Journal of the Korean Society of Safety Vol. 34, No. 3, pp. 8-14, June 2019 https://doi.org/10.14346/jkosos.2019.34.3.8 ISSN 1738-3803 (Print) ISSN 2383-9953 (Online) http://www.kosos.or.kr/jkosos 김두현 * 김성철 ** 김경천 *** Analysis of Thermal Characteristics of the Electrical Socket-Outlets by Overcurrent Doo Hyun Kim * Sung Chul Kim ** Kyung Chun Kim *** Corresponding Author Sung Chul Kim Tel : +82-43-267-2463 E-mail : ksc3650@naver.com Received : April 4, 2019 Revised : May 7, 2019 Accepted : June 9, 2019 Copyright@2019 by The Korean Society of Safety All right reserved. Abstract : Many electrical socket-outlet fire accidents take place not only in homes but in the offices each year. The causes are mostly faulty constructions, managerial problems and carelessness. Construction and managerial flaws can be resolved by regular or special inspections, but carelessness is not solvable through inspections. Such carelessness can be related to the consumption capacity of electrical socketoutlets presently, the rated current of electrical socket-outlets is based on 16A. However, even at 16A, the heat generated in the insulator of an electrical socket-outlet varies due to such factors as part damage and environmental conditions of use. To explore this situation, the study conducted an experiment to analyze thermal relationship by applying 10A, 20A, and 30A currents. To secure reliability, the study employed thermal analysis simulation and compared the thermal relationship in the same current value. The experimental and simulation values were found to be similar and therefore, diverse current values were replaced with the simulation. At 30A, the temperature was found to rise to at least 169.9 which had worked as a sufficient amount of energy to bring the insulation aging of insulator. Key Words : electrical fire, electrical socket-outlet, thermal characteristics, overcurrent, flux 1. 서론 2018 년도전국에서발생한화재 42,337 건에서전기적요인은 10,469 건 (24.7%) 으로부주의 20,353 건 (48.1%) 다음으로높게나타났다. 전기적요인에서발화기기별로분류하면배선 / 배선기구가 2,668 건 (25.5%) 으로가장높고, 배선 / 배선기구중전기콘센트화재가 659 건 (24.7%) 으로가장높게나타났다 1). 이러한전기콘센트화재는잘못된공사, 관리적문제및부주의에서비롯된다 2-3). 잘못된공사와관리적문제는정기점검및수시점검으로해결가능하나부주의문제점에대해서는구체적인방안이없는실정이다. 부주의에의한전기콘센트의전기화재를해결하기위해서는화재가능성에대한구체적인데이터를바탕으로체계적인교육과사용전류값 의제한으로가능하다. 화재가능성은실험이나또는일상적으로사용되는전류값에의존하며, 옥내시설의경우최대전류값이라는개념보다는전기콘센트절연체의절연성능저하를고려하여 16 A 로규정하고있다 4). 그러나사용자는전기콘센트의허용전류 16 A 보다는배선용차단기의용량에의존하는경향이있다. 옥내시설에따라배선용차단기용량은달라질수있으나보편적으로 20 A 를주로사용하고있다. 이런 20 A 배선용차단기의경우 20 A 이상을사용해야차단기가동작된다. 따라서 16 A 를초과하고배선용차단기가동작하지않는다면전기콘센트의절연체에절연열화를초래하고지속되면전기화재로이어진다. 이런전기콘센트화재를예방하고자다양한연구가진행되어왔다. 대표적으로스위치형멀티콘센트의전류인가에따른스위치의 *** 충북대학교안전공학과교수 (Department of Safety Engineering, Chungbuk National University) *** 충북대학교안전공학과초빙교수 (Department of Safety Engineering, Chungbuk National University) *** 한국기계연구원안전시설실선임기술원 (Department of Safety and Infrastructure, Korea Institute of Machinery&Materials)
화재가능성, 문어발식전기콘센트에대한배선의열적특성등이있으며 5-6), 전류값상승에따른전기콘센트의접속단자부분과절연체부분에대한구체적인열적특성분석은없는실정이다. 또한실험에만의존되어있으며, 주위의환경을고려하지않아데이터의신뢰성이다소부족하다. 따라서본연구에서는최근 5 년간의화재발생통계와사용실태조사를통하여전기콘센트화재사고및사용실태에대한사용부하와용량등을분석하였다. 또한전류값에따른열적특성데이터를도출하기위하여실험과시뮬레이션을실시하였다. 먼저실험에서는주위온도 20 에서 10 A, 20 A, 30 A 를인가하여열적데이터를도출하였다. 신뢰성확보를위하여실험에서사용된같은조건으로시뮬레이션에적용하여데이터를상호비교하였고신뢰할만한결과를유도하였다. 이에다양한전류값 10 A 에서 30 A 까지열적특성에대한시뮬레이션을하였고이를통하여전류값에대한열적특성, 20 A 배선용차단기의차단곡선적용시동작특성, 전원케이블의절연저항과비교하였고, 최종적으로회귀분석을통한전기콘센트의열적특성방정식을유도하였다. 2. 전기화재통계분석및전기콘센트사용실태 2.1 전기화재의통계분석 2018 년도전국에서발생한화재 42,337 건을원인별로분석하면부주의에의한화재가 20,353 건 (48.1%) 으로가장높았으며그다음으로전기적요인 10,469 건 (24.7%), 기계적요인 4,617 건 (10.9%), 화학적요인 603 건 (1.4%) 등으로점유하고있다. 전기화재는매년지속적으로조금씩증가하는추세이며 2018 년도에는전년대비 3.7% 증가한 24.7% 를보였다. 전기적화재 10,469 건을발화요인별로분류하면절연열화에의한단락 2,616 건 (25.0%), 트래킹에의한단락 1,168 건 (11.2%), 접속불량에의한단락 1,139 건 (10.9%), 과부하 / 과전류 1,075 건 (10.3%) 등으로발생하고, 발화기기별로분류하면배선 / 배선기구 2,668 건 (25.5%), 전기설비 1,372 건 (13.1%), 계절용기기 1,068 건 (10.2%) 등으로전기화재가발생하고있다. 특히배선 / 배선기구중전기콘센트가가장높게나타났다 1). 2014~2015 년도에 300 건대였는데 2016 년도부터급격히상승하여 2018 년대에 659 건 (24.7%) 으로 2 배의증가률을보였다. 이런추세는최근가정용이나산업용의개별기구소비전력이증가하여발생한경우라볼수있다. Fig. 1 은최근 5 년간전체화재를 Fig. 2 는전기콘센트화재건수를나타내었다. Fig. 1. Statistics of fire occasion in recent 5 years. Fig. 2. Statistics of fire from a electrical socket-outlet in recent 5 years. 2.2 전기콘센트의실태조사전기콘센트는 KS C 8305( 배선용꽂음접속기 ), KS C IEC 60884-1( 가정용및이와유사한용도의플러그및콘센트 ) 에따라인증하고, 가정이나직장에서보통사용하는전기콘센트는 16 A / AC 250 V의정격용량을가지고있다 4). Fig. 3은전기콘센트의설치방법에따라고정형전기콘센트 (Fixed socket-outlet) 와이동형전기콘센트 (Portable socket-outlet) 를나타내고있으며, Fig. 4는실험실내에서전기콘센트의실태조사를통해과부하사용사례를보여주고있다. 실험용오븐 (15 A) 과초음파세정기 (3.62 A) 를하나의전기콘센트에연결하여 18.62 A를사용한다. 이렇게전기콘센트의정격전류인 16 A를초과하여장시간사용시전기화재로이어진다. Fig. 5 a) 는전기콘센트의탄화사고를나타내었다. 전기온풍기 (13.6 A) 와컴퓨터본체 (4.5 A), 모니터 (2.14 A) 를하나의전기콘센트에연결하여 20.24 A를사용하였다. 전기온풍기를사용한전기콘센트의경우스위치는 9A가허용전류임으로탄화를초래하였고전기콘센트역시지속되다가최종 (a) Fixed socket-outlet (b) Portable socket-outlet Fig. 3. Types of electrical socket-outlets. 한국안전학회지, 제 34 권제 3 호, 2019 년 9
김두현 김성철 김경천 Fig. 4. The usage of overloaded electrical socket-outlets in laboratory. Fig. 6. Circuit breaker in electrical socket-outlets(20 A). a) Carbonization with respect to the usage of electrical current b) Cabonized electrical socket-outlet Fig. 5. Cases of accident pertinent to electrical socket-outlets. 적으로 홀부분에 탄화가 진전되었다. 전기콘센트와 연 결된 회로는 20 A의 배선용차단기가 설치되어 있었고, 배선용차단기는 동작하지 않았다. Fig. 5 b)는 전기콘센 트의 탄화(열적인 손상)가 발생한 사례를 나타내었다. 2.3 배선용차단기의 차단곡선 Fig. 6은 직장 실험실의 분전반을 나타내었으며 대 부분 실험실 내 전기콘센트는 20 A 배선용차단기의 용 량에 연결되어 있다. Fig. 7은 배선용차단기의 차단 곡 선으로, 이상전류 값에 대한 차단 시간을 나타내었다7). 20 A 배선용차단기의 차단곡선에 따라 평균 약 1.25배 (최소값 1.13배)인 25 A(최소값 22.6 A)에 도달하여야 240분 후 전기가 차단되고, 1.5배인 30 A에 도달해야 10분 후 전기가 차단된다. 이렇게 전기를 차단하는 것 은 전기콘센트의 화재예방을 위한 측면보다는 배선용 차단기의 주 목적인 배선을 보호하기 위함이다. 따라 서 배선용차단기는 전기콘센트만을 위한 안전장치로 볼 수 없다. 10 Fig. 7. Circuit breaker cut-off curve(rated current 16 ~ 32 A). 2.4 절연체의 절연저항 특성 전기콘센트의 구성은 도체와 절연체로 구성되어 있는 데 전기가 흐르는 도체와 전기가 흐르지 않는 절연체로 구분된다. 절연체는 대부분 전원이 흐르는 도체(Cu)의 주 변을 감싸고 있는 PBT(Polybutylene terephthalate, 열변형 온도 200 )와 전기콘센트의 외형인 PC(Polycarbonate, 열변형온도 130 )로 구분되어 있고 두 상(Phase)이 단락 되지 않도록 절연역활을 하며, 이 절연체는 일정 온도 이상 상승하면 절연저항이 감소하여 전기화재의 위험에 J. Korean Soc. Saf., Vol. 34, No. 3, 2019
노출된다. 절연체의절연저항과온도와의관계를분석한연구로온도변화에따른전원케이블 (VCTF) 의절연저항특성평가결과가있다. 이는전원케이블이상온에서부터온도상승에따라절연저항이감소되었으며 10 상승시마다절연저항은약절반의수치로감소되었다. 이런온도상승은여름철햇빛이나케이블의밀집등으로인하여가능하며, 열화로인한화재로확대될위험성이있다고판단했다. 특히 100 에서케이블의피복이변형되며 200 에서절연파괴가발생하였다. 이와같이절연저항은입력되는전류값에의해발생되는열에의한변화를가져오며최종적으로절연파괴가됨을확인할수있다 8). 3. 실험및시뮬레이션방법 3.1 전기콘센트열적특성실험전류값에따른열적특성을분석하기위하여실험을실시하였다. 사용된전기콘센트는 16 A / AC 250 V의정격용량을가지고있고, 주위온도는 20 로설정하고전류 10 A, 20 A, 30 A를인가하였다. 인가시간은온도의포화시간 ( 온도가상승하다가변화가없이지속되는시간 ) 으로하였다. 실험데이터의정확도를높이기위하여전류별 3회씩동일조건으로전기콘센트를실험하여평균데이터를얻었다. Table 1은실험조건을나타 내고있으며, Fig. 8 은실험과정을보여주고있다. 또한, 부분별온도변화를확인하기위하여 A 지점 (Cu), B 지점 (PC) 을지정하고주측정은열화상카메라 FLUKE Ti25 로하였으며, 데이터보정용으로는 TESTO 872 를사용하였다. 전류의인가는교류전류발생장치 (0~40 A) 를이용하였고 1 A 간격으로조절할수있으나전류값이상승함에따라 ±0.4 정도의오차가발생하여 10 A 의경우는 10.47~10.51 A 의인가값을주도록하였다. Fig. 8 a) 는전류발생장치와전기콘센트온도측정지점을나타내었고, Fig. 8 b) 는실험에서인가된전류의최대치를나타내었다. 3.2 전기콘센트열적특성시뮬레이션 시뮬레이션은실험값과비교분석을통하여신뢰성있는데이터를확보하기위한것과실험적으로재현하기어려운한계를시뮬레이션으로대처하기위하여실시하였다. 시뮬레이션에서는전기콘센트가정상상태일때부하증가에따른열적해석모델로가정하였다. 열해석프로그램인 FLUX(France Altair) 를이용하여 Geometry, Mesh, Physics, Solving 을설계하였고, 전류값 10 A 부터 30 A 까지열적특성을분석하였다. Fig. 9 는 FLUX 를이용한시뮬레이션과정을나타내었다. Table 1. Test conditions for the electrical socket-outlet Division Contents Allowable current [A] 16 Applied current capacity [A] 10, 20, 30 Ambient temperature [ ] 20 Applied time [min] 12 Fig. 9. Simulation procedure for the electrical socket-outlet. 전기콘센트의주위온도는실험과같은 20 로설정하고, 도체에발생한전체주울열의손실 는도체에흐르는전류와도체저항과의관계로식 (1) 과같으며 로인해발생한열은방열과정에서플로그와접속하는절연체 (PC) 로열이전달된다. 또한절연체 (PC) 의열은대기중으로방열및대류에의해전달되어진다 9). 여기서 는도체에흐르는전류를나타내며, 도체저항 는시간에따른온도의함수로써식 (2) 와같이주어진다. (a) Experimental devices and thermal characteristics analysis points (1) (2) (b) The applied currents 10 A, 20 A, 30 A Fig. 8. Test process for the electrical socket-outlet. 단, 은도체의고유저항이고, 는도체의단면적, 은도체의길이이다. Table 2 는시뮬레이션설정값에필요한전기콘센트의물리적특성을나타내었다. 한국안전학회지, 제 34 권제 3 호, 2019 년 11
김두현 김성철 김경천 Table 2. Physical properties of electrical socket-outlets Division Wire (Cu) Cover (PC) Allowable current [A] 16 - Resistance [Ω/m] 1.72 10-8 - Thermal conductivity [K(T)] 390 0.19 Ambient temperature [ ] 20 Applied current capacity [A] 10 to 30 Applied time [min] 12 Approx. outer diameter [ mm ] 50 40 (a) 10 A (b) 20 A (c) 30 A Fig. 11. The result of temperature measurement by currents according to the experiment. 보다는보수적인값을보였다. 따라서다양한전류값은시뮬레이션을통하여열적특성값을유도하였다. (a) Mesh point (b) Thermal characteristics analysis point Fig. 10. Simulation process for the electrical socket-outlet. 전기콘센트의매질크기에따라메쉬크기를설정하였고, 전기콘센트의전원접속점주변온도변화를분석하기위하여 A 지점 (Cu), B 지점 (PC) 을지정하였다. Fig. 10 a) 는매쉬포인트를나타내었고 Fig. 10 b) 는온도측정지점을나타내었다. (a) 10 A 4. 결과및고찰 4.1 전류값에따른열적특성 전기콘센트의열적특성을분석하기위하여전류 10 A, 20 A, 30 A 를인가하는실험과시뮬레이션결과를비교분석하였다. Fig. 11 은실험에서 10 A, 20 A, 30 A 에대한최대온도값을나타내었다. Fig. 12 는실험과시뮬레이션의전류별시간에따른온도측정결과값을비교하였다. Fig. 12 a) 는 10 A 에 A 와 B 지점에대한열적특성으로 A 지점은실험에서평균 39, 시뮬레이션은 43 로시뮬레이션이 4 높은차이를보였다. B 지점에서는시뮬레이션이 3 높게나타났다. Fig. 12 b) 는 20 A 에대하여 A 지점은실험에서평균 98, 시뮬레이션은 103 로시뮬레이션이 5 높게나타났으며, B 지점에서는시뮬레이션이 5 높게나타났다. Fig. 12 c) 는 30A 에대하여 A 지점에서실험시작 10 분경과시점에실험에평균 169, 시뮬레이션은 175 로 6 의차를보였으며 B 지점에서는시뮬레이션이 5 높게나타났다. 실험과시뮬레이션을비교했을때포화온도까지의도달시간은차이가있으나포화온도에대해서는시뮬레이션이 4~5 가높게나타났으며이는실험 (b) 20 A (c) 30 A Fig. 12. Thermal characteristic by currents according to the experiment and simulation. 12 J. Korean Soc. Saf., Vol. 34, No. 3, 2019
4.2 배선용차단기의차단곡선비교 20 A 배선용차단기는전기콘센트의정격전류 16 A 를초과하여 22.6 A 사이에전류를장시간사용을하더라도배선용차단기는동작하지않는다. 특히 30 A (1.5 배 ) 는 10 분후차단기가동작하나전기콘센트에최고 169.9 까지온도가상승하고평균 169.2 의온도가발생해배선용차단기가동작하기전전기콘센트의절연저항이낮아지며장시간사용시에는전기화재로진전된다. 이런전기콘센트의화재를관리하기위해서는부하특성을고려해야한다. 특히직장연구실의경우는 3 kw이상의실험장비가 24 시간가동되는경우가있는데이런경우에단독의배선용차단기를부착해야하며, 멀티콘센트의경우문어발식배선으로인하여전기콘센트의절연열화를발생할수있으므로일상점검을통하여사용부하와전기콘센트의상태를관리해야만전기화재를방지할수있다. (a) A point 4.3 전원케이블의절연저항비교 플러그와연결된전원케이블 (VCTF) 도전류의증가함에접속도체의열적특성에의해서절연파괴가됨을확인하였다. 접속도체의경우 14 A 에서전원케이블의허용온도인 60 를초과하였으며특히, 정격전류 16 A 를초과한 20 A 이상은 95.5 이상의온도로절연저항이감소하는것을확인하였다. 4.4 전류값과열적특성에대한회귀분석 시뮬레이션을통하여 10~30 A 까지의전류값에대한열적특성을회귀분석으로방정식을산출하였다. Fig. 13 a) 는전원의접속점인 A 지점 (Cu) 의전류값에대한열적특성을나타내었고, Fig. 13 b) 는 B 지점 (PC) 의열적특성으로전기콘센트의전류값상승에따라전원접속점 A 지점의온도가상승하면주변절연체인 B 지점도함께상승하였고각각에대한회귀분석을실시하였다. 특히 26 A 이상의전류에서는전기콘센트의외형절연체 PC 의열변형온도 130 를초과하고있어장시간사용시전기화재가발생할가능성이있는것으로보였다. 또한 A 지점과 B 지점의전류값에따른온도상승변화를회귀분석으로방정식을유도하였으며, A 지점은식 (3), B 지점은식 (4) 와같이주어진다. 전류값을 에넣어서산출하면해당온도를 로확인할수있으며산출방정식의신뢰도는각각 99.93%, 99.94% 로나타났다. 식 (3) 과 (4) 를통하여사용부하의소비전력에대한전류값을적용하여전기콘센트의허용전류및허용온도내의설계를통해전기화재예방및안전한관리가가능할것으로판단된다. (b) B point Fig. 13. Regression analysis for thermal characteristics by currents. (3) (4) 5. 결론 본논문에서는전기콘센트에대하여실험과시뮬레이션으로전류값에따른열적특성을분석하여배선용차단기의동작특성, 전원케이블의절연저항비교, 회귀분석을통한방정식을도출하였다. 본연구에서얻은결론은다음과같다. 1. 실험과시뮬레이션을비교했을때포화온도까지의도달시간은차이가있으나포화온도에대해서는시뮬레이션이 4~5 가높게나타났으며이는실험보다는보수적인값을보였다. 2. 20 A 배선용차단기의 1.5 배인 30 A 의경우 10 분후차단기가동작하나전기콘센트에최고 169.9 까지온도가상승하고평균 169.2 의온도가발생해배선 한국안전학회지, 제 34 권제 3 호, 2019 년 13
김두현 김성철 김경천 용차단기가동작하기전전기콘센트의절연저항이낮아짐으로전기콘센트의화재를관리하기위해서는부하용량관리도필요하다. 3. 플러그와연결된전원케이블 (VCTF) 도전류의증가함에접속도체의열적특성에의해서절연파괴가됨을확인하였다. 접속도체의경우 14 A 에서전원케이블의허용온도인 60 를초과하였으며특히, 정격전류 16 A 를초과한 20 A 이상은 95.5 이상의온도로절연저항이감소하는것을확인하였다. 4. 회귀분석을통하여사용부하의소비전력에대한전류값을적용하여전기콘센트의허용전류및허용온도내의설계를통해전기화재예방및안전한관리가가능할것으로판단된다. References 1) National Fire Agency, National Fire Date System, 2018. 2) M. E. Benfer and D. T. Gottuk, Development and Analysis of Electrical Receptacle Fires, Report of National Criminal Justice Reference Service, 2013. 3) T. J. Kim, Y. H. Jung, H. J. Lee, K. D. Hwang, S. H. Seo, K. J. Choi and Y. J. GOH A Power-outlets for Safety and Convenience, The Korean Institute of Electrical Engineers, pp. 135-136, 2017. 4) Korean Agency for Technology and Standards, Plugs and Socket-Outlets for Household and Similar Purpose 2015-238, 2015. 5) K. M. Park, S. B. Bang, K. Y. Lee, G. O. Seo and J. H. Jeong, A Study on the Electrical Fire Hazard by using Individual Switch Multiple-tap, The Korean Institute of Electrical Engineers, pp. 1529-1530, 2015. 6) H. M. Park, M. S. Choi, S. H. Hong, S. T. Park, K. Y. Kim and G. S. Son, A Study on the Fire Hazard of Power Strip Use, Korean Institute of Fire Science & Engineering, pp. 45-46, 2015. 7) LSIS, Miniature Circuit Breaker / Residual Current Circuit Breaker with Over current Protection, 2017. 8) S. D. Kang, J. H. Kim and J. H. Kim, A Study on the Insulation Resistance in Cable with Rising Temperature, Journal of the Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers, pp. 72-77, 2018. 9) H. S. Oh, A Study on the Causes and the Analysis of Electrical Fires Focused on Heat Analysis for Electrical Wires, Fire Science and Engineering, pp. 72-76, 2002. 14 J. Korean Soc. Saf., Vol. 34, No. 3, 2019