[논문]과전류에 의한 전기콘센트의 열적특성 분석

김두현; 김성철; 김경천

doi:10.14346/jkosos.2019.34.3.8

과전류에 의한 전기콘센트의 열적특성 분석
Analysis of Thermal Characteristics of the Electrical Socket-Outlets by Overcurrent 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.34 no.3, 2019년, pp.8 - 14

김두현 (충북대학교 안전공학과) , 김성철 (충북대학교 안전공학과) , 김경천 (한국기계연구원 안전시설실)

Abstract ▼ AI-Helper

Many electrical socket-outlet fire accidents take place not only in homes but in the offices each year. The causes are mostly faulty constructions, managerial problems and carelessness. Construction and managerial flaws can be resolved by regular or special inspections, but carelessness is not solvable through inspections. Such carelessness can be related to the consumption capacity of electrical socket-outlets presently, the rated current of electrical socket-outlets is based on 16A. However, even at 16A, the heat generated in the insulator of an electrical socket-outlet varies due to such factors as part damage and environmental conditions of use. To explore this situation, the study conducted an experiment to analyze thermal relationship by applying 10A, 20A, and 30A currents. To secure reliability, the study employed thermal analysis simulation and compared the thermal relationship in the same current value. The experimental and simulation values were found to be similar and therefore, diverse current values were replaced with the simulation. At 30A, the temperature was found to rise to at least $169.9^{\circ}C$ which had worked as a sufficient amount of energy to bring the insulation aging of insulator.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Statistics of fire occasion in recent 5 years.
그림 Fig. 2. Statistics of fire from a electrical socket-outlet in recent 5 years.
그림 Fig. 3. Types of electrical socket-outlets.
그림 Fig. 4. The usage of overloaded electrical socket-outlets in laboratory.
그림 Fig. 5. Cases of accident pertinent to electrical socket-outlets.
그림 Fig. 6. Circuit breaker in electrical socket-outlets(20 A).
그림 Fig. 7. Circuit breaker cut-off curve(Rated current 16 ~ 32 A).
그림 Fig. 8. Test process for the electrical socket-outlet.
그림 Fig. 9. Simulation procedure for the electrical socket-outlet.
표 Table 1. Test conditions for the electrical socket-outlet
그림 Fig. 10. Simulation process for the electrical socket-outlet.
그림 Fig. 11. The result of temperature measurement by currents according to the experiment.
그림 Fig. 12. Thermal characteristic by currents according to the experiment and simulation.
표 Table 2. Physical properties of electrical socket-outlets
그림 Fig. 13. Regression analysis for thermal characteristics by currents.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 최근 5년간의 화재발생 통계와 사용실태 조사를 통하여 전기콘센트 화재 사고 및 사용실태에 대한 사용부하와 용량 등을 분석하였다. 또한 전류값에 따른 열적특성 데이터를 도출하기 위하여 실험과 시뮬레이션을 실시하였다.
시뮬레이션은 실험값과 비교분석을 통하여 신뢰성 있는 데이터를 확보하기 위한 것과 실험적으로 재현하기 어려운 한계를 시뮬레이션으로 대처하기 위하여 실시하였다. 시뮬레이션에서는 전기콘센트가 정상상태일때 부하증가에 따른 열적해석 모델로 가정하였다.
전류값에 따른 열적특성을 분석하기 위하여 실험을 실시하였다. 사용된 전기콘센트는 16 A / AC 250 V의 정격용량을 가지고 있고, 주위온도는 20℃로 설정하고 전류 10 A, 20 A, 30 A를 인가하였다.

가설 설정

시뮬레이션은 실험값과 비교분석을 통하여 신뢰성 있는 데이터를 확보하기 위한 것과 실험적으로 재현하기 어려운 한계를 시뮬레이션으로 대처하기 위하여 실시하였다. 시뮬레이션에서는 전기콘센트가 정상상태일때 부하증가에 따른 열적해석 모델로 가정하였다. 열해석 프로그램인 FLUX(France Altair)를 이용하여 Geometry, Mesh, Physics, Solving을 설계하였고, 전류값 10 A부터 30 A까지 열적특성을 분석하였다.

제안 방법

실험과 시뮬레이션을 비교했을 때 포화온도까지의 도달 시간은 차이가 있으나 포화온도에 대해서는 시뮬레이션이 4~5℃가 높게 나타났으며 이는 실험 보다는 보수적인 값을 보였다. 따라서 다양한 전류값은 시뮬레이션을 통하여 열적특성값을 유도하였다.
따라서 본 연구에서는 최근 5년간의 화재발생 통계와 사용실태 조사를 통하여 전기콘센트 화재 사고 및 사용실태에 대한 사용부하와 용량 등을 분석하였다. 또한 전류값에 따른 열적특성 데이터를 도출하기 위하여 실험과 시뮬레이션을 실시하였다. 먼저 실험에서는 주위온도 20℃에서 10 A, 20 A, 30 A를 인가하여 열적 데이터를 도출하였다.
또한 전류값에 따른 열적특성 데이터를 도출하기 위하여 실험과 시뮬레이션을 실시하였다. 먼저 실험에서는 주위온도 20℃에서 10 A, 20 A, 30 A를 인가하여 열적 데이터를 도출하였다. 신뢰성 확보를 위하여 실험에서 사용된 같은 조건으로 시뮬레이션에 적용하여 데이터를 상호 비교하였고 신뢰할만한 결과를 유도하였다.
본 논문에서는 전기콘센트에 대하여 실험과 시뮬레이션으로 전류값에 따른 열적특성을 분석하여 배선용차단기의 동작특성, 전원케이블의 절연저항 비교, 회귀 분석을 통한 방정식을 도출하였다. 본 연구에서 얻은 결론은 다음과 같다.
시뮬레이션에서는 전기콘센트가 정상상태일때 부하증가에 따른 열적해석 모델로 가정하였다. 열해석 프로그램인 FLUX(France Altair)를 이용하여 Geometry, Mesh, Physics, Solving을 설계하였고, 전류값 10 A부터 30 A까지 열적특성을 분석하였다. Fig.
신뢰성 확보를 위하여 실험에서 사용된 같은 조건으로 시뮬레이션에 적용하여 데이터를 상호 비교하였고 신뢰할만한 결과를 유도하였다. 이에 다양한 전류값 10 A에서 30 A까지 열적특성에 대한 시뮬레이션을 하였고 이를 통하여 전류값에 대한 열적특성, 20 A 배선용차단기의 차단곡선 적용시 동작 특성, 전원케이블의 절연저항과 비교 하였고, 최종적으로 회귀분석을 통한 전기콘센트의 열적특성 방정식을 유도하였다.
전기콘센트의 매질 크기에 따라 메쉬 크기를 설정하였고, 전기콘센트의 전원 접속점 주변 온도변화를 분석하기 위하여 A 지점(Cu), B 지점(PC)을 지정하였다. Fig.
전기콘센트의 열적특성을 분석하기 위하여 전류 10 A, 20 A, 30 A를 인가하는 실험과 시뮬레이션 결과를 비교분석하였다. Fig.

대상 데이터

8은 실험과정을 보여주고 있다. 또한, 부분별 온도변화를 확인하기 위하여 A 지점(Cu), B 지점(PC)을 지정하고 주 측정은 열화상카메라 FLUKE Ti25로 하였으며, 데이터 보정용으로는 TESTO 872를 사용하였다. 전류의 인가는 교류전류발생장치(0~40 A) 를 이용하였고 1 A 간격으로 조절할 수 있으나 전류값이 상승함에 따라 ±0.
전류값에 따른 열적특성을 분석하기 위하여 실험을 실시하였다. 사용된 전기콘센트는 16 A / AC 250 V의 정격용량을 가지고 있고, 주위온도는 20℃로 설정하고 전류 10 A, 20 A, 30 A를 인가하였다. 인가시간은 온도의 포화시간(온도가 상승하다가 변화가 없이 지속되는 시간)으로 하였다.
4는 실험실 내에서 전기콘센트의 실태조사를 통해 과부하 사용 사례를 보여주고 있다. 실험용 오븐(15 A)과 초음파세정기(3.62 A)를 하나의 전기콘센트에 연결하여 18.62 A를 사용한다. 이렇게 전기콘센트의 정격전류인 16 A를 초과하여 장시간 사용 시 전기화재로 이어진다.
전류의 인가는 교류전류발생장치(0~40 A) 를 이용하였고 1 A 간격으로 조절할 수 있으나 전류값이 상승함에 따라 ±0.4정도의 오차가 발생하여 10 A의경우는 10.47~10.51 A의 인가값을 주도록 하였다.

데이터처리

13 a)는 전원의 접속점인 A 지점(Cu)의 전류값에 대한 열적 특성을 나타내었고, Fig. 13 b)는 B 지점(PC)의 열적특성으로 전기콘센트의 전류값 상승에 따라 전원 접속점 A 지점의 온도가 상승하면 주변 절연체인 B 지점도 함께 상승하였고 각각에 대한 회귀분석을 실시하였다. 특히 26 A 이상의 전류에서는 전기콘센트의 외형 절연체 PC의 열변형온도 130℃를 초과하고 있어 장시간 사용 시 전기화재가 발생할 가능성이 있는 것으로 보였다.
시뮬레이션을 통하여 10~30 A까지의 전류값에 대한 열적특성을 회귀분석으로 방정식을 산출하였다. Fig.
먼저 실험에서는 주위온도 20℃에서 10 A, 20 A, 30 A를 인가하여 열적 데이터를 도출하였다. 신뢰성 확보를 위하여 실험에서 사용된 같은 조건으로 시뮬레이션에 적용하여 데이터를 상호 비교하였고 신뢰할만한 결과를 유도하였다. 이에 다양한 전류값 10 A에서 30 A까지 열적특성에 대한 시뮬레이션을 하였고 이를 통하여 전류값에 대한 열적특성, 20 A 배선용차단기의 차단곡선 적용시 동작 특성, 전원케이블의 절연저항과 비교 하였고, 최종적으로 회귀분석을 통한 전기콘센트의 열적특성 방정식을 유도하였다.
인가시간은 온도의 포화시간(온도가 상승하다가 변화가 없이 지속되는 시간)으로 하였다. 실험 데이터의 정확도를 높이기 위하여 전류별 3회씩 동일 조건으로 전기콘센트를 실험하여 평균데이터를 얻었다. Table 1은 실험조건을 나타내고 있으며, Fig.

성능/효과

1. 실험과 시뮬레이션을 비교했을 때 포화온도까지의 도달 시간은 차이가 있으나 포화온도에 대해서는 시뮬레이션이 4~5℃가 높게 나타났으며 이는 실험보다는 보수적인 값을 보였다.
3. 플러그와 연결된 전원 케이블(VCTF)도 전류의 증가함에 접속도체의 열적특성에 의해서 절연파괴가 됨을 확인하였다. 접속도체의 경우 14 A에서 전원케이블의 허용온도인 60℃를 초과하였으며 특히, 정격전류 16 A를 초과한 20 A이상은 95.
12 c)는 30A에 대하여 A 지점에서 실험시작 10분 경과시 점에 실험에 평균 169℃, 시뮬레이션은 175℃로 6℃의 차를 보였으며 B 지점에서는 시뮬레이션이 5℃ 높게 나타났다. 실험과 시뮬레이션을 비교했을 때 포화온도까지의 도달 시간은 차이가 있으나 포화온도에 대해서는 시뮬레이션이 4~5℃가 높게 나타났으며 이는 실험 보다는 보수적인 값을 보였다. 따라서 다양한 전류값은 시뮬레이션을 통하여 열적특성값을 유도하였다.
또한 A 지점과 B 지점의 전류값에 따른 온도상승 변화를 회귀 분석으로 방정식을 유도하였으며, A 지점은 식 (3), B 지점은 식 (4)와 같이 주어진다. 전류값을 x에 넣어서 산출하면 해당 온도를 y로 확인할 수 있으며 산출 방정식의 신뢰도는 각각 99.93%, 99.94%로 나타났다.
플러그와 연결된 전원 케이블(VCTF)도 전류의 증가 함에 접속도체의 열적특성에 의해서 절연파괴가 됨을 확인하였다. 접속도체의 경우 14 A에서 전원케이블의 허용온도인 60℃를 초과하였으며 특히, 정격전류 16 A를 초과한 20 A이상은 95.5℃ 이상의 온도로 절연저항이 감소하는 것을 확인하였다.
플러그와 연결된 전원 케이블(VCTF)도 전류의 증가 함에 접속도체의 열적특성에 의해서 절연파괴가 됨을 확인하였다. 접속도체의 경우 14 A에서 전원케이블의 허용온도인 60℃를 초과하였으며 특히, 정격전류 16 A를 초과한 20 A이상은 95.5℃ 이상의 온도로 절연저항이 감소하는 것을 확인하였다.
플러그와 연결된 전원 케이블(VCTF)도 전류의 증가 함에 접속도체의 열적특성에 의해서 절연파괴가 됨을 확인하였다. 접속도체의 경우 14 A에서 전원케이블의 허용온도인 60℃를 초과하였으며 특히, 정격전류 16 A를 초과한 20 A이상은 95.

후속연구

4. 회귀분석을 통하여 사용부하의 소비전력에 대한 전류값을 적용하여 전기콘센트의 허용전류 및 허용온도내의 설계를 통해 전기화재 예방 및 안전한 관리가 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	온도변화에 따른 전원 케이블(VCTF)의 절연저항 특성평가 결과는 무엇인가?	특히 100℃에서 케이블의 피복이 변형되며 200℃에서 절연파괴가 발생하였다. 이와 같이 절연저항은 입력되는 전류값에 의해 발생되는 열에 의한 변화를 가져 오며 최종적으로 절연파괴가 됨을 확인할 수 있다8).
	전기콘센트의 구성은 무엇으로 이루어져 있는가?	전기콘센트의 구성은 도체와 절연체로 구성되어 있는데 전기가 흐르는 도체와 전기가 흐르지 않는 절연체로 구분된다. 절연체는 대부분 전원이 흐르는 도체(Cu)의 주변을 감싸고 있는 PBT(Polybutylene terephthalate, 열변형 온도 200℃)와 전기콘센트의 외형인 PC(Polycarbonate, 열변형온도 130℃)로 구분되어 있고 두 상(Phase)이 단락 되지 않도록 절연역활을 하며, 이 절연체는 일정 온도 이상 상승하면 절연저항이 감소하여 전기화재의 위험에 노출된다.
	2018년도 전국에서 발생한 화재에서 2번째로 높게 나타난 화재는 무엇인가?	2018년도 전국에서 발생한 화재 42,337건에서 전기적 요인은 10,469건(24.7%)으로 부주의 20,353건(48.

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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