[논문]전계해석과 기체방전 이론을 기반으로 한 Polyvinyl-Chloride-Sheathed Flat Cord 표면의 트래킹 진전 메커니즘

임동영; 박혜리; 지승욱

doi:10.7731/kifse.2019.33.2.030

전계해석과 기체방전 이론을 기반으로 한 Polyvinyl-Chloride-Sheathed Flat Cord 표면의 트래킹 진전 메커니즘
Tracking Propagation Mechanism on the Surface of Polyvinyl-Chloride-Sheathed Flat Cord based on Electric Field Analysis and Gas Discharge Physics 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.33 no.2, 2019년, pp.30 - 38

임동영 (현대공업고등학교 조선플랜트전장과) , 박혜리 (한양대학교 전기.생체공학부) , 지승욱 (강원대학교 소방방재학부)

초록
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전기 화재의 주요 원인 중 하나인 트래킹은 전기적 방전에 의한 물리적 현상으로 인식된다. 따라서 트래킹은 전계해석, 전자생성에 의한 도전성 경로, 기체방전이론을 기반으로 설명되어야 한다. 하지만, 이러한 사항을 반영한 연구논문은 드물다. 본 논문은 트래킹 진전에서 그들의 영향을 포함한 트래킹 진전 메커니즘을 제안하였다. 그 메커니즘의 제안을 위해, 트래킹 실험, 탄화진전 모델에 대한 전계해석, 연면방전 이론을 적용한 트래킹 진전과정에 대한 설명이 수행되었다. 트래킹 모의실험으로부터, 코로나 방전에서 트래킹 파괴까지 트래킹 진전의 각 단계에서 전류파형이 측정되었다. 전계해석은 탄화의 발생과 진전과정동안 건조대 표면의 전계와 전자생성을 위한 고전계 영역을 파악하기 위해 수행되었다. 본 논문에서 제안된 트래킹 메커니즘은 코로나 방전에 의한 전자사태, 양이온의 축적, 전자사태의 확장, 2차 전자사태, 스트리머, 도전성 경로에 의한 트래킹 파괴의 6단계로 구성된다. 트래킹 모의실험에서 측정된 펄스성 전류파형은 제안된 트래킹 메커니즘에 의해 설명될 수 있었다. 본 연구 결과는 화재의 원인인 트래킹을 검출하고, 내트래킹성을 높이는 데 필요한 기술 자료가 될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Tracking, which is one of the main causes of electrical fires, is perceived as a physical phenomenon of electrical discharge. Hence tracking should be explained based on electric field analysis, conduction path by electron generation, and gas discharge physics. However, few papers have considered these details. This paper proposes a tracking mechanism including their effects on tracking progress. In order to prove this mechanism, a tracking experiment, an electric field analysis for the carbonization evolution model, and an explanation of the tracking process by gas discharge physics were conducted. From the tracking experiment, the current waveforms were measured at each stage of the tracking progress from corona discharge to tracking breakdown. The electric field analysis was carried out in order to determine the electric field on the surface of a dry-band and the high electric field region for electron generation during the generation and progress of carbonization. In this paper, the proposed tracking mechanism consisted of six stages including electron avalanche by corona discharge, accumulation of positive ions, expansion of electron avalanche, secondary electron emission avalanche, streamer, and tracking by conductive path. The pulse current waveforms measured in the tracking experiment can be explained by the proposed tracking mechanism. The results of this study will be used as the technical data to detect tracking phenomenon, which is the cause of electric fire, and to improve the proof tracking index.

주제어

표/그림 (7)

그림 Figure 1. Experimental setup diagram.
그림 Figure 2. Photographs of scintillation discharge, carbonization on insulating and sheath layer, and tracking with continuous dropping of electrolyte.
그림 Figure 3. Voltage-current waveform for tracking progress.
그림 Figure 4. Electric field analysis model for analysis of tracking progress mechanism.
그림 Figure 5. Electric field analysis results on electrolyte surface.
그림 Figure 6. Electric field on dry band for carbonization stage including no carbon, carbonization stage 1, and 2.
그림 Figure 7. Detailed tracking mechanism based on surface discharge theory and high electric field.

AI 본문요약
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문제 정의

인가전원은 교류 220 V, 60 Hz을 적용하였다. 무유도 저항(100 Ω)이 트래킹의 진전에서 발생하는 방전전류를 제한하기 위해 연결된다. 트래킹 실험을 위한 PVCSFC 시료(1.
본 논문은 polyvinyl-chloride-sheathed flat cord (PVCSFC) 표면에서 발생하는 트래킹 진전 메커니즘을 트래킹 모의실험, 탄화진전 모델에 대한 전계해석, 연면방전 이론을 바탕으로 설명 및 제안하였다. 트래킹 모의실험동안, 트래킹 진전과정에서 펄스성의 전류가 관측되었다.
본 논문은 전계해석, 전자생성에 의한 도전성 경로, 기체방전 이론을 모두 포함하는 트래킹 진전 메커니즘을 제안하였다. 그 제안을 위해, 트래킹현상 모의실험, 탄화진전 모델을 고려한 전계해석, 기체방전이론과 도전성 경로를 포함하는 트래킹 진전과정의 분석이 수행되었다.

가설 설정

탄화진전 1단계는 Figure 4(b)와 같이 건조대 사이에 탄화가 존재하지 않는 경우이다. 탄화 2단계는 Figure 4(b)와 같이 건조대 사이에 GCE에 접촉하여 발생하는 탄화이며, 탄화 3단계는 건조대 중심에 탄화물이 추가적으로 생성된 것으로 상정하였다. 본 논문의 모든 경우에서 전계계산은 유한요소법으로 수행하였다.
PVCSFC 표면에 적하된 전해액의 접촉각은 PVCSFC 표면 상태나 오염정도와 함께 변화한다. 본 논문에서 PVCSFC 시료는 트래킹 시험전 충분한 세척과정으로 인해 청결한 상태로 상정할 수 있다. 그래서 PVCSFC와 전해액의 접촉각은 90°로 결정하였다⁽¹¹⁾.

제안 방법

이는 코로나 펄스 전류(Figure 3(a))가 음극성 주기에서 처음 관측되었기 때문이다. 건조대는 음극성 전압이 인가된 도체전극에 방향으로 형성되는 것으로 상정하였고⁽¹⁾, 그 간격은 0.1 mm로 설정하였다. 전해액은 NH₄Cl, 도전율 4 S/m, 유전율 7.
본 논문은 전계해석, 전자생성에 의한 도전성 경로, 기체방전 이론을 모두 포함하는 트래킹 진전 메커니즘을 제안하였다. 그 제안을 위해, 트래킹현상 모의실험, 탄화진전 모델을 고려한 전계해석, 기체방전이론과 도전성 경로를 포함하는 트래킹 진전과정의 분석이 수행되었다. 트래킹현상 모의실험은 실생활에서 전기배선을 목적으로 가장 많이 사용되는 케이블을 대상으로 수행되었고, 트래킹 진전단계에 대한 전류파형도 그 실험동안 측정되었다.
그러므로 전계해석은 Figure 4와 같이 삼중점에서 전해액 표면(하늘색 화살표)을 따라 11개의 지점(P1∼P11)을 설정하여 그 지점(전해액 표면)과 전해액 사이에서 수행하였다.
방전으로 인한 탄화는 가로 0.01 mm × 세로 0.01 mm 크기의 탄소재료를 사각형으로 모델링하였다.
본 항은 그 영역과 연면방전 이론을 기반으로 한 트래킹 발생 메커니즘을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 트래킹 메커니즘은 세부적으로 6단계로 구성된다. 그 6단계는 코로나 방전에 의한 전자사태, 양이온의 축적, 전자사태의 확장, 건조대 표면에서 2차 전자사태, 스트리머 발생, 도전성 경로에 의한 트래킹 발생이다.
그 위치는 음극 삼중점, 건조대 중심, 탄화물들 사이에 건조대 영역이다. 본 항은 그 영역과 연면방전 이론을 기반으로 한 트래킹 발생 메커니즘을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 트래킹 메커니즘은 세부적으로 6단계로 구성된다.
실험방법은 PVCSFC의 준비, 전해액 적하, 전압-전류 파형측정의 순으로 진행하였다. 트래킹 실험 이전에 PVCSFC 시료는 에틸 알콜로 세척된 후 실리카 겔을 이용하여 48시간 이상 건조된다.
트래킹현상 모의실험은 실생활에서 전기배선을 목적으로 가장 많이 사용되는 케이블을 대상으로 수행되었고, 트래킹 진전단계에 대한 전류파형도 그 실험동안 측정되었다. 유한요소법을 적용한 전계해석은 탄화진전 과정을 모델링한 후 실험에 사용된 케이블의 재질, 형태, 구조 등에 관한 파라미터들을 초기값으로 설정하여 수행되었다. 최종적으로 전계해석 결과, 전자생성, 도전성 경로의 형성, 기체방전이론을 기반으로 한 트래킹 진전 메커니즘이 제안된다.
하지만, 기존에 보고된 트래킹 현상에 관한 연구들은^(1-5) 대부분 고전계와 도전성 경로를 포함하지 않아, 트래킹 진전과정에서 상세함과 그 메커니즘 분석에 제한적인 정보만을 제공하고 있다. 최근에, 전기적인 방전이론(연면방전이론)을 기반으로 트래킹 진전 메커니즘이 분석된 바 있지만⁽⁶⁾, 그 연구는 트래킹 진전에서 전자가 생성될 수 있는 고전계 영역을 상세한 전계해석보다는 알려진 방전이론에 의존하여 트래킹 메커니즘을 제안하였다.
두 도체 사이에 형성된 트래킹 파괴는 Figure 2(d)와 같다. 트래킹 실험을 10회 실시한 결과 신틸레이션 방전은 적하수 2회때 부터 나타나기 시작했으며, 절연층 탄화와 시스층 탄화는 각각 30적하, 60적하부터 진행되었다. 트래킹 파괴는 평균 167적하에서 나타났다.

대상 데이터

그래서 PVCSFC와 전해액의 접촉각은 90°로 결정하였다⁽¹¹⁾. 음극성 전압이 인가된 전극(Negative Conductor Electrode, NCE)과 접지된 전극(Grounded Conductor Electrode, GCE)에 적하된 전해액의 지름은 각각 3.1 mm와 4.2 mm로 설정하였다. 신틸레이션 방전 이전에 출현하는 코로나는 전계가 집중하는 위치(도체, 전해액, PVCSFC 표면이 서로 접촉하는 삼중점과 전해액 표면)에서 발생하며, 트래킹을 이끄는 신틸레이션 방전과 기체방전(전자사태, 2차 전자사태, 스트리머)은 전해액 표면, 건조대, 전해액 사이에서 출현한다.
트래킹이 발생할 때까지, 전해액이 지속적으로 적하된다. 적하되는 동안 전압-전류 파형이 디지털 오실로스코프로 측정되었고, 그 측정파형은 트래킹 진전단계를 설명하는 데이터로 활용하였다.
트래킹 실험을 위한 PVCSFC 시료(1.25 mm2 × 2 도체)는 2,400 mm 길이로 내부에 2개의 도체를 보유한다.
그 제안을 위해, 트래킹현상 모의실험, 탄화진전 모델을 고려한 전계해석, 기체방전이론과 도전성 경로를 포함하는 트래킹 진전과정의 분석이 수행되었다. 트래킹현상 모의실험은 실생활에서 전기배선을 목적으로 가장 많이 사용되는 케이블을 대상으로 수행되었고, 트래킹 진전단계에 대한 전류파형도 그 실험동안 측정되었다. 유한요소법을 적용한 전계해석은 탄화진전 과정을 모델링한 후 실험에 사용된 케이블의 재질, 형태, 구조 등에 관한 파라미터들을 초기값으로 설정하여 수행되었다.

이론/모형

탄화 2단계는 Figure 4(b)와 같이 건조대 사이에 GCE에 접촉하여 발생하는 탄화이며, 탄화 3단계는 건조대 중심에 탄화물이 추가적으로 생성된 것으로 상정하였다. 본 논문의 모든 경우에서 전계계산은 유한요소법으로 수행하였다.

성능/효과

탄화진전에 대한 간략한 모델링을 통한 전계해석으로부터, 음극 삼중점(전해액, 전극, PVCSFC 표면이 서로 접촉하는 지점)과 탄화물 사이에 건조대 표면에서 고전계가 형성됨을 알 수 있었다. 그 전계해석 결과와 연면방전 이론을 토대로 제안된 트래킹 메커니즘은 상세하게 코로나 방전에 의한 전자사태, 양이온의 축적, 전자사태의 확장, 2차 전자사태의 발생, 스트리머 생성, 도전성 경로에 의한 트래킹 발생의 6단계로 구성되며, 트래킹 모의실험에서 측정된 펄스성 전류를 충분히 설명할 수 있었다. 본 논문의 결과는 기존 연구논문보다 더욱더 상세한 트래킹 진전 과정에 관한 설명과 정보를 포함하고 있다.
본 논문에서 제안된 트래킹 메커니즘은 전계해석에 의한 고전계 영역과 전자생성에 의한 도전성 경로의 형성을 모두 포함하고 있으며, 트래킹 진전 실험동안 측정된 전류파형도 제안된 메커니즘에 의해 충분히 설명된다. 그러므로 본 논문에서 제안된 트래킹 메커니즘은 합리적이라 판단된다.
트래킹이 전기적 방전현상과 유사하기 때문에, 고전계와 전자생성에 의한 도전성 채널을 포함하여 트래킹 메커니즘을 설명하는 것이 합리적이다. 본 논문에서 제안된 트래킹 메커니즘은 전계해석에 의한 고전계 영역과 전자생성에 의한 도전성 경로의 형성을 모두 포함하고 있으며, 트래킹 진전 실험동안 측정된 전류파형도 제안된 메커니즘에 의해 충분히 설명된다. 그러므로 본 논문에서 제안된 트래킹 메커니즘은 합리적이라 판단된다.
트래킹 모의실험동안, 트래킹 진전과정에서 펄스성의 전류가 관측되었다. 탄화진전에 대한 간략한 모델링을 통한 전계해석으로부터, 음극 삼중점(전해액, 전극, PVCSFC 표면이 서로 접촉하는 지점)과 탄화물 사이에 건조대 표면에서 고전계가 형성됨을 알 수 있었다. 그 전계해석 결과와 연면방전 이론을 토대로 제안된 트래킹 메커니즘은 상세하게 코로나 방전에 의한 전자사태, 양이온의 축적, 전자사태의 확장, 2차 전자사태의 발생, 스트리머 생성, 도전성 경로에 의한 트래킹 발생의 6단계로 구성되며, 트래킹 모의실험에서 측정된 펄스성 전류를 충분히 설명할 수 있었다.

후속연구

본 논문의 결과는 기존 연구논문보다 더욱더 상세한 트래킹 진전 과정에 관한 설명과 정보를 포함하고 있다. 본 논문은 트래킹 진전과정의 미시적 해석의 기초가 되며, 트래킹 검출 방법, 전기기구의 내트래킹성 향상 및 트래킹에 의한 화재 예방에 기여할 수 있을 것이다.
유한요소법을 적용한 전계해석은 탄화진전 과정을 모델링한 후 실험에 사용된 케이블의 재질, 형태, 구조 등에 관한 파라미터들을 초기값으로 설정하여 수행되었다. 최종적으로 전계해석 결과, 전자생성, 도전성 경로의 형성, 기체방전이론을 기반으로 한 트래킹 진전 메커니즘이 제안된다. 기체방전을 설명하는 전자생성 메커니즘(충돌전리, 광전리, 2차 전자방출, 전자탈착, 전계방출 등)은 E.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	펄스성의 전류가 관측되는 과정은 어떠한가?	탄화진전에 대한 간략한 모델링을 통한 전계해석으로부터, 음극 삼중점(전해액, 전극, PVCSFC 표면이 서로 접촉하는 지점)과 탄화물사이에 건조대 표면에서 고전계가 형성됨을 알 수 있었다. 그 전계해석 결과와 연면방전 이론을 토대로 제안된 트래킹 메커니즘은 상세하게 코로나 방전에 의한 전자사태, 양이온의 축적, 전자사태의 확장, 2차 전자사태의 발생, 스트리머 생성, 도전성 경로에 의한 트래킹 발생의 6단계로 구성되며, 트래킹 모의실험에서 측정된 펄스성 전류를 충분히 설명할 수 있었다. 본 논문의 결과는 기존 연구논문보다 더욱 더 상세한 트래킹 진전 과정에 관한 설명과 정보를 포함하고 있다.
	트래킹을 설명할 수 있는 이론들은 무엇인가?	전기 화재의 주요 원인 중 하나인 트래킹은 전기적 방전에 의한 물리적 현상으로 인식된다. 따라서 트래킹은 전계해석, 전자생성에 의한 도전성 경로, 기체방전이론을 기반으로 설명되어야 한다. 하지만, 이러한 사항을 반영한 연구논문은 드물다.
	트래킹이란 무엇인가?	전기 화재의 주요 원인 중 하나인 트래킹은 전기적 방전에 의한 물리적 현상으로 인식된다. 따라서 트래킹은 전계해석, 전자생성에 의한 도전성 경로, 기체방전이론을 기반으로 설명되어야 한다.

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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