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문제 정의
- 본 논문에서는 터미널 블록 상단에 온도센서 보드를 설치하여 터미널 블록 단자에 발열된 열을 터미널 블록 상측 부의 온도 센서 보드를 통해서 방사 온도를 측정하여 온도의 변화를 감지하는 방법을 제안하고, 이상조임 풀림과 부하전류를 변수로 하여 정상조임 토크와 이상조임 풀림에 따른 열적 특성을 측정하였다. 도출된 결과를 바탕으로 터미널 블록 전선접속부의 부하전류와 조임 토크에 따른 탄화 위험성 수위를 분석하고자 한다.
제안 방법
- 먼저, 실험 시료 측면에서의 차이점으로 산업현장 분전반에서 사용을 하고 있는 30 A~80 A의 터미널 블록을 사용한다. 둘째, 실험 조건 측면에 있어 정상 토크 조임과 같은 규격을 정의한 후 볼트 풀림 각도 조건을 세분화하고 대전류 발생 시험기를 사용하여 탄화 사고와 유사한 조건으로 실험을 진행한다. 셋째, 터미널 블록의 온도 측정 방법과 관련하여, 기존 연구들과 달리 RTD 센서 보드를 제작 및 설치하여 직접적인 온도 변화를 전용 모니터링 시스템을 통해 실시간 측정함으로써 화재 위험성에 대한 분석을 넘어 화재 발생의 가장 큰 원인인 탄화 사고 예방을 위한 적용 방안으로써의 가능성도 검증하였다.
- 본 논문에서는 터미널 블록 상단에 온도센서 보드를 설치하여 터미널 블록 단자에 발열된 열을 터미널 블록 상측 부의 온도 센서 보드를 통해서 방사 온도를 측정하여 온도의 변화를 감지하는 방법을 제안하고, 이상조임 풀림과 부하전류를 변수로 하여 정상조임 토크와 이상조임 풀림에 따른 열적 특성을 측정하였다. 도출된 결과를 바탕으로 터미널 블록 전선접속부의 부하전류와 조임 토크에 따른 탄화 위험성 수위를 분석하고자 한다.
- 본 연구에서 터미널 블록의 이상 볼트 조임 발열 특성을 분석하는 실험을 위해서 터미널 블록을 선정하여 볼트 풀림 각도 (0°, 45°, 90°, 180°) 마다 부하전류를 다르게 입력하여 실험하였다.
- 은 차단기 접속부의 직렬 아크와 부하전류의 온도 특성을 분석하는 연구를 통해 접촉 불량 시 아크 온도를 측정하여 접속부 간극이 발생한 두 도체를 전기적 추가 연결로 해결하는 방안을 제안하였다. 본 연구와 비교하여 부하전류의 접속부 온도를 측정한다는 점에서 유사하지만, 본 연구는 토크 조임과 같은 규격을 정의하고 볼트 풀림 각도 별 실험을 진행하였다. 또한 실험 시 온도 측정 방법에 있어서도 열화상 카메라가 아닌 터미널 블록의 RTD 센서 보드를 통해 온도 변화를 직접 측정하는 새로운 기법을 적용하여 열적 분석을 수행한다는 점에서 차이가 있다.
- 상세 실험 조건은 Table 5와 같으며, R상 볼트의 이상 풀림 각도를 0°, 45°, 90°, 180° 4단계로 설정하고 24 A, 30 A, 36 A 전류를 인가하여 4시간마다 온도 변화를 측정하였다.
- 상세 실험 조건은 Table 6과 같으며, R상 볼트의 이상 풀림 각도를 0°, 45°, 90°, 180° 4단계로 설정하고 40 A, 50 A, 60 A 전류를 인가하여 4시간마다 온도 변화를 측정하였다.
- 상세 실험 조건은 Table 7과 같으며 R상 볼트의 이상 풀림 각도를 0°, 45°, 90°, 180° 4단계로 설정하고 60 A, 75 A, 90 A 전류를 인가하여 4시간마다 온도 변화를 측정하였다.
- 둘째, 실험 조건 측면에 있어 정상 토크 조임과 같은 규격을 정의한 후 볼트 풀림 각도 조건을 세분화하고 대전류 발생 시험기를 사용하여 탄화 사고와 유사한 조건으로 실험을 진행한다. 셋째, 터미널 블록의 온도 측정 방법과 관련하여, 기존 연구들과 달리 RTD 센서 보드를 제작 및 설치하여 직접적인 온도 변화를 전용 모니터링 시스템을 통해 실시간 측정함으로써 화재 위험성에 대한 분석을 넘어 화재 발생의 가장 큰 원인인 탄화 사고 예방을 위한 적용 방안으로써의 가능성도 검증하였다.
- 실험은 BN30W, BN50W, BN75W 터미널 블록 각각에 대하여 R상 볼트의 이상 풀림 각도를 0°, 45°, 90°, 180° 4단계로 설정하여 4시간마다 총 12회 온도 변화를 측정하였다.
- 온도센서 보드를 이용하여 터미널 블록 조임 토크의 풀림각도와 부하전류에 따른 열적 특성을 측정한 결과 다음과 같은 시사점을 도출하였다.
- 이를 위해 터미널 블록은 Table 2와 같이 반도체 라인 내 전원공급 분전반에서 사용하는 IDEC(9) 터미널 블록 BN30W, BN50W, BN75W을 사용하였다. 즉, 터미널 블록 내 토크 드라이버로 정상 토크 작업을 한 후 볼트 풀림 각도를 설정하고 대전류 발생 시험기를 통해 부하 전류를 다르게 발생시킴으로써 토크에 발생하는 온도 변화를 측정하였다. 실험의 안전을 위해서 배선용 차단기의 용량 및 부하전류를 고려하여 KSC 터미널 블록 제조사 (IDEC) 60502-1 VDE 전선을 사용하였다.
- 터미널 블록의 전선접속부의 접촉 불량에 의한 열적 특성을 실험 확인하기 위해 Figure 2와 같이 대전류 발생 시험기(모델명DY-303-3)를 사용하였다. 터미널 블록 전선 접속부에 발열된 복사열을 상측 온도센서 보드에서 Resistance temperature detector (RTD, 모델명 : NCP18XH103J)을 사용하여 온도를 측정하였고 Table 4와 같이 컨트롤부로 취합 된 온도 데이터는 외부 단자(RS-485 통신)를 통해서 상단부로 전송하여 모니터링하였다.
대상 데이터
- IDEC에서 규정하는 Tightening torque 규격에 따라서 터미널 블록 접속부의 나사를 정상 조임 토크의 기준으로 조이기 위해서 Table 3과 같이 TOHNICHI 225QL3 모델 토크 드라이버를 사용하였다. 터미널 블록의 전선접속부의 접촉 불량에 의한 열적 특성을 실험 확인하기 위해 Figure 2와 같이 대전류 발생 시험기(모델명DY-303-3)를 사용하였다.
- 즉, 터미널 블록 내 토크 드라이버로 정상 토크 작업을 한 후 볼트 풀림 각도를 설정하고 대전류 발생 시험기를 통해 부하 전류를 다르게 발생시킴으로써 토크에 발생하는 온도 변화를 측정하였다. 실험의 안전을 위해서 배선용 차단기의 용량 및 부하전류를 고려하여 KSC 터미널 블록 제조사 (IDEC) 60502-1 VDE 전선을 사용하였다.
- 본 연구에서 터미널 블록의 이상 볼트 조임 발열 특성을 분석하는 실험을 위해서 터미널 블록을 선정하여 볼트 풀림 각도 (0°, 45°, 90°, 180°) 마다 부하전류를 다르게 입력하여 실험하였다. 이를 위해 터미널 블록은 Table 2와 같이 반도체 라인 내 전원공급 분전반에서 사용하는 IDEC(9) 터미널 블록 BN30W, BN50W, BN75W을 사용하였다. 즉, 터미널 블록 내 토크 드라이버로 정상 토크 작업을 한 후 볼트 풀림 각도를 설정하고 대전류 발생 시험기를 통해 부하 전류를 다르게 발생시킴으로써 토크에 발생하는 온도 변화를 측정하였다.
이론/모형
- IDEC에서 규정하는 Tightening torque 규격에 따라서 터미널 블록 접속부의 나사를 정상 조임 토크의 기준으로 조이기 위해서 Table 3과 같이 TOHNICHI 225QL3 모델 토크 드라이버를 사용하였다. 터미널 블록의 전선접속부의 접촉 불량에 의한 열적 특성을 실험 확인하기 위해 Figure 2와 같이 대전류 발생 시험기(모델명DY-303-3)를 사용하였다. 터미널 블록 전선 접속부에 발열된 복사열을 상측 온도센서 보드에서 Resistance temperature detector (RTD, 모델명 : NCP18XH103J)을 사용하여 온도를 측정하였고 Table 4와 같이 컨트롤부로 취합 된 온도 데이터는 외부 단자(RS-485 통신)를 통해서 상단부로 전송하여 모니터링하였다.
성능/효과
- 그러나 이상조임 각도가 90°에서부터는 24 A (ΔT 2 ℃), 30 A (ΔT 4 ℃), 36 A (ΔT 14 ℃)로 온도 변화 확인이 가능하여 접속부의 정상조임 토크 기준보다 이상조임 각도가 커질수록 발열 특성이 커지는 것을 확인할 수 있었다.
- 그리고 이상 풀림 각도 45°에서는 60 A (ΔT 9 ℃), 75 A(ΔT 11 ℃), 90 A (ΔT 17 ℃) 전류마다 온도변화가 크게 나타나고 있어 접속부의 정상조임 토크 기준보다 이상조임 각도가 커질수록 발열 특성이 가장 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- 둘째, Figure 11과 같이 정격전류가 작은 BN30W 모델은 이상 풀림 각도가 90°에서 24 A (ΔT 2 ℃), 30 A (ΔT 4 ℃), 36 A (ΔT 14 ℃) 로서 접속부 발열되는 온도 차이가 작게 나타나지만, Figure 12와 같이 정격전류가 큰 BN75W 모델은 이상 풀림 각도가 45°에서 60 A (ΔT 9 ℃), 75 A (ΔT 11 ℃), 90 A (ΔT 17 ℃) 열적 변화가 크게 나타나고 있다.
- 이는 터미널 블록의 탄화 위험 임계온도 설정을 터미널 블록의 모델과 부하전류에 따라 다르게 설정할 필요가 있음을 시사한다. 종합적으로 볼 때, 정격전류가 높을수록, 이상 풀림이 커질수록 탄화점에 더 빨리 가까워진다 할 수 있다.
- 첫째, Table 8, 9, 10에서와 같이 부하전류 변화, 이상 풀림 각도에 따라서 열적 변화가 있음을 확인하였으며 정상 조임 토크에서 BN30W 24 A (37 ℃), BN50W 40 A (29 ℃), BN75W 60 A (28 ℃) 로서 정격적류가 작은 BN30W 모델의 발열 온도가 크게 나타남을 확인하였다. 이는 최초 설비 구축 시 부하전류에 따른 터미널 블록의 용량 선정이 중요하다는 것을 확인할 수 있는 실험 결과이다.
- BN75W 터미널 블록에 90 A 전류를 4시간 동안 인가하여 측정한 결과 Figure 9(c)와 같이 터미널 블록 볼트 0°풀림에서 34 ℃, 45°풀림에서 51 ℃, 90°풀림에서 52 ℃, 180°풀림에서 58 ℃로 온도가 상승하였다. 터미널 블록 BN75W는 정상조임 토크에서는 4시간 실험 결과 Table 10과같이 60 A (28 ℃), 75 A (30 ℃), 90 A (34 ℃)의 발열을 확인하였고, 실험한 터미널 블록 중 발열 온도가 가장 낮았다.
- 하지만 이상 풀림 각도 90°에서부터는 40 A (ΔT 3 ℃), 50 A (ΔT 9 ℃), 60 A (ΔT 5 ℃)로 온도 변화 확인이 가능하여 접속부의 정상조임 토크 기준보다 이상조임 각도가 커질수록 발열 특성이 커지는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 결론적으로, 실시간 온도 모니터링 시스템을 통해서 실시간 발열 온도 측정 분석하면 터미널 블록의 작업 불량과 노후화에 따른 환경요인을 감지하고 안전사고 사전 예방을 위한 단계별 위험수위 표준 설정으로 작업자의 일상점검의 부하를 줄이고 접촉 불량으로 인한 안전사고 예방에 도움이 되리라고 기대된다.
- 본 연구는 온도센서 보드를 통하여 분전반 내 터미널 블록의 온도 모니터링과 열적 분석을 측정할 수 있음을 확인하였으며, 이를 통한 측정 결과는 탄화로 인한 화재 위험과 관련된 응용 연구의 이론적 기초를 제공할 수 있고 터미널 블록 작업의 불량 확인 및 설비 노화에 따른 안전사고 예방 등 접촉 불량으로 인한 화재 예방에 크게 기여할 것으로 사료된다.
- 3 ℃, 터미널 블록(20 A)의 최대 ΔT는 13 ℃, 터미널 블록(30 A)의 최대 ΔT는 19 ℃로 크게 발생하여 터미널 블록 전선 접속부의 조임 토크에 따른 화재발생 가능성을 분석함으로써 화재 예방을 위하여 조임 토크 관리의 중요성을 강조하였다. 본 연구와 매우 유사한 접근 방법을 취하고 있으나, 본 실험은 실제 산업 현장의 설비 분전반과 유사한 높은 전류인 30 A~80 A 용량의 실험을 통해 보다 실무적 측면의 화재 위험성 분석 실험을 수행함으로써, 측정된 온도 변화 실험의 결과 자체는 유사 화재 관련 응용 연구의 이론적 기초를 제공할 수 있다. 또한 본 연구에서는 터미널 블록에 Resistance temperature detector (RTD) 센서 보드를 시제품으로 제작하여 설치하고, 온도를 모니터링하는 방법을 사용하였다는 측면에서 차이가 있다.
- 향후에는 온도센서 보드에서 측정된 방사 온도를 통해서 접속부 온도를 예측함으로써 화재 예방을 위한 사전 예보 시스템을 개발하는 한편, 부하전류도 함께 측정하여 복합적인 원인 하에서의 온도 측정 및 발열 온도 측정에 대한 연구도 추가로 진행할 예정이다.
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