ISSN: 1738-7167
DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2014.28.5.008
PCITS에 의해 소손된 1Φ 2 W MCCB의 탄화 패턴 및 작동 특성
이재혁 · 최충석
†
전주대학교 소방안전공학과
Carbonization Patten and Operation Characteristics of a 1 Φ 2 W MCCB Damaged by PCITS
Jae-Hyuk Lee · Chung-Seog Choi
†
Dept. of Fire Safety Engineering, Jeonju University
(Received May 7, 2014; Revised July 4, 2014; Accepted October 17, 2014)
요 약
본 연구에서는 대전류공급장치시스템(PCITS)을 이용하여 열동전자식 배선용차단기(MCCB)에 과전류를 인가하였을 때 소손된 패턴을 해석하는 데 있다. MCCB의 트립바가 소손된 상태에서 PCITS로 과전류 150 A를 5 s 동안 흘렀을 때 우측에 위치한 온도 조절 장치의 표면이 심하게 탄화되었다. 동일한 조건에서 300 A의 과전류를 5 s 동안 흘렸을 때 온 도 조절 장치의 전체가 열화(劣化)되어 납작하게 밀착되었다. 과전류 450 A를 5 s 동안 흘렸을 때 온도 조절 장치의 코 일은 융융 및 단선이 발생하였다. 또한 접점, 외함 및 상부 덮개 등에서 탄화 흔적 및 변형이 확인되었다. 과전류 600 A 를 공급하고 3 s 정도가 경과되었을 때 MCCB의 내부에서 흰색 연기가 발생하였고, 불꽃이 외부로 방사되었다. 그 리고 탁(딱)하는 소리와 동시에 과전류의 공급이 중단되었다. 동일한 MCCB를 일반 화염으로 소손시켰을 때 작동 손잡 이, 단자, 소호 장치 및 온도 조절 장치 등의 표면에 탄화가 고르게 형성된 것을 알 수 있다. 또한 작동 기구부의 트립 바는 녹아 흘러 내렸으며, 작동 금속핀은 트립 상태로 이동된 것이 확인된다.
ABSTRACT
The purpose of this study is to analyze the damage pattern when overcurrent is applied to a thermal magnetic type molded case circuit breaker (MCCB) using a Primary Current Injection Test System (PCITS). When an overcurrent of 150 A was applied to the PCITS for 5 seconds with the trip bar of an MCCB being damaged, it was found that the sur- face of the temperature control device (bimetallic strip) positioned at the right was significantly carbonized. When an overcurrent of 300 A was applied to the PCITS for 5 s under the same conditions, the entire temperature control device was deteriorated, becoming flattened and in close contact with the MCCB. When an overcurrent of 450 A was applied to the PCITS for 5 s, the coil of the temperature control device was melted and disconnected. In addition, it was observed that the contacts, the enclosure and upper cover were deformed and there was a trace of carbonization on them. When approximately 3 s had elapsed after an overcurrent of 600 A was applied, white smoke occurred inside the MCCB and a flame was radiated out, after which the overcurrent supply stopped with “phutt” (whomp) sound. It was observed that when the same type of MCCB is damaged by a general flame, the surfaces of its handle, terminal, arc divider (extin- guisher) and temperature control device were carbonized uniformly. In addition, it was found that the trip bar of the oper- ating mechanism was melted down and the metal operation pin was moved while being tripped.
Keywords : Carbonization patten, Operation characteristics, MCCB, PCITS, Overcurrent, Trip bar
1. 서 론
전선로에 과전류 및 단락 등이 발생하였을 때 설정된 조 건에서 자동적으로 전선로를 차단하여 전력 시스템의 피 해를 줄이기 위해 설치하는 보호 기기에는 전류제한기 (current limiter), 배선용차단기(molded case circuit breaker;
MCCB), 퓨즈(fuse) 등이 있으며, 관련 국제 규격은 IEC 60898-1, 60898-2 등이 있다(1). 한국산업규격 KS C 8321 에 정의된 MCCB의 규격은 정격 전압 교류 1,000 V 이하 또는 정격 전류 2,000 A 이하, 정격 차단 용량은 200 kA, 상용 주파수 60 Hz 등의 범위 내에서 적용된다. 차단기에 대한 일반 요구 사항은 IEC 60947-1, 규격은 60947-2 등
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Corresponding Author, E-Mail: [email protected]
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TEL: +82-63-220-3119, FAX: +82-63-220-2056
에 제시되어 있으며, KS C IEC 부합화에 따라 IEC 규격 과 내용이 같거나 유사하다. MCCB는 회로를 차단하는 방 식에 따라 바이메탈식(bimetal type), 열동 전자식(thermal magnetic type), 완전 전자식(electro-magnetic type) 등으 로 구분한다(2-4). 전기 설비의 안전한 사용을 위해 설치되 는 MCCB에 과전류 또는 단락 등이 발생하면 트립(trip) 장치가 작동하여 회로를 신속하게 차단함에 따라 사고의 확산을 예방 할 수 있는 것이다(5). 하지만 MCCB가 관련 기준에 적합한 구조로 설계되었다 하더라도 전선로의 절 연 불량, 접속(촉)부의 저항 증가, 부적절한 설치 및 경년 열화(劣化) 등이 있다면 사고는 피할 수 없다(6-8). MCCB 에 대한 연구는 저항 부하에서 MCCB 접속 단자부의 접 속 결함에 의한 화재 위험성(9), MCCB 및 단자대 접속부 의 접촉 불량에 의한 소손 특성 및 과열 감지 기법(10), MCCB의 트래킹에 의한 전기화재 사례(11)등은 있으나 열 동전자식 MCCB가 과전류에 의해 소손되었을 때의 특성 에 대한 연구는 미진한 상태이다.
따라서 본 연구에서는 열동전자식 MCCB의 작동 기구 부의 트립바(trip bar)를 인위적으로 소손시킨 상태에서 대 전류공급장치시스템(PCITS)으로 정격 전류 30 A보다 많 은 150 A(5배), 300 A(10배), 450 A(15배), 600 A(20배) 등을 공급하였을 때의 소손 패턴 및 동작 특성 등을 분석 하고자 한다. 또한 PCITS를 이용하여 열동전자식 MCCB 에 과전류가 흘렀을 때 소손된 MCCB의 특성을 과학적으 로 제시함에 따라 사고 원인 판정 및 해석을 위한 자료를 제공하는데 있다.
2. 실험방법
열동전자식 MCCB (1Φ 2 W, AC 220 V, 30 A, 60 Hz, DACO, DBE 32BE)의 작동 기구부 트립바(trip bar)를 인 위적으로 소손시킨 상태에서 대전류공급장치시스템(PCITS;
Primary Current Injection Test System, ODEN AT/1X
BH-62421, Programma, Sweden)으로 정격 전류 30 A보다 많은 150 A, 300 A, 450 A, 600 A 등을 공급하였으며, Figure 1은 실험이 진행될 때의 실체 사진을 나타낸 것이 다. 본 실험에 사용된 MCCB의 주요 구성품은 작동 손잡이 (actuator lever), 작동 기구부(actuator mechanism), 온도 조 절 장치(bimetallic strip), 접촉점(contacts), 상하 가동편(up and down operator), 소호장치(arc divider or extinguisher), 금속 작동핀(metal operation pin), 전원측 단자(source terminal), 부하측 단자(load terminal) 등으로 구성되어 있 다. 실험이 진행될 때의 온도는 20~22oC, 상대습도 20 ± 2%를 유지하였다. 과전류 공급을 위한 열동전자식 MCCB 의 연결 단자는 80 mm × 12 mm × 2 mm의 구리(Cu) 부스 바(bus bar)를 사용하였다. PCITS는 Charger1, Charger2, Controller, Power cable 등으로 구성되어 있다. 과전류가 일정하게 공급될 수 있도록 PCITS는 2 hr 이상 충전하여 시스템을 안정화시킨 후 실험이 실시되었다. MCCB는 분 전반 또는 배전반 등에 설치했을 때와 동일한 조건이었으 며, 전원 공급 케이블은 노출 배선하여 애자(insulator)와 새들(saddle)을 이용하여 고정시켰다. MCCB의 소손 패턴 은 디지털카메라(Digital Camera, D90, Nikon, Japan)를 이용하여 확인하였다. 실험이 진행되는 동안 전류의 통전 유무는 제어기(controller) 및 클램프미터(Clamp meter) 등 으로 확인하였다. Figure 2는 PCITS를 이용하여 열동전자 식 MCCB에 과전류를 공급할 때의 전류 크기 및 공급 시 간 등의 과정을 나타낸 것으로 각각의 조건에 5개 이상을 실시하였다(12).
3. 결과 및 고찰
Figure 3은 PCITS를 이용하여 MCCB에 과전류를 인가 하기 위한 회로도의 예를 나타낸 것이다. MCCB의 전원측 을 1차, 부하측을 2차로 구분하였고, 1차 단락, 2차 단락, 1차 및 2차 단락 등이 발생되도록 회로를 구성한 곳은 단 Figure 1. Photograph for the test supplying overcurrent to the
MCCB using PCITS.
Figure 2. Current supplied to the MCCB using PCITS and supply time.
락(short)이라고 표기하였다. MCCB의 전원측 및 부하측 에서 발생될 수 있는 18개의 회로를 구성하였고, 과전류를 인가하였을 때 실험이 일관되게 흐를 수 있는 조건을 본 연구에 적용하였다. 기초 실험을 통해서 Figure 3 (g)와 같 은 회로를 구성하고 트립바가 소손되었을 때 PCITS로 MCCB에 과전류를 인가하는 것이 바람직한 것으로 확인 되었다. 즉, MCCB의 전원측 및 부하측 각각에 PCITS의 전원선을 각각 연결하여 폐회로를 구성하고, 설정된 조건 에 따른 과전류를 인가하였다(12).
Figure 4는 Figure 3 (g)와 같은 회로를 구성하고 열동전 자식 MCCB의 트립바가 소손된 상태에서 PCITS로 과전 류 150 A를 5 s 동안 흘렀을 때의 실체 사진이다. Figure 4 (a)는 정면 사진으로 우측의 일부에서 약한 탄화 흔적이
확인되나 그 밖의 특이 사항은 발견할 수 없었다. Figure 4 (b)는 좌측면을 나타낸 실체 사진으로 작동 손잡이, 온도 조절 장치, 금속 작동핀 등이 정상 상태인 것으로 확인된 다. Figure 4 (c)는 MCCB의 우측면을 나타낸 실체 사진 으로 온도 조절 장치(bimetallic strip)의 표면이 심하게 탄 화되었고 일부 뒤틀린 것을 알 수 있다. 즉, MCCB의 트 립바가 소손되었기 때문에 상하 가동편 및 금속 작동핀 등 이 ON 상태를 유지하고 있으며 작동할 수 없는 것이다.
그러나 정면 덮개 외부 및 내부, 외함 등은 변화가 없는 것이 확인되었다(12).
Figure 5는 동일한 조건에서 PCITS로 300 A의 과전류 를 5 s 동안 흘렸을 때의 실체 사진이다. Figure 5 (a)는 정 면 내부의 실체 사진으로 일부에서 탄화 흔적이 확인되나 그 밖의 특이 사항은 발견할 수 없었다. Figure 5 (b)는 좌 측면을 나타낸 것으로 상하 가동편 및 금속 작동핀 등이 정상 제품의 ON 상태와 동일한 것을 알 수 있다. Figure 5 (c)는 MCCB의 우측면 내부를 나타낸 것으로 온도 조절 장치의 전체가 열화되어 납작하게 밀착되었고 주변은 탄 화된 흔적이 확인된다. 또한 온도 조절 장치에 연결된 배 선의 일부가 부풀어 변형된 것이 확인되며, 구리의 색도 고르게 변색된 것을 알 수 있다. Figure 5 (d)는 덮개의 내 부를 나타낸 실체 사진으로 부분적인 변색이 발생하였으 나 외부는 특이 사항을 확인할 수 없었다(12).
Figure 3. Circuit diagram for supplying overcurrent to MCCB using PCITS.
Figure 4. Photograph when supplying 150 A to the MCCB with damaged trip bar using PCITS.
Figure 6은 열동전자식 MCCB의 트립바가 소손된 상태 에서 PCITS로 과전류 450 A를 5 s 동안 흘렸을 때의 실체 사진이다. Figure 6 (a)는 정면의 실체 사진을 나타낸 것으 로 우측의 온도 조절 장치, 접점 및 외함 등에서 탄화 흔 적이 확인된다. Figure 6 (b)는 좌측면을 나타낸 것으로 작 동 손잡이와 상하 가동편은 정상제품 ON 상태와 동일한 특성을 나타내며 특이한 패턴은 확인할 수 없었다. Figure 6 (c)는 우측면을 나타낸 실체 사진으로 온도 조절 장치는 심하게 탄화되어 변형되었고, 일부가 용단된 것이 확인된 다. 또한 주변의 절연물 역시 국부적인 탄화가 발생하여 정상 제품과 확연한 차이가 있음을 알 수 있다. Figure 6 (d)는 덮개의 내부를 나타낸 것으로 탄화 흔적 및 그을음 등이 심하게 생성된 것을 알 수 있다(12).
Figure 7은 동일한 조건의 회로에서 과전류 600 A를 PCITS로 공급했을 때 소손된 MCCB의 실체 사진이다.
PCITS로 과전류를 공급한 후 3 s 정도가 경과되었을 때 내부에서 흰색의 연기가 발생하였고, 불꽃이 외부로 방사 되었다. 그리고 탁(딱)하는 소리와 동시에 과전류의 공급 이 중단되었다. Figure 7 (a)는 소손된 MCCB의 정면의 내부 실체 사진을 나타낸 것이다. 온도 조절 장치, 접점 및 소호 장치 등에서 탄화 흔적이 확인되었다. Figure 7 (b)는 좌측면을 나타낸 실체 사진으로 온도 조절 장치 및 접점 등에서 그을음이 확인된다. 그러나 작동 손잡이와 상하 가 동편 등은 정상 제품의 ON 상태와 동일한 것을 알 수 있 Figure 5. Photograph when supplying 300 A to the MCCB
with damaged trip bar using PCITS.
Figure 6. Photograph when supplying 450 A to the MCCB with damaged trip bar using PCITS.
Figure 7. Photograph when supplying 600 A to the MCCB with damaged trip bar using PCITS.
다. Figure 7 (c)는 우측면을 나타낸 실체 사진으로 온도 조절 장치는 심하게 탄화 및 변형되었고, 일부가 용단된 것이 확인된다. 또한 연결 배선 및 주변의 절연물 역시 국 부적인 탄화가 발생하여 최초의 형태와 확연한 차이가 있 음을 알 수 있고, 작동 손잡이의 하단까지 그을음이 흡착 된 것이 확인되었다. Figure 7 (d)는 덮개의 내부를 나타낸 것으로 탄화에 의한 용융 및 변형이 확인되며 그을음이 고 르게 흡착된 것을 알 수 있다(12).
Figure 8은 본 실험에 적용된 MCCB와 동일한 제품에 한국산업규격 KS C 3004에 제시되어 있는 ‘고무 · 플라 스틱 절연전선 시험방법 제4조’의 규정을 적용하여 표면 이 전소될 때까지의 상태를 나타낸 실체 사진이다. 실험이 진행될 때 MCCB는 전원이 공급이 없는 상태에서 동일 제품을 5개 이상 실시한 결과이다. 작동 손잡이, 전원 연 결 단자, 소호 장치 및 온도 조절 장치 등은 외부에서 공 격된 일반 화염으로 표면에 탄화가 고르게 형성된 것을 알 수 있다. 작동 기구부의 트립바는 녹아 흘러 내렸으며, 작 동 금속핀은 트립 상태로 이동된 것이 확인된다. 따라서 KS C 3004에서 제시하고 있는 전소 실험에서 전기적인 요인이 없이도 작동 금속핀( )은 트립 상태로 이동할 수 있다는 것이 확인되었다(13). 또한 PCITS로 과전류를 공급 하여 소손된 MCCB의 패턴과 특징이 상이하다는 것이 입 증된바 사고 원인의 규명 및 판정 등에 적용이 가능할 것
으로 사료된다(13).
4. 결 론
PCITS로 저압용 열동전자식 MCCB에 과전류를 인가하 였을 때 소손된 패턴 및 특성 등을 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
(1) PCITS를 이용하여 MCCB의 과전류 실험을 수행하 기 위해서는 MCCB의 전원측 및 부하측 각각에 PCITS의 전원선을 각각 연결하여 폐회로를 구성하고, 각각의 설정 된 조건에 따른 과전류를 인가하면 객관적인 데이터를 얻 을 수 있다. 또한 실험에 사용된 시료는 각각 5개 이상을 실시하였고, 각각의 단계는 디지털카메라를 이용하여 촬영 하였다.
(2) 열동전자식 MCCB의 트립바가 소손된 상태에서 PCITS로 과전류 150 A를 5 s 동안 흘렀을 때 작동 손잡이, 온도 조절 장치, 금속 작동핀 등이 정상 상태인 것으로 확 인된다. 그러나 MCCB의 우측에 위치한 온도 조절 장치 표면은 심하게 탄화되었고 일부 뒤틀린 것을 알 수 있다.
(3) 동일한 조건에서 PCITS로 300 A의 과전류를 5 s 동 안 흘렸을 때 정면 내부의 일부에서 탄화 흔적이 확인되었 고, MCCB의 우측에 위치한 온도 조절 장치의 전체가 열 화되어 납작하게 밀착되었으며 주변은 탄화된 흔적이 확 인된다. 또한 온도 조절 장치에 연결된 배선의 일부가 부 풀어 변형된 것이 확인되며, 구리의 색도 고르게 변색된 것을 알 수 있다.
(4) PCITS로 과전류 450 A를 5 s 동안 흘렸을 때 정면 에 바라 본 온도 조절 장치, 접점 및 외함 등에서 탄화 흔 적이 확인된다. 또한 우측에 위치한 온도 조절 장치는 심 하게 탄화되어 변형되었고, 일부가 용단된 것이 확인된다.
그리고 주변의 절연물 역시 국부적인 탄화가 발생하여 정 상 제품과 확연한 차이가 있음을 알 수 있다. 상부 덮개 내부에 탄화 흔적 및 그을음 등이 심하게 생성된 것을 알 수 있다.
(5) 동일한 조건의 회로에서 PCITS로 과전류 600 A를 공급하고 3 s 정도가 경과되었을 때 내부에서 흰색 연기가 발생하였고, 불꽃이 외부로 방사되었다. 그리고 탁(딱)하는 소리와 동시에 과전류의 공급이 중단되었다. 정면, 좌측면 및 우측면 등이 심하게 탄화되었고, 온도 조절 장치가 용 융 및 변형된 것을 알 수 있다.
(6) 동일한 MCCB를 외부의 일반 화염으로 소손시켰을 때 작동 손잡이, 단자, 소호 장치 및 온도 조절 장치 등의 표면 탄화가 고르게 형성된 것을 알 수 있다. 또한 작동 기구부의 트립바는 녹아 흘러 내렸으며, 작동 금속핀은 트 립 상태로 이동된 것이 확인된다.
이상의 결과에서 알 수 있듯이 MCCB가 어떤 에너지원 에 의해서 소손되는가에 따라 작동 손잡이, 단자, 소호 장 치, 온도 조절 장치 및 작동 금속핀 등의 소손 패턴에 차 Figure 8. Internal damage pattern of the thermal magnetic
type MCCB whose surface is entirely burnt by the combus- tion test according to KS C 3004.
이가 있다는 것이 증명된바 사고 원인의 조사 및 판정 등 에 활용이 가능할 것으로 기대된다.
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