가정용 전기포트 발화에 대한 위험 고장모드 재현시험법
장인혁, 이창훈, 임홍우
†한국기계전기전자시험연구원, 신뢰성평가센터
Hazard Failure Mode Representation Test Method on Fire of the Electric Pot for Home Appliance
In-Hyeok Jang, Chang-Hoon Lee, Hong-Woo Lim
†Reliability Assessment Center, Korea Testing Certification, 22 Heungan-daero 27beon-gil, Gunpo-si, Gyeonggi-do,Korea
(Received : Jan. 03, 2016, Revised : Mar. 18, 2016, Accepted : Mar. 25, 2016)
Abstract : In this paper, the evaluating test methods of the fire on the electric pot used in the house are proposed. FMEA was used to analyze the fire mechanism of the electric pot and designed testing methods including durability tests on the environment and mechanical durability tests obtained through the two-step QFD and tested. The evaluating test methods of the fire were verified on the electric pot using in the house through the analysis of the test results.
Keyword : Electric Pot, FMEA, QFD, Fire
1. 서론
5)
전기포트는 전기에너지를 이용하여 물을 뜨겁게 대 피는 전기장치로 최근 현대인들의 생활필수품으로서 사용량과 보급량이 증가하는 추세를 보이고 있다. 이 러한 전기포트의 사용량이 증가할수록 안전사고 역시 증가하는 추세이다.[1] 일반적인 전기포트로 인한 화재 사고는 소비자의 사용부주의로 인한 사고도 있지만 대 부분 불량 제품 또는 장시간 사용으로 인한 열화 제품 에 의한 사고가 일반적이다.[2] 이러한 화재의 위험성 이 증가한 만큼 제조업체 역시 제조기술 및 품질의 향 상을 통해 제조사의 설계 마진, 보호회로 등을 통해 화재 사고를 방지하려 노력하고 있지만, 장기간 사용 으로 노후화된 제품에 대한 화재를 방지하기에는 한계 가 있다.[3] 또한 기존의 전기포트에 대한 안전성평가 를 위한 다양한 KS 및 KC 등의 안전규정 등이 존재하 지만 이는 초기품을 대상으로 한 점검기준이며, 실제
†Corresponding Author 성 명 : 임 홍 우
소 속 : 한국기계전기전자시험연구원, 신뢰성평가센터 주 소 : 경기도 군포시 흥안대로 27번길 22, 신뢰성평
가센터
전 화 : 031-428-5625 E-mail : [email protected]
필드에서 사고를 유발하는 장기적 사용으로 인해 열화 된 제품에 적용하기엔 다소 무리가 있다.[4] 따라서 본 논문에서는 기존의 초기제품에 대한 안전성 평가와 차 별화 된 가정내에서 장기간 사용으로 인해 열화 된 전 기포트의 발화 고장모드를 제품 초기에 재현하여 열화 로 인한 안전사고를 초기에 방지할 수 있는 시험법을 제안하였다. 발화요인 분석을 위해 FMEA 분석을 실시 하였고, 이를 바탕으로 2단계 QFD를 설계하여 환경내 구성 시험과 기계적 내구성 시험을 실시하였다.[5] 그 리고 설계된 시험법을 통해 초기제품을 초기에 열화시 켜 실제 필드에서 발생할 수 있는 고장메커니즘을 재 현하여 시험법의 타당성을 검증하였다.
2. 필드고장 사례분석
전기포트의 화재에 대한 필드고장을 Figure 1과 같 이 분석한 결과 가정내 전기포트 사용 중 낙하로 인해 내부 보호소자 및 기타 부품의 탈락 현상이 발생한 상 태에서 전원 인가에 의한 출화, 내부 보호소자의 장시 간 열화로 인한 오동작으로 적정 온도시 차단하지 못 하고 지속적으로 전원을 공급하여 발화된 사례 등을 확인할 수 있었다.
번 호
부품
(Unit) 기능 RPN 점검방법 조치방법 및
고장형 개선 태
발생
빈도 영향 치명
도 원인 검지
도
1 전원
코드 전원공급
단락 2 회로파손 및 화재 7 사용자의 부주의 4 84 Multi Meter 전기적 특성 측정
부품 단위 검증 철저
단선 3 인체접촉시 감전 6 사용자의 부주의 4 48
2 히터 가열시켜 열 발생
부식 5
누설전류 증가 및 온도 과상승
8
장시간 사용으로 인한 축열 및 과열로 인한
절연물 열화 6
240 멀티미터 등으로 전기적 특성 측정 육안검사
페라이트 코어 재질 절연파 개선
괴
5 5 150
3 전원 스위치
제품 전원 공금 및
차단
단락 3 전원 차단 불가 8 열적 전기적 과부하 3 72 육안검사
Multi Meter 전기적 특성 측정
부품 단위 검증 철저 단선 4 회로 전원공급 불가 1 제조 공정상의 현상 3 12
4 전웑 확인용 LED
광출력으로 외부에 상태를 표시
패키지 열화 3
외부에서 회로의 동작 상태를 알 수 없음,
육안 식별도 저하
3 스트레스에 의한 열화
3 27
육안검사 비파괴 검사 광특성
검사
수분 침투 미연방지 (몰딩 등) 광출력
열화 3 2 18
색온도
열화 2 3 18
5 바이 메탈
전기포트
과열방지 단락 6 바이메탈의 구부림
특성변화 8
지속적인 꺽임 및 펴짐의 반복으로 인해
탄성력 변화
8 384
육안검사 전기적특성
측정
불연성 재질의 바이메탈
사용 발 생 도 : 고장 발생 가능성을 1~10사이의 값4로 추정
치 명 도 : 고장이 소비자에게 미치는 영향도 1~10사이의 값으로 등급 추정
검 지 도 : 고장모드와 원인/메커니즘을 찾아서 시정조치 능력을 평가하여 1~10사이 값으로 추정 R P N : 발 생 도 × 치 명 도 × 검 지 도, 잠재고장모드에 의한 기대위험의 예측치
Table 1. FMEA analysis of Electric pot (a) Fire caused by the
product drop
(b)Fire caused by bad product Figure 1. Field failure analysis practices
3. 시험법 설계 3.1 고장모드 분석 및 추정
필드고장 사례를 통한 일반적인 FMEA분석 결과 주 요한 고장의 원인은 주로 낙하로 인한 외관 케이스 파 손 및 내부 습기 침투로 인한 히터부 노하, 열화로 인 한 소비 전류 상승, 전원제어 불능(스위치 용융 및 바 이메탈 결함) 등으로 발생빈도가 높은 것으로 추정된 다. 발생빈도는 낮으나 화재․감전의 위험성이 높은 고 장모드는 제어부 플라스틱Bar(회로차단 불가) 파손 및 전원선 꺾임 등이 발생한다. 따라서, 이러한 위험고장 의 원인에 대하여 기존의 FMEA를 다음 Table 1과 같 이 분석하였다.
3.2 2단계 QFD 설계
QFD 1단계에서는 시스템 각각의 부분(또는 부품)의 고장원인과 고장모드/메커니즘에 대한 객관적인 자료 가 필요하다. 객관적인 자료로는 국내 및 국제 규격, 학회 및 학위 논문, 제품의 필드고장 사례, 선행시험
통해 RPN Score 및 RPN Score 유효성을 파악하여 시 스템에서 가장 우선적으로 개선해야 할 부분(또는 부 품)을 결정한다. 다음 Table 2는 우선 개선 부분 선정 을 위한 QFD 1단계 매트릭스를 나타낸 것이다.
고장부위 전원코드 히터 전원스위치 LED 바이메탈 고장기구
(Failure Mechanisms) 고장원인
(Stresses and Performance)
단락 단선 부식 절연
파괴 단락 단선 패키지
열화
광출력 열화
색온도
열화 단락
RPN 84 48 240 150 72 12 27 18 18 384
RPN Scale 0.08 0.05 0.23 0.14 0.07 0.01 0.03 0.02 0.02 0.36
온도 ○ ○ ◎ ◎ ◇ ◇ ○ ○ ○ ◎
과전압 ○ ○ ◇ ◎ ◎ ○
기계적 스트레스 ◎ ◎ ○ ◎ ◇ ◎ ◎
과도한 충방전 과대리플전류 인가
AC 중첩
온도변화 ◎ ◎ ◎ ○
습도 ◎ ◎ ○ ○ ◇ ◇
진동 ○ ○ ◇
충격 ◇ ○
변화효율 절연내압
열충격 ◎ ◎ ◎ ○ ○ ○ ◎
장력 코일 주파수
고온고습 ○ ○ ◎ ◎ ◇ ◎
기계적 안정(전력손실) 수명
과부하 ○ ○ ◎ ◇ ◎
먼지 ○
Score 45 45 46 46 25 16 14 3 3 52
RPN Score 3.6 2.25 10.58 6.44 1.75 0.16 0.42 0.06 0.06 18.72
유효성 13.28% 38.65% 4.34% 1.23% 42.51%
◎ : 9점, ○ : 3점, ◇ : 1점으로 평가하며 ◎이 9점 인 것은 ◎의 영향도가 다른 영향도에 비해 매우 크다는 것을 나타낸다.
Table 2. QFD step 1
QFD 2단계에서 1단계에서 결정된 우선적으로 개선 해야 할 시스템 부분(또는 부품)의 고장모드/메커니즘 을 확인 할 수 있는 시험에 대한 객관적인 자료가 필 요하다. 객관적인 자료로는 국내 및 국제 규격, 학회 및 학위 논문, 유사제품의 필드고장 사례, 선행시험 사 례 등을 통하여 2단계에 적용하여, Table 3과 같이 효 과적인 재현 시험 결정하는 매트릭스로 나타낸 것이다.
시험방법(Test Methods)
고장모드(FailureModes/Mechanisms) 고온
시험 충격
고온 고습 시험
먼지 과부하 시험
과전압 시험
기계적 부품 고장모드 RPM Score 스트레스
전원코드 용융 1.04 ○ ◇ ◎
크랙 3.38 ○ ◇ ◎
히터 부식 9.66 ◎ ○ ◎ ○
절연파괴 5.98 ◎ ○ ◎ ◎ ◎ ○
전원스위치 단락 1.5 ◇ ◎ ○ ◇
단선 0.16 ◇ ◇ ◇ ◇ ◎
LED
패키지열화 0.28 ○ ◇ ○ ◎
광출력열화 0.06 ○ ◇ ○
색온도열화 0.06 ○ ◇
바이메탈 단락 17.68 ◎ ◎ ○ ◎ ◇
점수 316 47.08 318.36 4.5 137.5 215.4 77.92
순위 2 6 1 7 4 3 5
◎ : 9점, ○ : 3점, ◇ : 1점으로 평가하며 ◎이 9점 인 것은 ◎의 영향도가 다른 영향도에 비해 매우 크다는 것을 나타낸다.
Table 3. QFD Step 2
4. 시험 및 결과
2단계 QFD결과 전기포트의 화재 및 감전의 주요고 장 메커니즘은 주로 고온과 고온고습 등의 주변 환경 적 요인과 기계적 요인 등으로 분류할 수 있었다. QFD 에서 분석한 환경적 요인들을 뽑아 아래와 같은 환경 적 내구성 시험과 기계적 내구성 시험을 설계하였고, 이를 실험을 통해 결과를 분석하였다.
4.1 환경적내구성시험
전기포트의 환경내구성 시험을 위해 A, B 두 가지 모델을 Table 4와 같이 항온조내 Figure 2와 같이 방 치하여 고온시험(100 ℃)와 고온고습시험(85 ℃ 85 % R.H.)을 수행하였다. 그리고 히터의 열화로 인해 히터 의 저항성분의 변화에 따른 입력변화 관측을 위해 IEC 60319 규격에서 추천하는 관측시간을 이용하여 24시간, 48시간, 96시간, 168시간, 336 시간, 672 시간, 1000 시 간 간격으로 입력 전압별(220 V, 253 V, 272 V) 소비전 류 변화량을 확인하였다. 그리고 121 ℃, 100 %(2기압) 조건으로 A, B 두 모델을 3시간, 6시간, 12시간, 18시 간, 24 시간 48시간 간격으로 절연저항을 측정하였다.
Figure 2. Environmental endurance tests
시험항목 시험방법 점검 사항
고온시험 (1) 온도 : (100 ± 2) ℃
(2) 방치 소비 전류
고온고습 시험
(1) 온습도 : (85 ± 2) ℃ (85 ± 5) % R.H.
(2) 방치
소비 전류
가압시험 (1) 121 ℃, 100 % R.H.(2기압) (2) 48 h
절연저항 측정 Table 4. Test Method Design for Environmental
Durability
고온 시험결과 Table 5와 같이 전압별 소비 전류가 상승하였고, 1 000 시간 고온 시험 후 소비전류가 소 폭 증가하는 것을 확인하였다.
220 V 입력 253 V 입력 272.8 V 입력
모델 전압 초기값 24H 48H 96H 168H 336H 672H 1000H 증가율
A1
220V 6.68A 6.76A 6.85A 6.72A 6.97A 6.83A 6.93A 6.92A 103.6%
253V 7.67A 7.73A 7.82A 7.83A 7.81A 7.87A 7.91A 7.92A 107.5%
272V 8.32A 8.31A 8.05A 8.34A 8.35A 8.47A 8.59A 8.57A 103.1%
A2
220V 6.62A 6.65A 6.69A 6.71A 6.71A 6.71A 6.83A 6.81A 102.8%
253V 7.61A 7.63A 7.61A 7.70A 7.81A 7.72A 7.82A 7.84A 103.1%
272V 8.11A 8.23A 8.33A 8.31A 8.62A 8.31A 8.33A 8.36A 103.1%
B1
220V 6.01A 6.04A 5.91A 6.07A 6.08A 5.94A 5.96A 5.98A 99.5%
253V 6.85A 6.88A 6.74A 6.68A 6.75A 6.83A 6.91A 6.88A 100.4%
272V 7.42A 7.42A 6.79A 7.23A 7.22A 7.34A 7.36A 7.35A 99.1%
B2
220V 6.02A 6.06A 6.08A 6.29A 6.24A 6.09A 6.11A 6.15A 102.2%
253V 6.87A 6.89A 6.62A 6.92A 6.91A 7.01A 7.11A 7.13A 103.8%
272V 7.41A 7.41A 7.30A 7.52A 7.48A 7.55A 7.61A 7.62A 102.8%
Table 5. Consumption current changes according to the high temperature tests
고온고습 시험결과 Table 6과 같이 고온시험과 같이 소비전류가 소폭 증가하는 것을 확인하였다.
220 V 입력 253 V 입력 272.8 V 입력
모델 전압 초기값 24 H 48 H 96 H 168H 336H 672H 1000H 증가율
A1
220V 6.57A 6.58A 6.59A 6.61A 6.65A 6.67A 6.71A 6.72A 102.3%
253V 7.56A 7.56A 7.55A 7.61A 7.63A 7.64A 7.69A 7.71A 102.1%
272V 8.14A 8.18A 8.17A 8.16A 8.19A 8.22A 8.24A 8.25A 101.4%
A2
220V 6.64A 6.55A 6.66A 6.64A 6.68A 6.69A 6.72A 6.72A 101.2%
253V 7.21A 7.55A 7.54A 7.56A 7.59A 7.63A 7.68A 7.71A 106.9%
272V 7.98A 7.99A 7.98A 8.11A 8.21A 8.24A 8.29A 8.31A 104.1%
B1
220V 5.98A 5.95A 5.94A 5.96A 5.92A 6.01A 6.09A 6.11A 102.2%
253V 6.64A 6.62A 6.65A 6.67A 6.84A 6.88A 6.91A 6.92A 104.2%
272V 7.36A 7.37A 7.41A 7.39A 7.41A 7.21A 7.25A 7.28A 98.91%
B2
220V 5.78A 5.83A 5.87A 5.88A 5.96A 5.92A 5.95A 5.97A 103.3%
253V 6.82A 6.83A 6.85A 6.88A 6.94A 6.68A 6.71A 6.72A 98.54%
272V 7.21A 7.27A 7.27A 7.31A 7.39A 7.41A 7.45A 7.47A 103.6%
Table 6. Consumption current changes according to high temperature and high humidity tests
가압시험결과 절연저항값이 Table 7과 같이 서서히 감소하였고 A제품의 경우 18시간, B제품의 경우 24시간 만에 절연이 파괴되었다. 그리고 A제품은 24시간, B제품 48시간 만에 히터부외관이 터져 내부 열선부가 노출되었다.
초기품 18시간 열화품 48시간 열화품
측정시간 3 hr 6 hr 12 hr 18 hr 24 hr 48 hr
A제품 51.3x105㏁ 0.29x105㏁ 0.02x105㏁ 절연파괴 히터부노출 히터부노출 B제품 496x105㏁ 9.61x105㏁ 0.78x105㏁ 0.00048x105㏁ 절연파괴 히터부노출
Table 7. Result of the pressure tests
외부로 열선이 노출된 상태에서 전원을 인가하였을 경우의 안전성을 확인하기 위하여 노출된 상태의 히터 부에 전원을 인가하였다. 그 결과 Figure 3과 같이 노 출된 열선이 발화하였고, 노출된 열선은 발화로 인해 단선되었다.
Figure 3. Ignition reproduction test 4.2 기계적내구성시험
전기포트의 환경내구성 시험을 Table 8의 시험을 Figure 4와 같이 시험하였다. 시험 조건은 고온(100
℃), 고온고습(85 ℃, 85 % R.H.)에서 1 000시간 열화시 킨 열화품을 일반적인 테이블 높이인 1 m 높이에서 전기포트를 낙하시험기를 통해 낙하시킨다.
시험방법 점검 사항
낙하 시험 (1) 1 m 낙하
(2) 무동작 정상동작 여부 Table 8. Test Method Design for Mechanical
Durability
Figure 4. Drop tests of the electrical port 전기포트의 기계적 내구성시험결과 초기 A 제품의 경우 Figure 5의 (a)와 같이 낙하시험 낙하시험 5회에 외관 케이스가 파손되었고, 약 10회에 내부 히터부가 분리되었다. B제품의 경우 Figure 5의 (b)와 같이 낙하 시험 단 3회 만에 내부 히터부가 몸체와 분리된 것을 확인하였다. 열화에 따른 기계적 내구성 변화를 확인 하기 위하여 내구성이 더 튼튼한 B 제품을 고온 및 고 온고습 조건에서 1 000시간 방치한 후 낙하시험을 한 결과 고온열화품의 경우 4회 만에 내부 히터부와 몸체 가 분리되었고, 고온고습 열화품의 경우 약 5회 만에 내부 히터부와 몸체가 분리되는 것을 확인하였다. 실 제 필드에서 낙하로 인한 내부 크랙이 발생할 경우 습 기가 침투한 상태에서 전기포트의 동작을 한다면 가압 시험의 조건과 유사한 조건으로 내부 발화의 위험이 있다.
(a) Result of the product A
(b) Result of the product B Figure 5. Result of the dropping tests 4.3 시험법 확정
시험결과를 통해 실제 필드에서 발생할 수 있는 환 경적 내구성 및 기계적 내구성을 고려하여 다음 Table 9와 같이 시험방법을 확정하였다. 기본안전성 시험의 경우는 제품 KC 및 KS에서 지정하는 시험방법을 의미 하는 것으로 안전 및 품질 인증을 받은 제품의 경우 생략이 가능하다.
구 분 시험항목 시험방법 점검사항 비 고
기본 안전성
시험
초기특성
측정 (1) 초기특성측정
- 구조 - 온도상승 - 절연내력 - 절연저항
완제품
환경 내구성 시험
고온시험
(1) 온습도 : (100 ± 2) ℃ (2) 방치
(3) 1 000 h
- 낙하시험 후 누수 없이 정 상동작
완제품
고온고습시 험
(1) 온습도 : (85 ± 2) ℃ (85 ± 5) % R.H.
(2) 방치 (3) 1 000 h
- 낙하시험 후 누수 없이 정 상동작
완제품
가압시험
(1) 121 ℃, 100 % R.H.(2 기압)
(2) 20 h
- 절연저항 측정 히터부 기계적
내구성 시험
낙하시험 (1) 1 m 높이에서 낙하 (2) 10회
- 누수 없이 정
상동작 완제품
Table 9. Test Method Design for Durability
5. 결 론
본 논문에서는 기존의 초기품을 대상으로 한 기존의 안전 및 품질 시험법과 다른 가정 내에서 사용 중 노 후화된 전기포트의 발화에 대한 위험 고장모드를 제품 초기에 재현할 수 있는 시험법을 제안하였다. 발화요 인 분석은 관련문헌조사 및 국내외 시험규격검토, 제 품분석, 필드데이터 분석 등을 참고기준으로 메커니즘 분석 및 추정하여 시험법을 설계 및 시험하였다. 환경 에 따른 내구성 시험을 위해 A, B 두 가지 모델을 방 치상태에서 고온시험(100 ℃)와 고온고습시험(85 ℃ 85
% R.H.)을 1 000 시간, 가압시험(100 ℃, 121 %, 2기압) 을 48시간 수행하였다. 기계적 내구성 시험은 1 m의 높이에서 고온 및 고온고습으로 열화된 제품을 낙하시 험 하였다. 그 결과 고온시험과 고온고습시험 모두 소 비전력의 소폭 감소로 전기적 특성에는 큰 영향을 주 지 않는 것으로 확인되었지만 낙하시험을 통해 기계적 내구성에 영향을 주는 것을 확인하였다. 낙하시험으로 인해 내부 크랙이 발생하거나 외형이 파손되는 경우 내부 습기가 침투하고, 그 상태로 동작할 경우 히터부 열이 올라 결국 내부 기압이 증가하여 히터부가 터지 게 된다. 이를 재현하기 위해 가압시험을 하였고, 그 결과 히터부가 노출되었다. 히터부가 노출된 상태에서 전원을 인가하였을 때 노출된 부분으로부터 발화되는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 전기포트의 환경적 열화 및 기계적 열화 요인의 시험법을 설계하 였고 이를 통해 얻어진 결과를 재분석하여 발화 메커 니즘을 재정립 및 검증하였다. 향후 전기적 시험 (ON/OFF 및 과전압시험)등을 추가하여 가정 내에서 발 생할 수 있는 화재 및 감전 사고에 대해 기업체에서 즉각적인 활용이 가능하도록 보안 할 예정이다.
참고문헌
1. 소방방재청, 2014년 화재발생현황 분석 1-17(2014) 2. 소방방재청, 2013년 8월 전국화재발생현황 분석
1-16(2013)
3. 장인혁, 이창훈, 이영주, 임홍우, “가전제품 화재 메커니즘 재현 및 분석을 위한 인프라 구축”, 한국 신뢰성학회 신뢰성응용연구, 제 15권,제1호 60-66(2015)
4. 원종수 “전기화재·전기기기의 출화요인과 감식”
한국화재소방학회논문지,제2권, 제2호 22-25(1998) 5. 금종룡, 서용석, 이준구, 박재윤 “FMEA를 활용한
디지털 신호처리기 보드의 진단 유효범위의 측정”, 한국신뢰성학회 신뢰성응용연구, 제 8권 2호 101-111(2009)
