[논문]DC 전원설비 접속부에서의 접촉불량에 의한 발열특성 분석

김향곤; 문현욱; 이기연; 김동우; 최효상

DC 전원설비 접속부에서의 접촉불량에 의한 발열특성 분석
Analysis of Thermal Characteristics by Poor Contacts at the Connection Parts of DC Power Appliances 원문보기

김향곤 (한국전기안전공사 전기안전연구원) , 문현욱 (한국전기안전공사 전기안전연구원) , 이기연 (한국전기안전공사 전기안전연구원) , 김동우 (한국전기안전공사 전기안전연구원) , 최효상 (조선대학교)

본 논문에서는 DC전원설비 접속부에서의 접촉불량에 의한 발열 특성에 대하여 실험, 분석하였으며 사용된 DC 전원설비는 상용 교류전원을 직류전원으로 변환하는 AC/DC 컨버터의 출력전원을 이용하는 LED 가로등 조명설비의 전원 접속부을 대상으로 하였다. 외부의 기계적 진동에 의해 동전선 접속부에 아크와 열이 발생하며 이때 발생한 발열 온도와 열 분포를 측정하였으며 적열부가 형성된 후 25분이 경과하였을 때 최고 $842.68^{\circ}C$까지 온도가 상승하였으며 접속부의 접촉전압은 1.5~1.6V, 통전전류는 6.6~6.9A로 약간의 변화만 나타남을 볼 수 있었다. 또한 DC전원에서 동전선 접속부에서의 산화물 생성과 증식 거동에 대하여 분석하였으며 AC전원에서와 유사하게 산화물이 형성되어 성장함을 볼 수 있었다. 이러한 실험과 분석 결과는 향후, DC 전원설비에서의 전기화재 예방을 위한 자료로 활용 가능할 것으로 기대된다.

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문제 정의

본 연구에서는 DC전원을 이용한 다양한 전기기기나 전기제품들이 개발, 보급에 맞춰 이러한 직류전원을 이용한 전기설비에서의 전기재해 위험성의 규명과 이를 예방하기 위한 대책을 수립의 일환으로 DC 전원설비 접속부에서의 접촉불량에 의한 발열 특성에 대하여 실험, 분석하였다. 실험에 사용된 DC전원설비는 교류 상용전원을 직류전원으로 변환하는 컨버터와 이에 접속되는 옥외용 LED 가로등설비를 대상으로 하였으며 컨버터와 가로등 전원선 사이의 전기적 접속부에 기계적 진동을 인가하여 접촉불량을 유발하였다.

제안 방법

등기구로 인입되는 1선의 전선을 그림 2와 같은 실험장치를 구성하여 DC전원설비 접속부에서의 접촉불량에 의한 발열특성을 실험, 분석하였다.
또한, 적외선열화상 진단장비(TVS-8500, AVIO, Japan)를 이용하여 열 분포를 측정 분석하였으며 시간의 경과에 따른 접촉불량부에서의 산화물의 성장 길이와 성장 특성을 버니어켈리퍼스를 이용하여 측정, 분석하였다.
실험에 사용된 전선은 0.8mm와 1.0mm의 동전선으로 그림 3과 같이 두 전선을 상호 직렬로 접촉하여 외부에서 접촉부에 기계적 진동을 인가하는 방식으로 실험을 수행하였다.
실험을 통하여 접촉불량에 의한 동전선의 접속부에서 적열부 형성으로부터 시간의 경과에 따른 접촉불량부의 접촉전압과 통전전류의 변화를 전압․전류측정기(337, Fluke, Thailand)를 이용하여 측정하였으며 AC 전원입력부의 전류변화는 누설전류계(3263, Hioki, Japan)를 이용하여 측정하였다.
외부의 기계적 진동은 Sweep Function Generator(8205A, Korea))와 Power Amplifier(EA42, Eliezer, Korea)를 이용하여 진동주파수와 진동의 크기를 조절하였으며 가진기(Excitor)에 인가하여 동전선의 접속부에서 스파크가 발생할 수 있도록 하였다.
이때의 전기적 접속부에서의 발열온도와 온도분포, 접속부를 중심으로 한 전기적 특성 변화, 접속부에서의 산화물의 형성과 성장 특성 등에 대하여 실험, 분석하였다.
표 1과 같은 AC/DC 컨버터를 이용하여 120W의 LED 가로등기구에 전원을 인가하였으며 그 중간에 터미널블록을 이용하여 컨버터의 출력측과 등기구의 입력측 전선을 접속하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 DC전원을 이용한 다양한 전기기기나 전기제품들이 개발, 보급에 맞춰 이러한 직류전원을 이용한 전기설비에서의 전기재해 위험성의 규명과 이를 예방하기 위한 대책을 수립의 일환으로 DC 전원설비 접속부에서의 접촉불량에 의한 발열 특성에 대하여 실험, 분석하였다. 실험에 사용된 DC전원설비는 교류 상용전원을 직류전원으로 변환하는 컨버터와 이에 접속되는 옥외용 LED 가로등설비를 대상으로 하였으며 컨버터와 가로등 전원선 사이의 전기적 접속부에 기계적 진동을 인가하여 접촉불량을 유발하였다. 이때의 전기적 접속부에서의 발열온도와 온도분포, 접속부를 중심으로 한 전기적 특성 변화, 접속부에서의 산화물의 형성과 성장 특성 등에 대하여 실험, 분석하였다.
실험에 사용된 직류전원(DC Power Source)은 120W의 LED 가로등에 전원을 인가하기 위해 사용되는 AC/DC 컨버터(PU-2463, MW, Taiwan)로 제원과 외형은 표 1과 같다.

성능/효과

1. DC 전원에서도 전기적 접속부에서의 기계적 진동에 의한 아크에 의해 산화물이 생성되고, 증식됨을 확인할 수 있었다.
3. 부하와 직렬로 접속된 상태로 이상발열이 발생함에 따라 기존의 회로보호용 차단기(MCCB 등)로는 보호할 수 없음을 확인할 수 있었으며 산화물이 성장함에 따라 AC측과 DC측의 전류가 약간 상승됨을 알 수 있었다.
또한 시간의 경과에 따라 AC/DC 컨버터 1차측의 전류도 점차 증가하여 793mA～804mA까지 계측됨을 볼 수 있었다.
또한, AC/DC 컨버터의 2차측 DC 전압은 24.0～24.1V이며 이중 동전선의 접속부 양단의 초기 접촉전압과 통전전류은 1.3V와 6.2A였으며 시간 경과에 따라 접촉전압은 1.5～1.6V, 통전전류는 6.6～6.9A로 계측되어 초기보다 약간 증가함을 알 수 있었다.

후속연구

이때의 전기적 접속부에서의 발열온도와 온도분포, 접속부를 중심으로 한 전기적 특성 변화, 접속부에서의 산화물의 형성과 성장 특성 등에 대하여 실험, 분석하였다. 연구결과는 DC전원설비의 전기안전성 확보를 위한 자료로 활용 가능할 것으로 기대된다.
위와 같이 단자 접속부나 전선 접속부 등 직렬로 접속되는 부분에서의 이상발열에 의한 화재 등 전기재해의 예방을 위한 지속적인 연구와 기술개발 등 대책 개발이 요구된다.

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