 고장이 빈번하게 발생할 경우 고장 전류에 의한 온도상승으로 열화가 진행되어 초기의 특성을 유지하지 못하고 성능이 저하되어 절연파괴와 같은 고장을 초래할 우려가 있다.

참고문헌 (8)

S. C. Kim, J. Y. Kim and K. S. Bang, "Experimental Study of Fire Characteristics of a Tray Flame Retardant Cable", J. Korean Soc. Saf., Vol. 28, No. 3, pp. 39-43, 2013.

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C. S. Choi, H. K. Kim and D. O. Kim, "A Study on the Characteristics Analysis of Strands Melted by Over Current", J. Korean Soc. Saf., Vol. 19, No. 1, pp. 60-65, 2004.
K. M. Shong and Y. S. Roh, "A Study on Discrimination between Short-Circuit and Overload based on the Characteristics of the Fusing Current of an Electrical Wire", Journal of KIEE, Vol. 21, No. 10, pp. 176-180, 2007.
K. M. Shong, C. S. Choi, D. W. Kim and H. R. Kwak, "A Study on the Growing Characteristics of Dendrite Structure of Melted Wire Deteriorated by Over Current", KIEE Summer Conference, pp. 1463-1465, 2003.
IEC 60364-4-43, "Protection for safety-Protection Against Overcurrent", 2002.8.31.
IEC 60364-5-54, "Selection and Erection of Electrical Equipment-Earthing Arrangements and Protective Conductors, 2002.10.29.
IEC 60724, "Short-circuit Temperature Limits of Electric Cables with Rated Voltages of 1 kV (Um 1.2 kV) and 3 kV(Um 3.6 kV)", 2005.2.28.
B. J. Kim and J. H. Kim, "A Preliminary Study on Transient State Characteristics of Cable by Over Current", KIIEE Annual Spring Conference, pp. 238-239, 2014.

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