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1 Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 29, No. 2, pp , April 2014 by The Korean Society of Safety (pissn ) All right reserved. 커넥터에서접촉불량발생시의전압, 전류및온도신호특성분석 김상철 김두현 * 강신욱 * 세명대학교보건안전공학과 * 충북대학교안전공학과 ( 접수 / 채택 ) Analysis of Voltage, Current and Temperature Signals for Poor Connections at Electrical Connector Sang-Chul Kim Doo Hyun Kim * Shin Uk Kang * Department of Occupational Health & Safety Engineering, Semyung University * Department of Safety Engineering, Chungbuk National University (Received February 10, 2014 /Accepted April 15, 2014) Abstract : This paper is aimed to analyze the characteristics of simultaneous voltage, current and temperature signals for poor connection on electrical connector. In order to attain this purpose, detected were the current and voltage signals on electric wire with series arc, named arc signals, and also monitored were the changes of RMS, instantaneous value of waveform in time domain and temperature value with video. Two states are made normal state over 5 kg f cm and poor connections state below 0.5 kg f cm by screw gage. In the voltage signal case, the voltage drop was increased with which the current was increased. In the current signal case, poor connections at the time interval 1~4A all showed shoulder, as distinct difference from the normal state shown waveform pattern. In the temperature signal case, poor connections are twice at 1A and five times at 4A in the normal state. The temperature continues insulation of electrical wiring and connector can be carbonized. The results of this study will be effectively used in developing the preventive devices and system for electric fire by poor connections. Key Words : series arc waveform, THD, RMS, monitoring program, LabVIEW 1. 서론 2012 년주택화재 2,487 건중에서절연열화에의한단락 (558 건 ) 이가장높았고, 다음으로과부하 / 과전류 (282 건 ), 압착및손상에의한단락 (200 건 ), 접촉불량에의한단락 (199 건 ) 이발생하였다 1). 주택화재에있어서절연열화에의한단락, 압착및손상에의한단락, 접촉불량에의한단락에있어서공통적으로아크를발생한다. 아크는전기배선의절연열화되었을때와도체와도체사이의공기의절연파괴로인하여발생하며, 이런징후에있어서는병렬회로 ( 단락 ) 에서의아크는높은전류로인하여차단기가동작하나차단기용량보다낮은전류값에서는작동하지않는다 2). 따라서하나의전원선에서발생하는아크, 즉직렬아크는차단기가동작하지않고아크발생개소에열로인하여전선의절연열화를일으키게된다. 이런직렬아크는절연열화된배선, 압착및손상된배선, 접촉불량개소등 에서지속적으로발생한다 3-4). 이런이유로산 학 연에서는직렬아크에대하여전류, 전압, 온도신호및용융흔등에대한많은연구가이행되어왔다. 그러나차단기및커넥터에있어서의저전류 (1A~4A) 에대한접촉불량으로발생되는아크신호에대하여전압, 전류및온도신호를동시에분석한연구는다소부족한실정이다. 이에저전류 (1A~4A) 에대하여접촉불량이발생했을때접 단 ( 接斷, 붙음과끊어짐 ) 시에전압, 전류의파형패턴과동시에온도특성에관한객관적인데이터를필요로한다. 이를통하여안전장치개발에우선이되는신호를선정할수있다. 따라서본연구에서는토크게이지를통하여커넥터의전선접속부의접촉불량상태를인위적으로유도하였다. 또한전선접속부의접 단 ( 接斷 ) 을통한직렬아크를발생시키고, 동시에전압및전류의파형패턴과온도데이터를획득하였다. 도출된신호를바탕으로전압, 전류및온도센서의활용방안을제시하였다. Corresponding Author : Sang Chul Kim, Tel : , sckim@semyung.ac.kr Department of Occupational Health & Safety Engineering, Semyung University, 67, Semyung-ro, Jecheon, Chugbuk , korea 12

2 커넥터에서접촉불량발생시의전압, 전류및온도신호특성분석 본데이터는전기화재조사시에접촉불량에관련된기초자료및접촉불량감지기개발에활용가능하다. 2. 접촉불량에서발생되는신호 2.1 접촉불량시의화재징후 전원공급회로는케이블, 플러그와소켓을연결하는스위치부분, 온도조절기과같은접합 (junctions) 과연결 (connections) 부분을포함한다. 이런접촉부분은전류유동을위한저저항을제공하기위해서도체사이에물리적접촉이요구된다. 도체간의물리적접촉의품질은수많은요소들에의해영향을받을수있다. 고장의이런유형이되는전형적메커니즘은접촉면의산화또는부식, 체결장치 ( 예를들어스크류, 클램프 ) 의부적당한조밀, 운동또는진동 ( 특히일반적인기계장치와운반체 ), 플러그핀과소켓리셉터클과같은슬라이딩부위의마모, 트위트형태의전선조인트부분, 도체의파괴또는수축및전선절연체에서의탄소트래킹형성등의다양한원인이제공된다. 커넥터또는접합부분이불량한개소에서는다른회로에비교해서매우높은저항이존재한다. 이런경우회로에낮은전류가흘러도국부적으로열을발생한다. 정상적인접속부분에서는 0.1Ω 이불량조인트또는연결부분은약 5Ω 정도저항이나타난다 2-5). 해당개소에 10A 의전류가흐른다면 500W 의소실이나타날것이다 2). IEC 에의하면전기적장치, 터미널에대한허용가능한온도상승에대한가이드를제시하고있다. 여기에서는하나의금속을다른쪽에접촉하면, 접촉은완전한겉보기접속면적 (apparent contact area) 을이루지않으며, 단위접촉 (elementary contact) 이라부르는특정한수의접촉점을만든다. 이들접촉의실질적인전체단면적 (cross-sectional area) 은접속부에불순물의존재가없다면실제접속면적과동일하게된다 6-7). 일반적으로접촉저항에영향을주는공기나산화피막이존재한다 6-7). Figure 1 은겉보기접속면적과유효접속면적을나타내었다 6-7). 정상적인접속부분이라해도공기에의한산화피막이형성되며, 접촉불량시에는고저항으로인한열로전기화재를발생시킬수있다 6-7). 2.2 아크의화재징후 아크는두도체사이의공극 (air gap) 에서의공기의절연이파괴되어전류가유동하였을때발생한다. 아크는고전압으로인하여플라즈마의형태로기체분자를이온화시켜도전성경로를형성할때, 공극이존재하고, 초기전류경로와공기자체를이온화시키는높은수분함량 ( 예를들어대기습도 ) 등의이유로발생한다 2). 아크는 Fig. 1. Illustration of apparent contact and effective contact areas 구체적으로다음과같은경우에발생한다 2). 아크는도체가서로접촉되는것이지속적이지않을때발생한다. 아크는공극이만들어지고이것이멈추지않고도체가분리되면서발생한다. 350V 이하교류전압에서, 아크는공극이 mm보다크면발생하지않는다. 올바른회로보호장치는아크결함 (arc fault) 이시작시에고전류 (high current) 가인가되므로반드시작동해야한다. 50 Hz교류에서아크발생지점은전압이 Zero 인지점으로 0.04 초후를의미한다. 이러한아크는일반적으로정상상태의전기적특징이아니므로아크발생시전기적인특징이변하게된다. 아크의전류나전압파형은일반적인사인파가아니다. 아크는일정한주파수를가지는것이아니라수Hz에서수MHz에이르기까지다양한형태의주파수를가진다. 그러나대부분의아크는고주파를동반하며, 전형적인전류와전압파형과는거리가있다. 어떤부하를사용하느냐에따라차이가있을수있지만아크의발생이지속적으로발생하면전압과전류의형태는많은변화가없으나아크가발생하는부분에서는고열이발생한다 8). 전형적인아크의파형은 Figure 2 와같이나타나며전압파형은직사각형의형태를띠고전류파형은거의평탄한 0 전류구간 (shoulder) 이생기는것 한국안전학회지, 제 29 권제 2 호, 2014 년 13

김상철 김두현 강신욱 Fig. 2. Generalized arc characteristics 을볼수있다. Figure 2는아크가발생할때의전류, 전압파형의특성을나타내고있다 9-11). 따라서접촉불량에있어서접촉면적에의하여도체저항이증가하여열이높이발생하는경우와, 도체의 접점부분인외부적인힘에의하여접단 ( 接斷 ) 을반복 하게되면아크와같은원인도중복되어발생시킨다.

3 김상철 김두현 강신욱 Fig. 2. Generalized arc characteristics 을볼수있다. Figure 2는아크가발생할때의전류, 전압파형의특성을나타내고있다 9-11). 따라서접촉불량에있어서접촉면적에의하여도체저항이증가하여열이높이발생하는경우와, 도체의 접점부분인외부적인힘에의하여접단 ( 接斷 ) 을반복 하게되면아크와같은원인도중복되어발생시킨다. 특히진동기계기구의경우에서의접촉불량은차단기로차단되지않은채지속적으로해당개소에열적에너지가가해진다. 이런열이발생함과동시에접단으로 인한전압과전류파형의변화를가져온다. 따라서온 도, 전류, 전압의신호를동시에측정하여접촉불량신 호를찾아야한다. 3.1 실험방법 3. 실험방법 (1) 정상작동실험방법정상작동실험은커넥터의접속단자부의토크를 5 kg f cm이상의압력으로하였고진동을유지하도록 하였다. 전류값은 1A~4A 를각각인가하였다. 전압, 전 류및온도값을동시에측정하기위하여동일 PC 에측 정할수있는소프트웨어를설치하였다. 전압및전류 의경우는순시값, 온도는실시간으로동영상으로저 장이가능하도록하여전류, 전압및온도값의동시성 을강조하였다. Fig. 3. Schematic diagram of poor connector experiment system 3.2 실험장치 전원부는 Figure 4 의 1) 로정격용량 5 kv A 의전원발생기를이용하여상용전원인 220V 로유지하도록하였다. 접촉불량상태를만들기위하여일본의 KANON 의토크드라이브를이용했으며, 접촉불량개소에진동을입력하기위하여 Figure 4 의 2) 와같이 15W, 3,000rpm (WONILL 사 ) 의모터를사용하였다. Figure 4 의 3) 은전압및전류의순시값과파형패턴을측정하기위하여전압은 tektronix 의전압프로브 (P6119PB), 전류는 tektronix 의 A622 AC/DC 전류프로브로하였고, 이들전압및전류프로브에서들어오는신호를수집하는장치는같은회사의 NI-9215 를이용하였다. NI-9215 는 4 채널로구성되어있으며 4 채널에입력되는신호를동시에분석하여이를 PC 로전달한다. 전압및전류에대한모니터링소프트웨어는 LabVIEW 의 SignalExpress 를이용하였다. Figure 4 의 4) 는 FLIR 4 시리즈로 40 ~1,000 까지온도분석이가능하며, 동영상과실시간저장이가능한열화상카메라이다. Figure 4 의 5) 는 PC 로전압및전류의 SignalExpress 와온도의 FLIR R&D 소프트웨어를설치하여저장할수있도록하였다. 마지막으로전원발생 (2) 접촉불량상태실험방법접촉불량상태는 0.5 kg f cm이하의접촉압력상태로 하였고, 정상상태와같은실험조건을입력하였다. 접 촉불량상태에서는전압의경우전압강하와파형패턴, 전류값은파형패턴, 동시에온도의변화를실시간으로 저장할수있도록하였다. Figure 3 은전압, 전류및온 도를측정하기위한개략도를나타내었다. Fig. 4. Experiment setups of poor connector 14 Journal of the KOSOS, Vol. 29, No. 2, 2014

커넥터에서 접촉불량 발생시의 전압, 전류 및 온도 신호 특성 분석 부는 우선 제어의 단상 부하저항기를 이용하였으며 가변하여 부하를

1 전압신호 특성 Figure 5의 a)는 정상상태에서의 전압을 나타낸 것으 로 전선 접속부에 전압강하가 나타나지 않았으며

전압 강하는 전류값이 증가함에 따라 높게 나타났으며 최대는 4A에서 12V가 가장 높았다.

Figure 5는 정상상태와 접촉불량상태의 파형의 패턴을 나타내었고, Figure 6은 접촉불량 상태에서의 전류값에 대한 전압

2 전류신호 특성 Figure 7은 전류에 대한 파형 패턴을 나타내었다.

타내었다. Figure 7 b)의 1A에서 0전류구간(shoulder)이 a) Normal waveform a) Normal

connection (2A) c) Poor connection (2A) d) Poor connection (3A) d) Poor

4 커넥터에서 접촉불량 발생시의 전압, 전류 및 온도 신호 특성 분석 부는 우선 제어의 단상 부하저항기를 이용하였으며 가변하여 부하를 입력하였다. Figure 4는 전압, 전류 및 온도 측정장치를 나타내었다. 4. 실험결과 및 분석 4.1 전압신호 특성 Figure 5의 a)는 정상상태에서의 전압을 나타낸 것으 로 전선 접속부에 전압강하가 나타나지 않았으며 Figure 5의 b)~e)까지는 접촉불량에 의한 전압강하에 대한 파형 패턴을 나타내었다. 전압 강하는 전류값이 증가함에 따라 높게 나타났으며 최대는 4A에서 12V가 가장 높았다. 전압 신호에 있어서는 1A에서도 전압강 하가 나타났음을 확인하였다. Figure 5는 정상상태와 접촉불량상태의 파형의 패턴을 나타내었고, Figure 6은 접촉불량 상태에서의 전류값에 대한 전압 강하값을 나 타내었다. Fig. 6. Voltage drop for current at poor connection states 4.2 전류신호 특성 Figure 7은 전류에 대한 파형 패턴을 나타내었다. Figure 7의 a)는 1A에 대한 정상상태에서의 파형 패턴 이며, Figure 7의 b)~e)는 접촉불량시의 파형패턴을 나 타내었다. Figure 7 b)의 1A에서 0전류구간(shoulder)이 a) Normal waveform a) Normal waveform b) Poor connection (1A) b) Poor connection (1A) c) Poor connection (2A) c) Poor connection (2A) d) Poor connection (3A) d) Poor connection (3A) e) Poor connection (4A) e) Poor connection (4A) Fig. 5. Voltage waveform fattens at normal and poor connection states Fig. 7. Current waveform fattens at normal and poor connection states 한국안전학회지, 제29권 제2호, 2014년 15

5 김상철 김두현 강신욱 Table 1. Application method of voltage, current and temperature sensors signals division voltage current temperature sensor resistance CT thermo_couple using number number of terminals one number of terminals application of μc msp430 msp430 msp430 total component prices(won) 2,000 7,000 8,000 Fig. 8. Temperature values at normal and poor connection states 지속적인나타났으며, 2A~4A 의전류값에도접촉불량시의 0 전류구간이모두나타났다. 4.3 온도신호특성 정상상태에대한접속부의온도분포는 1A~4A 의전류값에대하여 26.4 ~36.5 로나타났으며, 접촉불량시에는 49.5 ~180 였다. 접촉불량시의 1A 에서는정상의약 2 배정도의온도차를보였고, 4A 의경우는약 5 배정도로나타났다. 단자대와옥내배선 IV 전선의허용온도가 70 12) 로, 2A(100 ) 에서이미허용온도를초과하였다. 이는저전류에서도단자대및전기배선의절연체를손상할수있고, 지속된다면전기화재로의진전될가능성이있음을확인하였다. 5. 전압, 전류및온도센서적용방안 현재커넥터, 차단기단자및콘센트등의안전장치가부착된다양한장치들이개발되어있으며, 많은특허들이있다. 그러나전압, 전류및온도등의각각의방법론을제시한데이터가부족하여 Table 1 과같은적용방법을제시하였다. 전압의경우단자부에전압강하가발생한것을착안하여저항을병렬로구성하여안전장치를개발가능하며, 또한개발단가를저가로구성할수있다. 전류는 CT(current transformer) 를이용하여 shoulder 의개수를파악할수있어야하며필터회로를추가해야한다. 이로인하여가격이높고신호제어가다소어렵다. 온도의경우는저가의써모커플러를이용하면가능하며정상과확연히구별되는신호가발생되므로감지하는데도유리하다. 그러나단자의전개소에설치해야함으로가격이상승하는단점이있다. 6. 결론 정상및접촉불량상태로구분하여아크발생시의 전류, 전압, 온도신호를각각분석하여다음과같은결론을얻었다. 1) 전압신호의경우전류가증가함에따라접촉불량개소에전압강하가증가하였고, 접촉불량시의파형패턴이정상과확연이구별되는신호가나타났다. 전류신호의경우는접촉불량시에 1~4A 모두 0 전류구간이나타났으며, 정상상태와구별되는파형패턴을보였다. 온도신호의경우는 1A 에서는정상상태의 2 배, 4A 는 5 배로높은온도가나타났으며, 접촉불량발생시에는이런온도로인하여단자대와전기배선의절연체가탄화될수있는높은온도임이확인되었다. 2) 전압신호에대한안전장치개발이가격면이나신호제어에서우세한것으로판단되며, 차단기, 콘센트, 주요단자대등의안전장치개발에기초자료로활용가능하다. References 1) National Fire Data System, ) J. W. Munday & Associates, Electrical Fire Causes and Diagnostics, ) Fire Investigation Group, Electricity handout, London Fire Brigade, pp.35-47, ) NFPA 921, Guide for Fire and Explosion Investigations, pp.70-91, ) John D. Dehaan, Kirk s Fire Investigation, Prentice Hall, pp , ) H. -K. Kim, A Study on the Detection Method by Series Arc Characteristic Analysis of Electric Wire Contacts, Graduate School of Chosen Univ., pp.8-13, ) IEC 60943, Guidance Concerning the Permissible Temperature Rise for Parts of Electrical Equipment, in Particular for Terminals, ) Dongwei Li et al., A Method for Residential Series Arc Fault Detection and Identification, IEEE, pp.342~345, 16 Journal of the KOSOS, Vol. 29, No. 2, 2014

6 커넥터에서접촉불량발생시의전압, 전류및온도신호특성분석 ) G. D. Gregory, K. Wong and R. Dvorak, More about Arc-Fault Circuit Interrupters, IEEE, pp.1306~1313, ) G. D. Gregory and G. W. Scott, The Arc-Fault Circuit Interrupter : An Emerging Product, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 34, No. 5, pp.928~933, ) Restrepo, C.E, Arc Fault Detection and Discrimination Methods, IEEE, pp.115~122, ) KESCO, Hand Book for Electrical Safety Management, pp , 한국안전학회지, 제 29 권제 2 호, 2014 년 17

Microsoft Word - KSR2016A257

Microsoft Word - KSR2016A257 2016 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2016A257 TEV센서를이용한저압배전반에서직렬아크신호의검출 Detection of Series Arc Signals by TEV Sensor in Low-voltage Switchboard 박서준 *, 황성철 *, 왕국명 *, 길경석 * Seo-Jun Park *, Seong-Cheol Hwang *, Guoming