[논문]환풍기용 전동기 권선의 층간단락에 의한 화재위험성 분석

김혁수; 김형래; 최충석; 정재희

[국내논문] 환풍기용 전동기 권선의 층간단락에 의한 화재위험성 분석
The Analysis of the Fire Hazard According to Layer Short-Circuit of Motor Winding for the Fan 원문보기

김혁수 (전기안전시험연구원) , 김형래 (전기안전시험연구원) , 최충석 (전기안전시험연구원) , 정재희 (서울산업대학교 안전공학과)

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 전압변동, 통풍유무, 회전날개를 강제로 구속시 나타나는 온도 및 전류를 측정하여 특성을 분석하고, 열화에 의해 환풍기 내부 전동기코일에서 층간단락이 발생하였을 때 금속현미경, 주사전자현미경(SEM), 에너지 분산분석 기(EDX)를 이용하여 조직의 표면구조, 배열상태 및 조성상태를 분석하여 전기화재 원인을 밝히고자 한다.

제안 방법

그림 1과 같이 환풍기 전동기 과열 실험시 온도 측정은 열전대(Cromel- Alumel, 그림 L 환풍기 실험을 위한 회로도K-type)를 환풍기 전동기 표면과 내부에 고정시킨 후 기록계(Analyzing recorder, Yokogawa, Japan)를 사용하여 측정하였으며, 전류는 누설전류계(Clamp on leak hi tester, Hioki, Japan)를 연결하여 측정하였다.
환풍기 전동기 내부의 층간단락에 의해 형성된 용융흔의 표면상태는 실체현미경(Stereomicroscope, SV-11, Carlzeiss, Germany)을 이용하였으며, 절단면의 조직변화를 분석하기 위해서 금속현미경(Metallurgical microscope, Nikon, Japan)을 사용하였다. 또한, 단면구조 및 조성변화는 주사전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope, JEOL JSM-6400, Japan)과 에너지 분산분석기 (EDX: Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy, Oxford, England)를 이용하여 해석하였다.
금속현미경을 이용한 단면 구조분석은 절단기(Cutting machine, Struers, Denmark)를 이용하여 절단하였으며, 절단된 전선은 성형기(Mounting press, Struers, Denmark)로 성형시킨 후 연마기(Polisher machine, Struers, Denmark)를 이용하여 연마하였다.
정격전압 220V, 40W 환풍기에 과전압(242~308V)을 인가시켜 환풍기에 어떠한 변화가 일어나는지 실험하였다. 과전압 인가시 정격보다 회전수가 빨라지고 전류와 온도가 상승하였으나 환풍기 전동기 절연등급인 E종(120℃, KSC 4002) 온도 이상으로 상승하지 않았으며 전압상승 변화에 따른 전류 및 온도 수치는 아래 그림과 같다.
그림 3은 환풍기 전동기의 극한 상황을 실험하기 위하여 전압(220V)을 일정하게 유지하고 환풍기 회전날개를 강제로 정지시킨 상태에서 전류 및 온도상승을 측정하였다. 권선의 온도가 상승함에 따라 전류는 감소하나 시간이 경과하면 전류의 변화가 없어지고 일정하게 유지되었다.
일반 가정 및 산업용으로 많이 사용되고 있는 환풍기의 화재위험성에 대하여 전압상승 및 환풍기 전동기 강제 정지시에 따른 영향을 알아보고, 환풍기 전동기의 층간단락에 의해 생성된 용융흔을 금속현미경, SEM과 EDX를 통하여 분석한 결과 다음과 같은 결과를 얻게 되었다.

이론/모형

환풍기 전동기 내부의 층간단락에 의해 형성된 용융흔의 표면상태는 실체현미경(Stereomicroscope, SV-11, Carlzeiss, Germany)을 이용하였으며, 절단면의 조직변화를 분석하기 위해서 금속현미경(Metallurgical microscope, Nikon, Japan)을 사용하였다. 또한, 단면구조 및 조성변화는 주사전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope, JEOL JSM-6400, Japan)과 에너지 분산분석기 (EDX: Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy, Oxford, England)를 이용하여 해석하였다.

성능/효과

환풍기 전동기 에 회전날개를 강제로 정지 시킨 후 정격전압에 1.1 ~ 1.4배 인가시 온도와 전류가 급격히 상승하여 40W용 환풍기는 1.3배인 284V인가시 온도가 약 185℃까지 상승하였으며 전류도 216mA까지 상승하였고, 1.4배인 308V인가시 284V인가보다 온도와 전류가 적게 상승하였으나 내부에서 층간단락이 발생하여 화재로 진행되었으나, 차단기(누전차단기 및 배선용 차단기)는 동작하지 않았다.
1) 정속운전시 1.4(최대 308V)배의 과전압이 인가된 환풍기 전동기는 정격전압 인가시보다 회전수가 빨라지고 전류와 온도도 상승하였으나 E종 온도 상승치에는 이르지 않았다.
2) 환풍기 전동기 회전날개를 강제로 정지시킨 상태에서 정격전압(220V) 및 과전압을 인가하면 전동기 내부온도가 E종온도 이상으로 상승하여 층간단락과 화재가 발생하였으나, 누전차단기 및 배선용차단기는 동작하지 않았다.
3) 실험과 화재 현장에서 수거한 환풍기 전동기 용융흔의 금속조직에서 여러 개의 작은 홀(void)과 주상조직이 나타나는 등 매우 유사한 조직이 나타나 구분할 수 없으나, 외부 화염에 의해 용융된 금속조직과는 상이하여 전기화재 유무를 판별할 수 있다.
4) 전자현미경에 의한 단면 관찰에서 특이한 차이점이 나타나지 않아 실험 및 화재 현장에서 수거한 환풍기 전동기가 같은 원인, 즉 내부 과열에 의해 층간 단락이 발생하면서 환풍기 전동기에서 화재가 발생된 것임을 유추할 수 있다.

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