본 논문에서 옥외용 LED 조명의 전기화재 및 감전 위험성 평가에 대하여 연구하였다. 옥외용 LED 조명관련 법 규정에 대하여 검토하였으며, LED 조명의 외형과 구조에 대하여 분석하였다. 또한, LED 조명에 대한 주수실험, DC전로의 선간 단락, 손상된 피복의 선간 절연파괴, 과전압 유입, 건전상 및 수중에서의 DC 전로의 누전 실험을 수행하였다. 실험 결과로부터, LED 조명에서의 이상 조건에 의한 전기화재나 감전사고의 위험성이 있음을 확인할 수 있었으며, 전기안전을 위한 보호장치와 절연형 컨버터의 사용이 요구된다. 본 연구결과는 LED 조명의 전기안전 확보를 위한 제 규정의 개선과 전기사고의 조사에 도움이 될 것으로 기대된다.
본 논문에서 옥외용 LED 조명의 전기화재 및 감전 위험성 평가에 대하여 연구하였다. 옥외용 LED 조명관련 법 규정에 대하여 검토하였으며, LED 조명의 외형과 구조에 대하여 분석하였다. 또한, LED 조명에 대한 주수실험, DC 전로의 선간 단락, 손상된 피복의 선간 절연파괴, 과전압 유입, 건전상 및 수중에서의 DC 전로의 누전 실험을 수행하였다. 실험 결과로부터, LED 조명에서의 이상 조건에 의한 전기화재나 감전사고의 위험성이 있음을 확인할 수 있었으며, 전기안전을 위한 보호장치와 절연형 컨버터의 사용이 요구된다. 본 연구결과는 LED 조명의 전기안전 확보를 위한 제 규정의 개선과 전기사고의 조사에 도움이 될 것으로 기대된다.
In this paper, we studied risk assessments of electrical fire and shock of LED lightings for outdoor. We examined national regulations about the LED lighting for outdoor and analyzed the appearances and compositions of LED lightings. And, We experimented about water proof, line to line fault, line t...
In this paper, we studied risk assessments of electrical fire and shock of LED lightings for outdoor. We examined national regulations about the LED lighting for outdoor and analyzed the appearances and compositions of LED lightings. And, We experimented about water proof, line to line fault, line to line breakdowm, overvoltage, line to line leakage in overhead line or water of LED lighting. From experimental results, we know that there are risks of electrical fire and shock by abnormal conditions at the LED lighting. Therefore, the uses of protective devices and insulated type of converter are required for the electrical safety. We expect that the results of this study would be helpful for the improvement of regulations and standards for electrical safety and for the investigations of electrical accidents of LED lightings.
In this paper, we studied risk assessments of electrical fire and shock of LED lightings for outdoor. We examined national regulations about the LED lighting for outdoor and analyzed the appearances and compositions of LED lightings. And, We experimented about water proof, line to line fault, line to line breakdowm, overvoltage, line to line leakage in overhead line or water of LED lighting. From experimental results, we know that there are risks of electrical fire and shock by abnormal conditions at the LED lighting. Therefore, the uses of protective devices and insulated type of converter are required for the electrical safety. We expect that the results of this study would be helpful for the improvement of regulations and standards for electrical safety and for the investigations of electrical accidents of LED lightings.
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제안 방법
1) 주수 영향에 대한 위험성 실험결과, LED 가로등 및 보안등에 대한 주수 영향 실험을 수행하였으며, 좌우 60°의 경사로 30분간 주수를 실시하였다.
개정된 내용은 “가로등, 보안등에 LED 등기구를 사용하는 경우에는 KS C 7658(2009) “LED 가로등 및 보안등기구의 안전 및 성능요구사항”에 적합한 것을 시설할 것”을 명기하였다.
Figure 15는 전선의 외형과 내부구조를 나타낸 것이다. 내부구조는 X선 투과분석장치(VMX-160, X-Tek System, England)를 이용하여 내부의 구조를 분석하였다. 전선 복이 심하게 용융, 탄화되었으며, 전선도체의 끝부분에는 둥근 용융망울이 여러 곳에 생성됨을 볼 수 있다.
LED 가로등 및 보안등의 경우 DC 전로가 물에 잠길 수 있으며 피복이 손상된 경우에는 이를 통하여 누설전류가 흐르게 된다. 손상된 DC 전로의 일부 또는 전부가 수중에서 노출되었을 때 감전위험성에 대하여 실험하였다. Figure 23은 실험회로 및 실험모습을 나타낸 것이다.
실험은 AC 220 V 60 Hz의 전원을 입력받아 인체감전보호용 누전차단기(AC 220 V, 20 A)를 거쳐 컨버터에서 교류를 직류로 변환한 후 LED 등기구에 전원을 입력하도록 구성되어 있다. 수중에서의 DC 전로의 누전 실험은 수중에서 DC배선이 손상되어 +극 또는 -극, +극과 -극이 동시에 노출되었을 때, 접지극(접지판)을 통해 누설되는 전류 및 LED 등기구의 동작 특성 등에 대하여 실험, 분석하였으며, 접지극을 통한 누설전류는 누설전류계(CM-01, Prova, Taiwan)를 이용하여 측정하였다.
Figure 5는 LED 가로등(130 W) 등기구의 주수에 의한 수분 유입 실험장면을 나타낸 것이다. 실험에서는 30분 동안 좌우 60도의 간격으로 주수하였으며, 주수 실험 후 내부로의 수분 유입 등을 분해 등을 통해 확인하였다.
Figure 23은 실험회로 및 실험모습을 나타낸 것이다. 실험은 AC 220 V 60 Hz의 전원을 입력받아 인체감전보호용 누전차단기(AC 220 V, 20 A)를 거쳐 컨버터에서 교류를 직류로 변환한 후 LED 등기구에 전원을 입력하도록 구성되어 있다. 수중에서의 DC 전로의 누전 실험은 수중에서 DC배선이 손상되어 +극 또는 -극, +극과 -극이 동시에 노출되었을 때, 접지극(접지판)을 통해 누설되는 전류 및 LED 등기구의 동작 특성 등에 대하여 실험, 분석하였으며, 접지극을 통한 누설전류는 누설전류계(CM-01, Prova, Taiwan)를 이용하여 측정하였다.
실험에 사용된 오손액은 NaCl 수용액(3 %)으로 정상적으로 회로를 결선한 후 손상된 배선에 오손액을 적하하였다. 적하하는 동안의 전기적 특성과 발열 특성에 대하여 오실로스코프(TDS 3052, Tektronix, USA)와 실시간 영상 열분포 측정시스템(TI45-FT, Fluke, USA)을 이용하여 측정, 분석하였다.
대상 데이터
Figure 11은 LED 가로등의 컨버터 2차측 전로의 절연파괴에 의한 화재위험성에 대한 실험장치의 구성과 손상된 피복의 외형을 나타낸 것이다. 실험에 사용된 오손액은 NaCl 수용액(3 %)으로 정상적으로 회로를 결선한 후 손상된 배선에 오손액을 적하하였다. 적하하는 동안의 전기적 특성과 발열 특성에 대하여 오실로스코프(TDS 3052, Tektronix, USA)와 실시간 영상 열분포 측정시스템(TI45-FT, Fluke, USA)을 이용하여 측정, 분석하였다.
성능/효과
LED 등기구는 정상적으로 점등되었다. Figure 20(b)은 -극이 대지로 누전(지락)되었을 때로, 대지로 누전되는 전류는 나타나지 않았으며, LED 등기구는 정상적으로 점등되었으며, 전원측의 ELB는 동작하지 않았다.
Figure 25(b)는 -극과 접지극(판)을 근접 또는 접촉시켰을 때의 전기적 특성과 수중에서의 현상을 나타낸 것이다. -극을 접지극에 근접하였을 때 약간의 기포가 지속적으로 발생하였으며 접지극을 통하여 0.1~1.0 A의 누설전류가 가변적으로 흐르는 것을 확인할 수 있었다. 전지극과 접촉시 LED 등기구는 소등되지 않았으며 약간 어두워짐을 알 수 있다.
2) DC 전로의 선간 단락에 의한 화재위험성 실험결과, 순간적인 단락의 경우, 단락과 동시에 소등되었다가 다시 점등되었으며, 지속단락의 경우에는 점등되지 않았으며 컨버터 2차측에는 단락점을 통하여 컨버터로 순환전류가 흘렸다. 순환전류는 지속적으로 가변되었으며, 컨버터나 등기구에는 화재, 폭발 등 특이 현상은 발생하지 않았다.
3) DC 전로의 선간 절연파괴에 의한 화재위험성 실험 결과, 피복 손상에 의해 노출된 도체간에 절연파괴가 진행되었으며, 국부적인 발열과 함께 피복이 착화하였다. 손상된 부분의 도체에는 용융흔이 형성됨을 확인할 수 있었다.
4) 전원측의 과전압 유입에 의한 화재위험성 실험결과, 과전압 인가와 동시에 LED 등기구의 밝기가 밝아졌으며, LED 가로등의 경우 과전압을 인가한 후 270초(4분 30초)가 경과하였을 때 컨버터의 내부에서 폭발음과 함께 불꽃이 비산하였으며, 분해하여 확인결과 컨버터 내부의 바리스터가 손상된 것을 볼 수 있었다. 또한, LED 경관조명의 경우, 과전압을 인가한 후 30초 경과 후 컨버터 내부에서 흰색 연기가 다량 지속적으로 분출하였다.
5) DC 전로의 건전상 누전에 의한 감전위험성 실험결과, 절연형 컨버터를 사용한 LED 조명의 DC 전로가 누전된 경우, +극 또는 -극이 직접 대지로 접속되더라도 전기적 이상현상이 발생하지 않았으며, 또한, 접속된 접지선을 통한 누설전류도 흐르지 않았으나 비절연형 컨버터를 사용한 LED 조명의 DC 전로가 누전된 경우에는 +극이 누전된 경우에는 접속된 접지선을 통해 누설전류가 흘러도 교류전원측의 누전차단기는 동작하지 않았다.
때에 따라서는 도체가 융착하여 용착된 상태로 있었다(등기구는 소등됨). 5분 동안 지속적으로 단락시킨 경우에는 등기구는 점등되지 않았으며, 단락점을 귀로한 전류가 지속적으로 가변됨을 볼 수 있었으며, 이는 컨버터에서 전류제한을 하고 있는 것으로 판단된다.
때에 따라서는 도체가 융착하여 용착된 상태로 있었다(등기구는 소등됨). 5분 동안 지속적으로 단락시킨 경우에는 등기구는 점등되지 않았으며, 단락점을 귀로한 전류가 지속적으로 가변됨을 볼 수 있었으며, 이는 컨버터에서 전류제한을 하고 있는 것으로 판단된다.
6) DC 전로의 수중 누전에 의한 감전위험성 실험결과, 절연형 컨버터를 사용한 LED 조명의 DC 전로의 충전부의 일부 또는 전부가 수중에 노출된 경우에는 +극 및 -극을 각각 수중에 노출한 경우에는 접지극(판)을 통한 누설전류는 발생하지 않았으며, +극과 -극을 동시에 노출한 경우에도 접지극(판)을 통한 누설전류는 흐르지 않았다. 다만, +극과 -극 사이에는 전기분해가 발생하여 수중에서 기포가 발생하였으며, +극의 전선 피복은 용융하여 수중에 부유하였다.
Figure 16은 LED 가로등의 전원 입력측에 전압조정기를 이용하여 교류 220 V의 전압 대신에 380 V의 과전압을 인가하여 시간 경과에 따른 등기구의 이상 유무 등에 대하여 실험하였다. 과전압을 투입함과 동시에 LED 조명의 밝기가 220 V 보다 밝아짐을 육안으로 확인할 수 있었으며, 전원인가 약 270초(4분 30초) 경과시 컨버터 내부에서 이상음이 발생하면서 폭발음과 함께 아크가 발생하고 이로 인해 컨버터의 출력전원이 차단되면서 LED 등기구는 소등되었다. 실험결과로부터, 정상전압 보다 큰 전압이 인가되었을 때 컨버터 내부의 소자가 실험전압을 견디지 못하고 손상된 것으로 판단된다.
Figure 25(c)는 +극과 -극 동시에 수중에서 노출시켰을 때의 특성을 나타낸 것으로 -극과 접지극에서 기포가 지속적으로 발생하였으며, +극의 전선피복은 용융하여 수중에 부유하였다. 또한 접지극과 접촉하지 않은 상태에서도 접지극을 통하여 30 mA 정도의 직류 전류가 누설됨을 알 수 있었다. 이와 같이 비절연형 컨버터의 경우, 접지극과 +극 사이에 컨버터의 출력전압이 그대로 유기되기 때문에 감전사고의 위험이 있으며, 수중에서의 누전실험에도 이를 확인할 수 있었다.
29 A가 대지로 흐름을 확인할 수 있다. 또한, 전원측의 누전차단기는 동작하지 않음을 확인할 수 있었다. LED 등기구는 정상적으로 점등되었다.
또한, 주수 후 단자와 외함간의 절연저항의 변화를 측정하였으며, 측정결과 양호한 절연저항값을 나타냈다. 비절연형 컨버터를 사용한 LED 가로등의 경우, 1차측의 접지선과 2차측의 -극, 컨버터의 외함이 전기적으로 연결되어 있기 때문에 절연이 불량하게 나타났다.
Figure 18은 소손된 컨버터를 분해하여 소손 부품 및 소손 패턴을 나타낸 것이다. 분석결과, 컨버터 내부의 바리스터(varistor)가 손상되어 파열되었으며, 소손된 부근이 검게 그을림을 볼 수 있었다. 바리스터는 외부의 이상전압이 유입되었을 때 내부의 부품의 손상을 막기 위하여 사용되는 소자이다.
또한, LED 경관조명의 경우, 과전압을 인가한 후 30초 경과 후 컨버터 내부에서 흰색 연기가 다량 지속적으로 분출하였다. 소손된 컨버터를 분석한 결과, 컨버터내부의 콘덴서가 인가된 전압을 견디지 못하고 손상된 것으로 분석되었다. 이러한 과전압에 의한 동작 특성을 분석함으로써, 보다 안전한 제품의 설계와 제작에 도움이 될 것이며, PL 등 사고원인의 규명에도 활용될 수 있을 것이다.
실험결과, DC 단락이 되어도 1차측의 차단기는 동작하지 않았으며, 조명설비에서의 폭발, 화재 등 이상현상은 발생하지 않았다. 순간단락시에는 조명이 순간 소등되어 재점등 되었다.
Figure 8은 LED 가로등(DC 32 V) 전로의 선간 단락 실험장치 구성 및 선간단락 실험모습을 나타낸 것이다. 실험결과, 순간 단락시 LED 등기구가 순간 단락시에는 소등되었다가 다시 점등되었으며 전기적 이상 현상 등은 발생하지 않았다. 때에 따라서는 도체가 융착하여 용착된 상태로 있었다(등기구는 소등됨).
Figure 8은 LED 가로등(DC 32 V) 전로의 선간 단락 실험장치 구성 및 선간단락 실험모습을 나타낸 것이다. 실험결과, 순간 단락시 LED 등기구가 순간 단락시에는 소등되었다가 다시 점등되었으며 전기적 이상 현상 등은 발생하지 않았다. 때에 따라서는 도체가 융착하여 용착된 상태로 있었다(등기구는 소등됨).
Figure 8은 LED 가로등(DC 32 V) 전로의 선간 단락 실험장치 구성 및 선간단락 실험모습을 나타낸 것이다. 실험결과, 순간 단락시 LED 등기구가 순간 단락시에는 소등되었다가 다시 점등되었으며 전기적 이상 현상 등은 발생하지 않았다. 때에 따라서는 도체가 융착하여 용착된 상태로 있었다(등기구는 소등됨).
과전압을 투입함과 동시에 LED 조명의 밝기가 220 V 보다 밝아짐을 육안으로 확인할 수 있었으며, 전원인가 약 270초(4분 30초) 경과시 컨버터 내부에서 이상음이 발생하면서 폭발음과 함께 아크가 발생하고 이로 인해 컨버터의 출력전원이 차단되면서 LED 등기구는 소등되었다. 실험결과로부터, 정상전압 보다 큰 전압이 인가되었을 때 컨버터 내부의 소자가 실험전압을 견디지 못하고 손상된 것으로 판단된다.
1) 주수 영향에 대한 위험성 실험결과, LED 가로등 및 보안등에 대한 주수 영향 실험을 수행하였으며, 좌우 60°의 경사로 30분간 주수를 실시하였다. 주수후 등기구 내로의 물기 유입상태를 확인하였으며, 내부로의 물기 유입은 나타나지 않음을 알 수 있었다.
순간단락시에는 조명이 순간 소등되어 재점등 되었다. 지속단락의 경우 점등되지 않고 소등이 계속되었으며, 컨버터 2차측의 전류가 지속적으로 가변됨을 확인할 수 있었다. 이는 컨버터에서 전류 제한을 하는 것으로 판단된다.
Figure 14는 선간 절연파괴가 진행되는 동안의 열적 특성을 시간 영상 열분포 측정시스템을 이용하여 측정, 분석한 것이다. 측정결과 최고 548 ℃ 이상으로 국부적인 발열이 발생함을 확인할 수 있었다.
Figure 7(a)은 컨버터 1차측 단자와 등기구 외함간의 절연저항 측정 결과를 나타낸 것이다. 측정결과, 각 단자와 외함간에 정상적인 절연을 확보하고 있음을 알 수 있다. 그림 Figure(b)은 컨버터 2차측 단자와 외함간의 절연저항을 측정한 것이다.
Figure 24는 컨버터 2차측 단자간 및 단자와 접지극(판)간의 전압을 멀티테스터(88, Fluke, USA)를 이용하여 측정한 것이다. 측정결과, 컨버터 2차측 +극과 -극의 전압은 32.22 V이며, +극과 접지극(판)간은 32.69 V, -극과 접지극(판) 간은 0.41 V로 측정되었다. 이는 컨버터의 1차측 접지선과 2차측의 -극이 전기적으로 접속되어 있기 때문에 나타나는 현상이다(비절연형 컨버터).
측정결과, +극 및 -극과 외함 간의 절연이 불량함을 알 수 있다. 확인 결과, 컨버터 외함의 절연 코팅이 벗겨져서 금속제 실험대 위해 놓은 등기구 외함과 전기적으로 연결되어 절연이 불량하게 나타남을 확인할 수 있었다. 비절연형 컨버터에 있어, 컨버터 2차측 단자의 절연이 불량하여 금속제 외함에 접촉한 경우에는 DC 누전이 발생할 수 있어 전기안전을 위하여 절연형 컨버터의 사용이 요구된다.
후속연구
본 연구에서는 옥외용 LED 조명의 전기화재 및 감전 위험성에 대하여 실험, 분석하였으며, 연구결과는 전기사고의 위험성에 대하여 검증과 이를 통한 성능 및 제․규정의 개선으로 전기재해에 의한 인명과 재산피해의 저감은 물론, 전기사고의 원인 규명과 예방 대책의 제시에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
소손된 컨버터를 분석한 결과, 컨버터내부의 콘덴서가 인가된 전압을 견디지 못하고 손상된 것으로 분석되었다. 이러한 과전압에 의한 동작 특성을 분석함으로써, 보다 안전한 제품의 설계와 제작에 도움이 될 것이며, PL 등 사고원인의 규명에도 활용될 수 있을 것이다.
이상으로부터, 옥외용 LED 조명에서의 전기안전 확보를 위하여 선간 단락이나 누전 등에 의한 전기사고의 예방을 위한 보호장치의 설치와 감전보호를 위한 절연형 컨버터의 사용이 요구된다.
Figure 22(b)는 -극의 전로가 대지로 누전되었을 때의 동작 특성으로 LED 등기구는 점등되지 않았으며, 누전차단기도 동작하지 않았다. 이상의 실험에서 알 수 있듯이 약 30 V의 DC 전압이 대지를 통하여 누전되더라도 전원측에 설치된 누전차단기는 동작하지 않는다는 것을 확인할 수 있었으며, DC 누전에 대한 보호장치의 개발과 DC 누전이 발생하지 않도록 하는 대책이 강구가 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LED 조명설비의 구성은?
Figure 1은 LED 조명설비의 일반적인 구성을 나타낸 것이다. LED 조명은 크게 교류 전로부분(A), 전력변환부분(AC/DC 컨버터, B), 직류 전로부분(C), LED 등기구(D)등으로 구성된다. LED 조명의 컨버터는 설치 위치에 따라 독립형, 내장형, 일체형으로 나누어지며, 가로등이나 보안등의 경우 소비전력에 따라 구분되기도 한다.
LED 조명의 장점은?
특히, 주목받고 있는 조명광원으로 LED가 급부상하고 있으며, 점진적으로 실용화가 진행 중에 있다. LED 조명은 낮은 에너지 소비와 고효율, 장수명 등을 특징으로 점차 기존의 조명설비를 대체할 것으로 전망된다. LED 조명의 적극적인 개발과 보급을 위하여 관계부처에서는 “LED 조명 15/30 보급 프로젝트” 및 “LED 산업 신성장동력화발전 전략” 등을 통하여 LED 조명의 보급을 위하여 적극적으로 정책적 추진하고 있다.
LED 조명의 컨버터는 설치 위치에 따라 어떻게 나뉘는가?
LED 조명은 크게 교류 전로부분(A), 전력변환부분(AC/DC 컨버터, B), 직류 전로부분(C), LED 등기구(D)등으로 구성된다. LED 조명의 컨버터는 설치 위치에 따라 독립형, 내장형, 일체형으로 나누어지며, 가로등이나 보안등의 경우 소비전력에 따라 구분되기도 한다. 또한, 컨버터의 형태에 따라 절연형과 비절연형으로 구분되며, 절연형은 컨버터 1차측의 접지극(선)과 2차측의 -극이 전기적으로 분리된 것을 말하며, 전기적으로 접속된 것을 비절연형이라고 한다.
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