월간전기



[해외] 접촉부 과열 감지 기능 갖춘 차단기 개발

2012-05-07

일본 도쿄소방청이 발표한 화재 현황을 살펴보면, 가장 많은 출화出火원인이 방화이고, 다음으로 많은 것이 전기 화재(설비 기기)다. 가스(설비기기), 담배, 석유(설비 기기)보다도 많은 것이 전기 설비 기기에 기인한 화재다. 전기 설비 기기 화재 중에서도 가장 많은 비율을 차지하는 요인이 '접촉부 과열'이며(<그림 1> 참조), 10년 이상 '코드 단락'과 더불어 유독 높은 건수를 보인다. ' 코드 단락'은 업계에서도 코드 단락 보호 기능을 갖춘 차단기를 개발하는 등 대책을 강구하고 있으나, '접촉부 과열'대책은 전혀 이뤄지지 않은 것이 현실이다. '접촉부 과열'발생 요인이 워낙 다양하고, 진짜 요인을 명확하게 분석하는 일이 어렵기 때문이다. 나사가 풀리는 현상은 '접촉부 과열'이 발생하는 주요인이지만, 그렇다고 풀리지 않는 나사가 대책이 될 수는 없다. 나사를 포함한 단자부 제품 불량이나 이물질 혼입에 따른 시공 불량은 초기 불량에 속하며, 단단히 조인 나사를 사용해도 '접촉부 과열'은 발생한다. 또한, 금속 도체에 전류가 흐르면 열응력이 작용하고 전류가 흐르지 않으면 열응력이 사라지는 반복 현상은 왜형을 발생시켜 접촉 금속 도체간 가압력을 줄이기에, 아무리 나사 자체가 꽉 잠겨 잘 풀리지 않는 구조라 하더라도 '접촉부 과열'이 발생한다. 그리하여 나사의 느슨함 정도가 아닌 금속 도체 사이에 일어나는 현상 해명이 바로 '접촉부과열'을 미연에 방지하는 해결책이라고 판단했다. ' 접촉부 과열'의 발생 원인 분석 '접촉부 과열'로 화재가 발생하는 곳으로 배선 기구인 콘센트와 차단기가 60%를 차지한다. <그림 2>는 차단기의 단자부다. 차단기의 금속 도체 사이란 압착 단자와 전원단 사이를 말한다. 금속 도체 사이에 발생하는 이상 전위가 아크를 일으켜 '접촉부 과열'을 야기한다. 차단기 단자부에서 일어난 '접촉부 과열'로 말미암아 이상 온도 상승이 가장 잘 나타나는 상태가 <그림 3>과 같이 단자 나사를 통해 전류가 흐를 때다. 압착 단자와 전원단 사이에 틈새가 생기면 단자 나사를 통해 전류가 흐른다. 압착 단자·전원단과 재질이 다른 단자 나사를 통해 전류를 흘리는 상태는 나사의 느슨함 정도에 따라 일어나는 가압력, 접촉 면적의 감소도 더해져 접촉저항을 한층 증대시키기에 아크 방전과 '접촉부 과열'을 일으킨다. 물론 단자 나사를 통해 전류를 흘리는 것만이 원인은 아니다. '접촉부 과열'을 야기하는 가장 큰 요인은 압착 단자와 전원단 사이의 가압력 감소가 일으키는 접촉 면적 저하, 즉 미소微小진동에 따른 접촉 면적의 변화가 통전되는 접촉 저항을 증대시키는 것이다. 차단기 단자부의 압착 단자와 전원단 사이 전위(접촉 전압)는 정상 상태에서 전혀 발생하지 않지만, 압착 단자와 전원단 사이에 아주 작은 아크 방전이 발생하면 불규칙적인 전위(접촉 전압)가 발생한다(<그림 4> 참조). 이 접촉 전압 파형은 파고치, 시간 폭과 함께 가지각색이며, 이 전위가 아크 에너지 크기를 나타낸다. 파고치가 크고 시간 폭이 길면 큰 아크 에너지가 발생한다. 동작 원리 단자부가 불안정한 상태에서 발생하는 불규칙적인 파형(<그림 4> 참조)은 정상 상태에서 당연히 발생하지 않는 것이기에 파형 발생 자체가 이상 현상임을 뜻한다. 그래서 불규칙적인 파형에 맞춰 방형파方形波를 형성하는 회로를 만들었다. 이 방형파는 불규칙적인 파형의 전위(순시 값)에 대해 한계 값 이상으로 출력하기에, 시간 폭에 대해서도 불규칙적인 파형에 가까운 시간 폭으로 출력시킨다(<그림 5> 참조). 출력시킨 방형파의 발생 수준 빈도에 따라 신호를 출력시키고, 전로를 차단 또는 경보를 출력시키는 회로를 구성했다. 이 압착 단자와 전원단 사이 접촉 전압은 가압력이 작더라도 접촉해 움직임만 유지되면 전위를 발생하지 않기에 0V이다. 이 전위는 접촉 상태에 따라 변하며, 접촉 상태 외에 다른 요인에서는 변하지 않는다. 따라서 온도, 전자파, 노이즈 등으로 말미암은 오동작을 걱정할 필요 없다. 파형 크기가 아닌 파형 발생 자체가 접촉 상태 이상을 나타내기에 조기검출이 필요하다. 접촉 전압의 파형을 확실히 검출하기 위해 다른 요인은 신경 쓰지 말고 압착 단자와 전원단 사이 전위만 추출하면 된다. 압착 단자는 배선 시공 전기공사업자에게 맡기는 것이 보통이어서 압착 단자 자체에서 검출 신호를 얻기란 어렵다. 그래서 전원단을 압착 단자 이외의 금속 부품(단자 나사)으로부터 완전히 절연해야 한다. 이를 위해 전원단에 단자 나사가 접촉하지 않도록 관통 구멍을 만들고 단자 나사 고정용 너트는 전원단 아랫부분에 설치해 고정용 너트 윗면만 절연했다. 아랫면은 절연하지 않은 절연 너트로부터 신호선을 얻는 구성으로 했다. 이것으로 압착 단자에서 직접 신호선을 얻지 않아도 압착 단자와 전원단 사이 전위를 얻을 수 있다. 이 구조는 나사로 전류가 흐르지 않는 단자 구조도 되며, 차단기 단자부에서 발생한 '접촉부 과열'로 말미암은 이상 온도 상승이 가장 잘 나타나는 상태를 피할 수 있다(<그림 6> 참조). 게다가 압착 단자와 전원단 사이가 비접촉 상태에서 전류가 흐르지 않을 뿐 아니라 '이상'이라고 판단하면 전로를 차단할 수 있는 회로 구성으로 되어 있다. 도입 추천 설비 이 검출 기술로 얻을 수 있는 최대 효과는, 접촉 전압을 검출하기에 아주 작은 방전 수준에서도 감지할 수 있다는 것과 사용 부하 용량에 관계없이 검출한다는 것이다. 따라서 초기 불량은 물론이고 경년 열화에 따른 변화에도 대응할 수 있다. 이 기술은 차단기뿐 아니라 나사에 통전하는 모든 기기와 설비를 대상으로 할 수 있다. 도입 설비로 가장 추천하는 것은 나사에 의한 통전 접속 개소가 많은 전기 설비의 분전반, 제어반, 개폐기반 등 각종 '반'이다. 전기 공사, 보수 관리에 종사하는 현장 사람들의 이야기를 들으면 '접촉부 과열'로 일어나는 사고 발생 건수가 예상을 훨씬 뛰어넘는다. 초기 불량으로 말미암은 '접촉부 과열'사고는 원인을 확정하긴 쉬울지 몰라도 사고 자체가 여러 요인이 복합적으로 맞물려 일어나기에 발생 시기를 특정할 수 없다. 경년 열화로 말미암은 '접촉부 과열'사고는 더욱더 발생 시기를 판정할 수 없다. 따라서 나사를 다시 꽉 조이는 작업을 정기적으로 하는 것 외에 달리 대책이 없다. 그러나 이러한 점검주기를 정하는 일도 쉽지 않다. 그렇기 때문에 더욱 상시 감시를 강화하고 이상 시 전로 차단, 또는 경보출력으로 사고를 사전에 방지할 수 있는 이 기술을 폭넓게 적용해야 한다. 각종 패널이 있는 전기 설비 외에 나사에 의한 통전 접속 개소가 있는 전기 기기에도 수요가 있으리라 생각한다. 정리 전화영 기자 < Energy News >