[논문]저압 차단기에서의 전기화재 메커니즘에 관한 연구

김동욱; 문현욱; 이기연; 김동우; 길형준; 김향곤; 정영식

[국내논문] 저압 차단기에서의 전기화재 메커니즘에 관한 연구
A Study on the electrical mechanism at low voltage circuit breaker 원문보기

김동욱 (한국전기안전공사 전기안전연구원) , 문현욱 (한국전기안전공사 전기안전연구원) , 이기연 (한국전기안전공사 전기안전연구원) , 김동우 (한국전기안전공사 전기안전연구원) , 길형준 (한국전기안전공사 전기안전연구원) , 김향곤 (한국전기안전공사 전기안전연구원) , 정영식 (인천대학교)

2007년도 사고설비별 전기화재 발생현황을 살펴보면 전기 화재중 전기배선 및 배선기구에서 발화한 화재가 2,875건으로 전기화재 발생 중 31.5%를 점유하였다. 또한 사고전압별 전기화재 발생현황으로 220/380V에서 화재가 7,229건(79.2%)으로 전기화재의 대부분을 점유하였다. 전기화재는 단락, 과전류, 접촉불량, 트래킹 등 9가지로 분류할 수 있다. 이러한 전기로부터 재해를 막기위하여 누전차단기나 배선용차단기를 사용하여 일부의 전기화재 원인을 차단할 수 있으나 차단기 자체에서 발생하는 원인에 대하여는 보호할 전기기기가 부재하다. 본 논문에서는 저압설비의 전기재해를 미리 차단하기 위해 사용되고 있는 차단기에서의 발화 메커니즘에 관한 연구로 트래킹과 접촉불량에 따른 위험성을 분석하고 전기설비에서의 화재 발생에 대한 예방대책에 활용할 수 있도록 연구하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 저압설비의 전기재해를 미리 차단하기 위해 사용되고 있는 차단기에서의 발화 메커니즘에 관한 연구로 트래킹과 접촉불량에 따른 위험성을 분석하고 전기설비에서의 화재 발생에 대한 예방대책에 활용할 수 있도록 연구하였다.
본 연구에서는 화재 및 감전 그리고 설비사고를 위해 설치하는 차단기에서의 화재 발생 메커니즘에 관하여 실험 및 분석하였다. 특히 차단기에서는 트래킹과 접촉불량에 의해 화재가 다수 발생하고 있으며 트래킹은 부하측보다는 입력측 단자에서 외부, 내부 그리고 단자와 접지된 도체에서 발생하며 접촉불량은 단자에서 온도가 상승하여 결국에는 단자에 접속된 전선이 이탈하여 지락이나 단락으로 이어져 2차 재해를 발생 시킬 수 있는 위험요소를 분석하였다.

제안 방법

차단기 표면에서의 트래킹 진행과정과 실험 후 외형 특성, 내부 특성, 입력 전선의 형태 분석으로 차단기에서의 트래킹 원인 조사 방법을 서술하였으며 차단기의 입력 단자와 주변 금속과의 트래킹, 차단기 내부에서의 트래킹 과정도 실험과 함께 분석하여 외부와 내부 그리고 주변 금속에 대해 부분적으로 트래킹이 발생할 때의 특징을 나타냈다. 실험 방법은 그림 1과 같이 1%의 NaCl 수용액을 차단기 상부에 분당 40 방울 떨어 뜨려 초고속 카메라를 이용하여 분석하였다.
차단기 표면에서의 트래킹 진행과정과 실험 후 외형 특성, 내부 특성, 입력 전선의 형태 분석으로 차단기에서의 트래킹 원인 조사 방법을 서술하였으며 차단기의 입력 단자와 주변 금속과의 트래킹, 차단기 내부에서의 트래킹 과정도 실험과 함께 분석하여 외부와 내부 그리고 주변 금속에 대해 부분적으로 트래킹이 발생할 때의 특징을 나타냈다. 실험 방법은 그림 1과 같이 1%의 NaCl 수용액을 차단기 상부에 분당 40 방울 떨어 뜨려 초고속 카메라를 이용하여 분석하였다.
본 실험에서는 National Instrument사(PXI-1042, PXI-4472, PXI-6259, SCXI-1000, SCXI-1112, SCXI-1313)의 DAQ시스템에 의해 진동, 온도, 전압 신호를 실시간으로 측정하고 분석하였다.
본 실험에 사용된 장비는 진동, 온도, 전압 신호를 각각 8개의 채널로 동시에 받아서 분석이 가능하며, 실제 실험에서는 진동, 온도, 전압 신호를 각각 1개의 채널로만 받아서 분석하였다. 실험에 사용된 MCCB는 국내・외 제품 4개사로, 실험전원으로는 단상 220[V], 60[Hz]를 사용하였다.
실험에 사용된 MCCB는 국내・외 제품 4개사로, 실험전원으로는 단상 220[V], 60[Hz]를 사용하였다. 실험시 부하조건으로는 전열기 2대(900[W]+570[W])를 병렬로 연결하였으며, 접속결함조건으로는 배선용 차단기 2차측 중 한상의 조임토크를 토크드라이버(FDS2-S, Tohnichi, japan)를 사용하여 0kgㆍcm으로 설정하였고, 가진기의 축에 MCCB를 연결하여 5[G], 60[Hz]의 진동이 전달되도록 하였다. 접속결함에 의한 접속단자의 아크 및 열화 특성은 캠코더를 이용하여 촬영하여 분석하였다.
실험시 부하조건으로는 전열기 2대(900[W]+570[W])를 병렬로 연결하였으며, 접속결함조건으로는 배선용 차단기 2차측 중 한상의 조임토크를 토크드라이버(FDS2-S, Tohnichi, japan)를 사용하여 0kgㆍcm으로 설정하였고, 가진기의 축에 MCCB를 연결하여 5[G], 60[Hz]의 진동이 전달되도록 하였다. 접속결함에 의한 접속단자의 아크 및 열화 특성은 캠코더를 이용하여 촬영하여 분석하였다.
본 연구에서는 화재 및 감전 그리고 설비사고를 위해 설치하는 차단기에서의 화재 발생 메커니즘에 관하여 실험 및 분석하였다. 특히 차단기에서는 트래킹과 접촉불량에 의해 화재가 다수 발생하고 있으며 트래킹은 부하측보다는 입력측 단자에서 외부, 내부 그리고 단자와 접지된 도체에서 발생하며 접촉불량은 단자에서 온도가 상승하여 결국에는 단자에 접속된 전선이 이탈하여 지락이나 단락으로 이어져 2차 재해를 발생 시킬 수 있는 위험요소를 분석하였다. 이러한 결과는 차단기에서의 전기화재 예방을 수립하는데 기여할 수 있는 것으로 사료된다.

대상 데이터

1%의 점유율을 보였다. 또한 전기화재중 전기배선 및 배선기구에서 발화한 화재가 2,875건으로 31.55를 점유하였으며 사고전압별로 분석한 전기화재는 220/380V에서의 화재가 7,229건(79.2%)으로 전기화재의 대부분을 점유하였다. 220/380V에서 전기화재가 많은 이유는 대부분의 가전기기 및 동력기기에서 사용하는 전압이 220V나 380V이기 때문으로 분석된다.
본 실험에 사용된 장비는 진동, 온도, 전압 신호를 각각 8개의 채널로 동시에 받아서 분석이 가능하며, 실제 실험에서는 진동, 온도, 전압 신호를 각각 1개의 채널로만 받아서 분석하였다. 실험에 사용된 MCCB는 국내・외 제품 4개사로, 실험전원으로는 단상 220[V], 60[Hz]를 사용하였다. 실험시 부하조건으로는 전열기 2대(900[W]+570[W])를 병렬로 연결하였으며, 접속결함조건으로는 배선용 차단기 2차측 중 한상의 조임토크를 토크드라이버(FDS2-S, Tohnichi, japan)를 사용하여 0kgㆍcm으로 설정하였고, 가진기의 축에 MCCB를 연결하여 5[G], 60[Hz]의 진동이 전달되도록 하였다.
그림 8은 DAQ시스템에 의해서 측정된 데이터 중 일부를 나타낸 그림이다. 실험에 사용된 MCCB는 국내 A사의 제품으로 접속단자와 전선 간의 진동의 크기는 5[G], 60[Hz]의 크기로 10분간 인가하였으며, 이때 측정된 전압과 온도파형을 나타냈다. 전압파형은 진동초기에 불규칙한 파형과 피크가 측정되었으나, 시간이 경과함에 따라 접촉전압이 점차 증가하였고 구형파의 형태를 갖추었으며, 이에 일부 피크파형이 포함되었다.

성능/효과

이와 같이 차단기에서의 트래킹은 주로 부하측보다는 입력측 단자에서 주로 발생하며 차단기를 고정하는 나사가 중간 매개체 역할을 할 수있으며 차단기 내부에서는 입력측 단자보다는 흡습에 따라 전류를 차단 하는 접점 사이에서 트래킹이 발생하였다. 또한 분전반이 도체인 경우 단자와 접지된 도체사이에서 트래킹이 발생할 수 있다는 사실을 실험으로 증명하였다.

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