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국문초록 13
ABSTRACT 15
제1장 서론 18
1.1. 연구배경 및 필요성 18
1.2. 단락과 과부하로 인한 전기화재 연구동향 20
1.3. 연구의 내용 및 구성 24
제2장 전기화재와 관련된 제반 사항과 분석시스템 26
2.1. 전기재해 원인분석의 신뢰성 26
2.2. 사고메커니즘 및 분석시스템 29
2.2.1. 패턴분석 30
2.2.2. 외형확대 31
2.2.3. 단면분석 33
2.2.4. 내부구조분석 34
2.2.5. 화학적 표면구조분석 35
2.2.6. 열분석 36
2.2.7. 성분분포분석 38
2.2.8. 사고재현 39
제3장 전선재료의 특성 40
3.1. 개요 40
3.2. 구리조직 41
3.2.1. 결정립계의 구성 41
3.2.2. 금속조직의 형성과정 43
3.2.3. 금속의 특성과 단면조직에 의한 해석 44
3.2.4. 금속의 상변화 과정 49
3.2.5. 금속의 전도도 변화에 따른 산화 증식 특성 54
3.2.6. 구리의 특성 61
제4장 실험 구성 및 방법 65
4.1. 용단전류 실험식과 실험개요 65
4.2. 용단전류에 따른 전선의 단면특성 실험방법 68
4.3. 램핑전류에 의한 전선의 용단실험 방법 71
4.3.1. 일반조건 71
4.3.2. 전원공급과 주변 환경조건 72
제5장 과전류에 의한 전기화재 원인 분석 73
5.1. 용단전류와 단면조직 특성 73
5.1.1. 용단전류에 따른 시간 측정 및 발열량 73
5.1.2. 전선의 외형 변화 77
5.1.3. 조직성장 및 성장각도 특성 80
5.1.4. 온더동크의 실험식과 비교 및 분석 90
5.2. 램핑전류에 따른 나전선의 용단패턴 93
5.2.1. 고속이미지 시스템에 의한 용단특성 93
5.2.2. 외형분석 94
5.2.3. 수지상 조직의 성장 특성 95
5.2.4. 용단시간과 용단전류의 특성 해석 97
5.2.5. 수지상 조직의 성분분석 98
5.3. AC와 DC에서의 단락특성 분석 100
5.3.1. 외형특성 비교 100
5.3.2. 단면조직 비교 102
5.3.3. 용단시간 대 용단전류 상관관계 104
5.3.4. 60Hz 교류와 직류와의 용단특성 분석 107
5.3.5. 램핑전류에서의 용단특성 109
5.4. 액화질소 내에서의 과전류에 따른 용단특성 112
5.4.1. 고속카메라에 의한 촬영 112
5.4.2. 전선의 외형 및 단면특성 113
제6장 결론 115
참고문헌 117
[그림 1-1] 전기화재 발생추이 20
[그림 1-2] 전기안전기술지도 개략도 22
[그림 2-1] 전기설비의 수명곡선 28
[그림 2-2] 전기재해 사고분석 시스템의 개략도 29
[그림 2-3] 화재확산 범위에 대한 개략도 31
[그림 2-4] 단락 용융 패턴 32
[그림 2-5] 금속조직의 응력에 의한 균열 형태 34
[그림 2-6] 엑스선 촬영에 의한 CV 케이블의 내부구조 35
[그림 2-7] 적외선 흡광피크의 특성 35
[그림 2-8] 열분석에 필요한 특성 피크 36
[그림 2-9] 탄소의 결정구조 37
[그림 2-10] 산화된 도체표면의 구조분석 39
[그림 3-1] 핵수와 결정화 속도의 과냉 의존성 46
[그림 3-2] 결정핵의 반경과 에너지 변화량과의 상관특성 47
[그림 3-3] 온도와 압력에 따른 금속 성분계 상평형도 49
[그림 3-4] 시간과 온도에 따른 상변화 50
[그림 3-5] 온도에 따른 금속 상변화 50
[그림 3-6] 수지상 성장과정 51
[그림 3-7] 수지상의 3차원 성장 52
[그림 3-8] 주사전자현미경을 이용한 수지상정 53
[그림 3-9] 수직으로 성장한 수지상 53
[그림 3-10] 주상성장의 금속단면 54
[그림 3-11] 산화막 성장 곡선 55
[그림 3-12] 구리단면의 부식진행과정 60
[그림 3-13] 용단시간 및 용단전류에 따른 사고원인 61
[그림 3-14] 불순물이 구리에 미치는 영향 63
[그림 4-1] 장치 개략도 및 각 전선의 용단전류 68
[그림 4-2] 용단전선의 성형 단면 69
[그림 4-3] 단면분석을 위한 순서도 70
[그림 4-4] 램핑전류 공급을 위한 실험장치 구성 71
[그림 4-5] 주변 환경조건에 따른 실험구성 72
[그림 5-1] 1.2mm 전선의 용단시간 대 전류곡선 73
[그림 5-2] 1.6mm 전선의 용단시간 대 전류곡선 74
[그림 5-3] 2.0mm 전선의 용단시간 대 전류곡선 75
[그림 5-4] 용단전류 대 발열량 상관곡선 76
[그림 5-5] 용단시간대 용단전류 곡선 77
[그림 5-6] 1.2mm 나전선의 용융패턴 이미지 78
[그림 5-7] 1.6mm 나전선의 용단패턴 이미지 79
[그림 5-8] 2.0mm 나전선의 외형패턴 이미지 80
[그림 5-9] 용단전류에 의해 열화된 1.2mm 나전선의 단면분석 81
[그림 5-10] 용단전류에 의해 열화된 1.6mm 나전선의 단면분석 82
[그림 5-11] 용단전류에 의해 열화된 2.0mm 나전선의 단면분석 83
[그림 5-12] 1.2mm 전선 단면 조직의 수지상 성장 84
[그림 5-13] 직경 1.2mm 전선의 용단전류 대 성장각도 상관곡선 85
[그림 5-14] 1.6mm 전선 단면 조직의 수지상 성장 86
[그림 5-15] 직경 1.6mm 전선의 용단전류 대 성장각도 상관곡선 86
[그림 5-16] 2.0mm 전선 단면 조직의 수지상 성장 87
[그림 5-17] 직경 2.0mm 전선의 용단전류 대 성장각도 상관곡선 87
[그림 5-18] 용단전선의 직경과 단락전류의 상관관계 88
[그림 5-19] 나전선의 성장각도 비교 89
[그림 5-20] 상수 k 대 용단시간 곡선 90
[그림 5-21] 온더동크 실험식과의 비교 91
[그림 5-22] IEC에서 제시한 단락전류와의 비교 91
[그림 5-23] 5초 이내에 용단된 각 나전선의 용단전류 곡선 92
[그림 5-24] 과전류에 의한 용단과정(7.5A/sec) 93
[그림 5-25] 용단전류에 의해 변형된 전선(1.6mm) 95
[그림 5-26] 용단전류에 따른 수지상 성장 96
[그림 5-27] 용단시간과 용단전류의 상관곡선 97
[그림 5-28] 수지상조직의 2차전자이미지 98
[그림 5-29] 수지상 조직내의 선주사에 의한 성분분포 99
[그림 5-30] 전류상승률에 따른 1.6mm 전선의 AC 60Hz에서 용단된 외형 100
[그림 5-31] 전류상승률에 따른 1.6mm 전선의 DC에서 용단된 외형 101
[그림 5-32] AC 60Hz전류상승률에 따른 1.6mm 전선의 용단된 단면 비교 102
[그림 5-33] DC에서 전류상승률에 따른 1.6mm 전선의 용단된 단면 비교 103
[그림 5-34] AC 60Hz/1.2mm 전선의 용단시간 대 용단전류 비교곡선 104
[그림 5-35] AC 60Hz/1.6mm 전선의 용단시간 대 용단전류 비교곡선 105
[그림 5-36] AC 60Hz/2.0mm 전선의 용단시간 대 용단전류 비교곡선 105
[그림 5-37] AC 60Hz/1.2mm, 1.6mm, 2.0mm 전선의 용단특성 비교 106
[그림 5-38] 1.2mm 나전선에서 AC, DC 용단특성 비교 107
[그림 5-39] 1.6mm 나전선에서 AC, DC 용단특성 비교 108
[그림 5-40] 2.0mm 나전선에서 AC, DC 용단특성 비교 108
[그림 5-40] DC/1.2mm, 1.6mm, 2.0mm 전선의 용단특성 비교 109
[그림 5-41] 램핑전류에서의 전선굵기 대 용단전류 110
[그림 5-42] 램핑전류에 따른 용단시간 대 용단전류 상관관계 111
[그림 5-43] 액화질소 내에서의 과전류에 의한 용단전선 촬영 112
[그림 5-44] 액화질소 내에서 용단된 전선의 외형 113
[그림 5-45] 액화질소 내에서 용단된 전선의 단면 114
초록보기
최근에 전기재해로 인한 인적 물적 손해가 광범위하게 발생함에 따라 전기재해의 원인에 대한 신뢰성 있는 규명이 요구되고 있다. 전기재해는 크게 감전사고, 설비사고, 그리고 전기화재 등으로 나눌 수 있다. 통계에 따르면 국내에서 발생된 전체 화재의 약 30%는 전기화재로 밝혀졌다. 전기화재는 단락, 과부하, 누전, 과열 등과 같은 여러 가지 원인에 의하여 발생되었고 이 중 약 70%의 화재의 주요 원인은 단락과 과부하로 나타났다.
본 논문의 목적은 단락이나 과부하로 인한 전기화재를 분석할 수 있는 과학적인 기법을 개발하는 것이다. 이 기법은 용단 전류의 크기는 용단된 전선의 단면조직형태를 결정하는 핵심 인자라는 사실에 근거하고 있다. 전선에 과전류가 흐르는 단락이나 과부하의 경우 보통 줄열에 의하여 전선은 산화 및 용단되고 화재의 근원이 되는 불꽃이 발생된다. 단락 전류는 과부하 전류보다 상대적으로 매우 크기 때문에 단면의 결정성장 특성을 조사하면 전선의 용단 전류를 식별할 수 있고 결과적으로 전기화재의 원인을 판정하는 것이 가능하다.
본 연구에서는 주어진 조건에서 과전류에 의해 전선을 용단시킬 수 있는 실험장치를 구성하였다. 여기에는 전선의 용단과정을 촬영할 수 있는 고속이미지 시스템, 용단된 전선 단면의 결정성장 특성을 분석할 수 있는 실체현미경과 금속현미경 등과 같은 다양한 측정 장비들이 이용되었다.
용단된 전선의 단면을 엄밀히 조사하기 위하여 단락회로에 대한 IEC 규정에 근거하여 단락과 과부하 전류로 구분할 수 있는 여러 가지 종류의 용단전류에 대하여 실험을 수행하였다. IEC 규정에 따르면 단락 지속 시간은 5초 이내이다.
실험 결과, 주변온도가 상온보다 높은 상태에서 단락이 발생하면 경계면이 없는 전선의 단면은 주상조직 패턴으로 나타났다. 상온에서 단락이 발생하면 주상조직과 결정조직 사이에 경계면이 존재하였다. 한편, 과부하에 의해 용단된 전선의 단면에서는 수지상 조직이 생성되었다. 따라서 단면분석을 통해 전기화재원인을 외부 열이 상온보다 높은 경우의 단락, 상온에서의 단락, 과부하 등 3가지 유형으로 분류할 수 있다. 용융된 전선 단면의 조직과 용융시간의 관계를 살펴보면 5초 이내에서 용단된 전선에는 주상조직이 나타나고, 용단시간이 5초 보다 길면 수지상이 나타난다. 따라서 이 실험 결과들은 IEC 규정과 잘 일치한다는 것을 확인할 수 있다. 이와 더불어 용단전류와 용단시간의 관계를 구하고 온더 동크 (I. M. Onderdonk)식과 비교하였다. 그 결과 실험 데이터는 온더동크 식을 만족한다는 것을 검증할 수 있다.MARC 보기
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