[논문]전기콘센트의 사용환경과 전류값에 따른 열적특성 및 절연저항 분석

김경천; 김두현; 김성철

doi:10.14346/jkosos.2019.34.5.22

전기콘센트의 사용환경과 전류값에 따른 열적특성 및 절연저항 분석
Analysis of Thermal Characteristics and Insulation Resistance based on Usage Environment and Current Value of Electrical Socket Outlet 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.34 no.5, 2019년, pp.22 - 30

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

Abstract ▼ AI-Helper

In 2018, overload, overcurrent, insulation aging, and a contact failure caused 659 electric fires. There is almost no failure of electrical socket outlets during their manufacturing or installation period. After several months or several years, overload or overcurrent of electrical socket outlets leads to a contact failure or short circuit which causes an electric fire. Therefore, this paper analyzed for thermal characteristics based on a current value and the change in insulation resistance along with a temperature rise caused by electrical socket outlets and the state of laboratory use in workplaces. As a results, regarding the thermal characteristics based on the current value of each installation year, a temperature increase was related to a current value, an installation year, and whether the contact unit is corroded. Insulation resistance began to decrease when a temperature increased to a certain level. With a lapse of installation year, the temperature at which insulation resistance began to decrease was lowered. This paper can be applicable for the survey data about electrical socket outlet induced fire accidents and management guidelines.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. Fire accidents due to electrical causes for the recent 5 years.
그림 Fig. 2. Electrical socket outlet fires for the recent 5 years.
그림 Fig. 3. Local short circuit and hole carbonization of electrical socket outlet.
그림 Fig. 4. The usage of overloaded electrical socket outlets in laboratory.
그림 Fig. 5. The structural change of electrical socket outlets according to installation year.
그림 Fig. 6. Impurities including dust and conductor corrosion in electrical socket outlets.
표 Table 1. Electrical socket outlet classification by installation year and allowable criterion of current
표 Table 2. The usage environment and use history of electrical socket outlet according to an installation year
그림 Fig. 7. The electrical socket outlet classification of thermal characteristics testing according to installation year.
그림 Fig. 8. Experimental process for the thermal characteristics of electrical socket outlet.
그림 Fig. 9. The electrical socket outlet classification of insulation resistance testing according to installation year.
표 Table 3. Experimental conditions for the thermal characteristics of electrical socket outlet
그림 Fig. 10. Experimental process to measure insulation resistanceof electrical socket outlet.
그림 Fig. 11. Analysis of thermal characteristics of electrical socket outlet according to the current value of each installation year.
표 Table 4. Experimental conditions for insulation resistance of electrical socket outlet
그림 Fig. 12. Thermal damage cases of electrical socket outlets and plugs (thermal imaging camera).
그림 Fig. 13. Analysis of thermal characteristics according to the current value of the grounded and ungrounded 30 years electrical socket outlets.
그림 Fig. 14. Analysis of thermal characteristics according to the current value of normal and corroded 10 years electrical socket outlets.
그림 Fig. 15. Conductor corrosion and thermal damage cases of electrical socket outlets (thermal imaging camera).
그림 Fig. 16. Analysis of the average insulation resistance of electrical socket outlets by installation year.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 전국에서 발생한 전기화재를 통계분석하고 전기콘센트의 화재사고 사례와 직장 내 실험실 사용실태를 조사하였다. 또한 건축물의 준공일 기준으로 10년, 20년, 30년이 경과된 전기콘센트를 수집하기 위하여, 기계분야의 비슷한 실험실에서 사용한연구 장비의 사용전류, 사용빈도 등 실태조사를 하였다.
본 논문에서는 사용 환경 따른 설치 연도별(0년, 10년, 20년, 30년) 전기콘센트의 화재를 예방하기 위하여 전류 값에 따른 열적특성과 온도상승 시 절연체의 절연저항 변화에 대하여 분석하였다. 본 연구에서 얻은 결론은 다음과 같다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 전국에서 발생한 전기화재를 통계분석하고 전기콘센트의 화재사고 사례와 직장 내 실험실 사용실태를 조사하였다. 또한 건축물의 준공일 기준으로 10년, 20년, 30년이 경과된 전기콘센트를 수집하기 위하여, 기계분야의 비슷한 실험실에서 사용한연구 장비의 사용전류, 사용빈도 등 실태조사를 하였다. 실태조사에서 10년, 20년, 30년의 전기콘센트는 60개, 0년은 12개로 총 72개를 수집하였다.
또한, 실험장비의 전류용량, 관리상태, 연결된 차단기 등 분전반에서 실험장비까지 전체를 조사하였다.
설치 연도별(0년, 10년, 20년, 20년(절연덮개 없음), 30년, 30년(비접지)) 18개 전기콘센트의 온도 상승에 따른 절연저항을 분석하여 절연저항의 감소 변화를 확인하였다. Fig.
열적 특성을 분석하기 위하여 사용된 전기콘센트는 직장 내 기계분야 실험실에서 설치 연도별(0년, 10년, 10년(부식), 20년, 30년, 30년(비접지))로 구분하여 Fig. 7과 같이 분류하였다. 주위온도는 20℃로 설정하였고 전류 10 A, 20 A, 30 A를 인가하였다.
실태조사에서 10년, 20년, 30년의 전기콘센트는 60개, 0년은 12개로 총 72개를 수집하였다. 이를 바탕으로 전류 값에 따른 열적특성과 온도 값에 따른 절연저항 특성을 분석하였다. 본 데이터는 전기콘센트 화재사고조사 자료와 관리지침서로 활용이 가능하다.
주위온도는 20℃로 설정하였고 전류 10 A, 20 A, 30 A를 인가하였다. 인가시간은 온도의 포화시간(온도가 상승하다가 변화가 없이 지속되는 시간)으로 12분씩 측정하였으며 실험 데이터의 정확도를 높이기 위하여 전류별 3회씩 동일 조건으로 실험하여 평균데이터를 얻었다. Fig.
실험실의 위치는 모두 건축물의 1층이며 연구 분야는 기계분야로 건축물준공 이후 연구 분야가 변경되지 않은 실험실로 공통적용 했다. 전기콘센트를 사용한 주요 연구 장비의 전류와 평균 사용빈도는 실험실내 과거와 현재 연구 장비를 분석하고 사용자의 면담을 통하여 도출하였다. 조사결과 주요 사용전류는 3 A에서 13 A까지이고 평균 사용빈도는 주 8회에서 13회까지였다.
9와 같이 분류하였고, 실험 주위온도는 20℃로 설정하였다. 절연저항 측정온도는 전류 값에 따른 전기콘센트의 온도 상승을 고려하여 20℃부터 160℃까지 10℃씩 온도를 상승시켜 KS C IEC 60884-1의 절연저항 측정 기준에 따라 DC 500 V를 가하여 1분후 절연저항 값을 각각 3회씩 측정하였다. Table 4는 온도변화에 따른 설치 연도별 전기콘센트의 절연저항 측정 실험조건을 나타내고 있으며, Fig.
추가적으로 전기콘센트 화재의 주요인은 설치년도(사용시간), 사용전류, 사용빈도가 해당된다. 주요인에 해당하는 전기콘센트를 수집하기 위하여 건축물의 준공일 기준으로 10년, 20년, 30년이 경과된 전기콘센트, 기계분야 실험실에서 연구 장비의 사용전류, 사용빈도등의 실태조사를 실시하였다. 전기콘센트는 KS C 8305(배선용 꽂음 접속기), KS C IEC 60884-1(가정용및 이와 유사한 용도의 플러그 및 콘센트)에 따라 인증하고, 가정이나 직장에서 보통 사용하는 전기콘센트는16 A / AC 250 V의 정격용량을 가지고 있다.

대상 데이터

Table 1은 설치 연도별 전기콘센트를 수집하기 위하여 건축물의 준공일 기준으로 분류하였다. 0년(미사용), 10년(8년~ 12년 사용), 20년(18년~22년 사용), 30년(28년~32년 사용)으로 구분하였다. Table 2는 설치 연도별 전기콘센트의 사용 환경내역을 보여준다.
2개의 핫플레이트를 동시에 사용 시 최대 25 A의전류가 흘러 전기콘센트의 정격(16 A)을 초과할 수 있다. 다른 실험실에서는 2구 전기콘센트에 장비 2대(15.7 A, 4.5 A)가 연결되어 정격을 초과한 20.2 A를 사용했다. 그리고 연결된 차단기는 20 A로 실험실 내 전기콘센트가 모두 연결되어 있었고 차단기는 동작전류 및 시간 이하로 동작하지 않았다.
조사결과 주요 사용전류는 3 A에서 13 A까지이고 평균 사용빈도는 주 8회에서 13회까지였다. 설치 연도별전기콘센트의 수량은 60개이고 0년 12개를 합하여 72개를 수집하였다. Fig.
또한 건축물의 준공일 기준으로 10년, 20년, 30년이 경과된 전기콘센트를 수집하기 위하여, 기계분야의 비슷한 실험실에서 사용한연구 장비의 사용전류, 사용빈도 등 실태조사를 하였다. 실태조사에서 10년, 20년, 30년의 전기콘센트는 60개, 0년은 12개로 총 72개를 수집하였다. 이를 바탕으로 전류 값에 따른 열적특성과 온도 값에 따른 절연저항 특성을 분석하였다.
8은 실험과정을 보여주고 있으며, Table 3은 실험조건을 나타내고 있다. 전기콘센트의 온도변화를 확인하기 위하여 도체(Cu)를 지정하고 주 측정은 열화상카메라 FLUKE Ti25로 하였으며, 데이터 보정용으로 TESTO 872를 사용하였다. 전류의 인가는 교류전류발생장치(0~40 A)를 이용하였고 1A간격으로 조절할 수 있으며 오차는 ±0.
전류 값에 대한 열적특성은 전류 10 A, 20 A, 30 A를 인가하여 설치 연도별(0년, 10년, 10년(부식), 20년, 30년, 30년(비접지)) 54개의 전기콘센트를 실험하였으며 실험 결과는 Fig. 11과 같다. 설치 연도별 인가전류가 증가하고 설치년도가 경과 될수록 온도가 상승했다.
전류의 인가는 교류전류발생장치(0~40 A)를 이용하였고 1A간격으로 조절할 수 있으며 오차는 ±0.4 A정도이다.
조사결과 실험실 내 장비의 사용전류는 1.8 A부터 15.7 A까지 전기콘센트에 연결하여 사용했다. 관리 상태는Fig.

성능/효과

1) 설치 연도별로 전류 값에 따른 열적특성은 전류 값, 설치년도, 접속부의 부식여부에 따라 온도가 상승하였고, 도체에서 부식이 발생한 경우(10년)는 설치년도와 상관없이 높은 열적특성을 보였다. 부식을 제외하고는 설치년도가 오래 경과된 전기콘센트에서 가장 높은 열적 특성을 보였다.
2) 전기접촉부(동 재질)의 허용온도가 65℃이하인데도 불구하고 30년 된 전기콘센트는 10 A, 그 외 전기콘센트는 20 A에서 전기접속부의 온도가 이미 초과하였다. 또한 30년 접지 전기콘센트는 20 A에서 30년 비접지 전기콘센트는 30 A에서 도체(Cu)와 절연체 접속면의 사이 및 플러그 홀부분이 탄화 또는 절연이 파괴되었다.
3) 전기콘센트 절연체의 절연저항 특성은 일정온도가 상승하면 절연저항이 감소하기 시작하였고 설치년도가 경과 될수록 시작하는 온도가 0년 120℃, 10년110℃, 20년 100℃, 30년 70℃로 낮아졌다. 특히 20년된 절연체 덮개가 없는 전기콘센트 50℃에서 30년 비접지 전기콘센트는 30℃에서 절연저항이 급격히 감소하였다.
Fig. 16 a)는 0년, 10년, 20년, 30년의 전기콘센트에 대하여 절연저항을 측정한 결과이고 설치년도가 경과 될수록 절연저항이 감소하기 시작하는 온도가 낮아졌으며, 설치 연도별 절연저항이 감소하는 평균온도는 0년 120℃, 10년 110℃, 20년 100℃, 30년 70℃ 이었다. 특히, 30년 된 전기콘센트의 경우 절연저항이 감소하기 시작하는 온도가 급격히 낮아짐을 확인할 수 있었다.
3% 감소하였다. 감소한 원인을 발화요인별로 분석하면 부주의로 인한 화재는 23,429건(53.0%)으로 4.9%가 감소하였고, 전기적 요인은 9,264건(21.0%)으로 3.7%, 기계적 요인은 4,489건(10.2%)으로 0.7% 증가하였다. 2018년 3.
2℃에서 열손상이 시작되었다. 또한 부식이 있는 전기콘센트는 10 A, 20 A, 30 A 모두 1분이 경과된 시점의 온도가 부식이 없는 전기콘센트보다 높았다. Fig.
12와 같이 도체(Cu)와 절연체 접속면 사이 및 플러그 홀부분이 탄화 또는 절연이 파괴되었다. 또한 열화상카메라로 확인한 결과 접촉불량 화재 시 발생하는 증상인 접속부 한쪽에서만 온도가 상승하여 절연체가 변형되는 것을 확인하였다.
5℃에서 서서히 열손상이 시작되었다. 또한, 비접지 전기콘센트가 상승온도는 낮지만 10 A, 20 A, 30 A를 가하고 초기 30초 후에는 비접지 전기콘센트의 온도가 더 높았다. 한국전기안전공사 전기안전기술핸드북의 열화상 진단 판정기준은 전기접촉부(동 재질)의 허용온도가 65℃이상인 경우 요주의로 규정하고 있다¹¹⁾.
설치 연도별 온도에 따른 전기콘센트의 절연저항은 일정온도 이상 상승하면 절연저항은 감소하였으며 설치년도가 경과 될수록 절연저항이 변화하는 온도가 낮아졌다. 특히 20년 된 절연체 덮개가 없는 전기콘센트와 30년 전기콘센트는 낮은 온도에서도 절연저항이 변화하는 등의 특징을 보였다.
설치 연도별 전기콘센트가 160℃에 도달하였을 때 평균절연저항은 0년 119,669 MΩ, 10년 101,117 MΩ, 20년11,886 MΩ, 30년 1,599 MΩ, 20년(Uncovered) 1,122 M Ω, 30년(Ungrounded) 1,119 MΩ으로 측정되었으며, 설치 연도별 전기콘센트의 절연저항 측정값은 10℃의 온도 상승 시 절연저항은 약 절반으로 감소하였다.
설치 연도별 전류 값에 따른 전기콘센트의 열적특성은 인가하는 전류 값이 상승하면 전기콘센트의 온도도 상승하였으며, 설치년도가 오래 경과될수록 전기콘센트의 온도는 더 높았다. 특히 전기콘센트 도체 표면에 부식이 있는 경우 부식이 없는 전기콘센트 보다 온도가 높게 나타났으며 30년 접지 전기콘센트는 비접지전기 콘센트 보다 온도가 높았다.
전기콘센트를 사용한 주요 연구 장비의 전류와 평균 사용빈도는 실험실내 과거와 현재 연구 장비를 분석하고 사용자의 면담을 통하여 도출하였다. 조사결과 주요 사용전류는 3 A에서 13 A까지이고 평균 사용빈도는 주 8회에서 13회까지였다. 설치 연도별전기콘센트의 수량은 60개이고 0년 12개를 합하여 72개를 수집하였다.
3%, 전년대비 206건 증가)으로 2017년 대비 모두 증가하였다. 특히 트래킹에 의한 단락과 절연열화에 의한 단락, 과부하/과전류, 접촉 불량에 의한 단락 순으로 높았다. 또한 전기적 요인에서 발화 기기별로 분류하면 배선/배선기구가 2,668건(25.

후속연구

이를 바탕으로 전류 값에 따른 열적특성과 온도 값에 따른 절연저항 특성을 분석하였다. 본 데이터는 전기콘센트 화재사고조사 자료와 관리지침서로 활용이 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주울열이란 무엇인가?	이렇게 도체의 접속부가 느슨하게 연결되면 도체 산화물이 형성되어 도체 접촉 면적이 감소됨으로 접속부에 열이 먼저 발생하게 된다4). 이렇게 도체에 발생한 열을주울열이라 한다. 주울열의 손실 HT 는 도체에 흐르는 전류와 도체저항과의 관계로 식 (1)과 같으며 HT로 인해 발생한 열은 방열과정에서 플로그와 접속하는 절연체로 열이 전달되어 진다5).
	전기콘센트에 주울열이 발생하는 과정은 어떠한가?	전기콘센트는 절연체에 순간적 또는 지속적인 과열이 발생되어 절연체의 탄화,용융 또는 파괴되어 화재로 이어진다. 또한 전기콘센트를 오랜 시간 사용하게 되면 칼받이의 탄성이 저하되면서 플러그의 칼날 부분과의 접속이 느슨하게 된다. 이렇게 도체의 접속부가 느슨하게 연결되면 도체 산화물이 형성되어 도체 접촉 면적이 감소됨으로 접속부에 열이 먼저 발생하게 된다4). 이렇게 도체에 발생한 열을주울열이라 한다.
	전기콘센트 화재의 원인은 무엇인가?	7%)이나 차지하였다1). 이런 전기콘센트 화재는 과부하/과전류 및 절연열화, 접촉 불량 등 다양한 원인으로 발생하며, 제조 또는 설치기간 동안에 발생되는 경우는 거의 없고, 수개월 또는 수년의 시간에 의해서 과부하/과전류, 접촉불량으로 인한 열로 전기콘센트의 절연체 부분에 절연열화를 초래하게 된다2). 이런 절연체의 절연열화는 도체를 지지하거나 접속하는 부분에 구조적 문제를 발생시킨다.

참고문헌 (11)

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S. Meiley "Wire Rope: Detecting Problems Before They Become Failures", Reader's Digester, pp. 1-3, 2003.
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C. G. Park, "Hand Book for Electrical Safety Management" Korea Electrical Safety Corporation, pp. 152, 2014.

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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