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옥내배선 길이에 따른 단락 특성의 실험 연구

송재용†․김진표․조영진․최돈묵*․오부열*․길경석**

국립과학수사연구원․*가천대학교․**한국해양대학교

(2012. 5. 22. 접수 / 2012. 7. 11. 채택)

An Experimental Study on Short Circuit Characteristics by the Interior Wiring Length

J.Y. Song†․J.P. Kim․Y.J. Cho․D.M. Choi*․B.Y. Oh*․G.S. Kil**

National Forensic Service․*Gachon University․**Korea Maritime University(Received May 22, 2012 / Accepted July 11, 2012)

Abstract : This paper describes electrical fire on residential environment such as apartment and detached house cau-sed by defect of interior wiring. We carried out experimental study on short circuit characteristics by the interior wi-ring length. We were measured arc current, arc energy and interrupting time of earth leakage current circuit brea-ker(ELB), when an interior wiring break out short circuit in residential environment.From the experiment results, the longer of the interior wiring, the magnitude of arc current decreased and the inter-rupting time of ELB increased. When applied the A maker's ELB, the strength of arc current and interrupting time of ELB was 254 A and 245 ms respectively at 30 m interior wiring length. In 3 m interior wiring length, arc current and interrupting time was 716 A and 4.24 ms respectively. Arc energy was dependent on the magnitude of arc current and the interrupting time of ELB, the longer the interrupting time, arc energy increasing. In this paper, minimum arc energy was 277 J using C maker's ELB and 3 m interior wiring length(arc current 283 A, interrupting time of brea-ker 6.28 ms). Therefore in the residential environment, short circuit caused by defect of the interior wiring lead to electrical fire.Key Words : short circuit, parallel arc, arc current, arc energy, interior wiring, electrical fire

1. 서 론*

산업화의 고도화 및 생활의 윤택함과 편리함을 위

해 전기에너지의 사용량은 꾸준히 증가하고 있으며, 전기 사용량의 증가에 따라 이와 관련된 전기사고

또한 지속적으로 증가하고 있는 실정이다. 전기 사용

과 관련하여 전기사고를 예방하기 위한 다각적인 노

력에도 불구하고, 전기사고의 가장 대표적인 전기

화재 사고는 해마다 10,000여건(2011년 기준 10,663건)을 유지하고 있다. 전기화재 중, 병렬아크를 동

반하는 단락에 의한 화재 발생건수는 5,956건으로

약 60%에 해당된다. 이를 단독주택, 공동주택 및

기타 주택시설로 구분되는 주거 지역으로 한정할 경

우, 전기적 원인에 의한 화재는 2,460건이며, 이중 단

락에 의한 화재 발생건수는 1,522건으로 60%를 상

†To whom correspondence should be addressed.hvlab@korea.kr

회하는 수준이다1).전기적 원인에 의한 화재 발생은 단락, 지락, 반

단선, 불완전접속 및 트래킹 등으로 다양하게 분류

될 수 있으나, 최종적으로 전기적 발열 및 불꽃이

수반되고, 동 발열 및 불꽃에 의해 절연피복이나 주

변 가연물이 착화되면서 발화에 이르게 된다. 전기

적 발열 및 불꽃이 발생되는 일련의 과정을 아크 현

상으로 볼 수 있으며, 아크의 발생은 고장 전류의

경로에 따라 직렬아크 및 병렬아크로 구분할 수

있다. 직렬아크와 병렬아크 중, 단락과정에서 주로 발

생되는 병렬아크의 경우, 상대적으로 큰 단락전류가 발생되며, 전기화재로 진전될 가능성이 높은 것으로 알려져 있다2-4).

그러나 현재의 연구 추세는 직렬아크에 대한 것이

많은 부분을 차지하는데 직렬 아크 발생 시에는 아

크 전류가 부하전류 이내로 제한되는 특성으로 인해 아크신호에 대한 검출이 어려워 신속한 차단기 불

가하다는 관점에서 연구 대상이 되고 있다. 또한

옥내배선 길이에 따른 단락 특성의 실험적 연구

한국안전학회지, 제27권 제4호, 2012년 39

(a) Series arc (b) Parallel arc (c) Ground arc

Fig. 1. Type of arc generation.

직렬 아크의 경우, 실험적으로 모의가 가능하고, 실험과정에서 위험성이 낮기 때문이기도 하다. 병렬

아크의 경우, 아크 전류의 크기가 크기 때문에 아크 전류 차단 용량 등에 대한 연구가 대부분이며, 단락전류 측정이나 차단기 동작시간과 연계한 단락

에너지 특성에 대한 연구는 미진한 실정이다5-8).따라서 본 연구에서는 단락과정에서 발생되는 단

락전류를 측정하고, 현재 가장 널리 사용되는 15 AF 누전 차단기의 차단특성 및 이에 의존한 단락에너

지에 대하여 실험적 연구를 수행하였다. 특히 분전

반의 차단기를 차단하지 않는 이상 고정적이고, 지속적으로 전원이 공급되는 아파트 및 단독주택 등

에 설치되는 2.0 mm 옥내배선을 대상으로 옥내배선 길이에 따른 단락 특성에 대하여 연구하였다.

2. 실험방법

2.1. 전기적 발열 발생 메커니즘

전기적 발열 및 불꽃이 발생되는 일련의 과정을

아크 발생 과정으로 볼 수 있다. 이러한 아크의 발

생 과정에서 발생되는 전기적 발열 및 불꽃은 절연

피복이나 주변 가연물을 통해 착화되면서 발화에 이

르게 된다. 아크의 발생은 고장전류의 경로에 따라

직렬아크와 병렬 아크로 구분할 수 있다. 직렬 아

크의 경우, 불완전 접속이나 반단선에 의해 접촉저

항이 증가하고, 이로 인해 발생되는 전기적 발열이

발생되어 지속적으로 성장하고, 최종적으로 아크가 발생된다. 일반적으로 직렬아크는 Fig. 1(a)에 나타낸 바와 같이 부하와 전기적으로 직렬 연결된 상태이

므로 아크전류가 부하에 의해 제한되어 상대적으로 에너지 레벨이 작은 특징이 있다. 직렬아크 전류는

식 (1)에 나타낸 바와 같이 차단기의 보호레벨 범위 내에서 흐르며, 일부 아크와 유사한 부하로 인하여

정상 상태로 오인되는 경우가 많기 때문에 아크 고

장이 발생되더라도 신속한 제거가 매우 어렵다.

arc arc

(1)

여기서, Iarc는 아크전류, IL은 부하전류, Vin은 입

력전압, Varc는 아크전압, Z는 회로의 임피던스이다7).병렬아크의 경우, Fig. 1(b)와 (c)에 나타낸 바와

같이 상도체와 중선선(line to neutral) 또는 상도체와 접지(line to ground)의 경로에서 절연피복의 절연

열화가 발생되고, 최종적으로 단락 및 지락되는 과

정에서 발생되며, 정상적인 전류 크기에 비해 십

수~수십 배에 이르는 단락전류를 동반하므로 기기

파손 및 전기화재의 주요 원인이 된다. 단락이나

지락에 의한 병렬아크가 발생되는 경우, 아크전류

는 선로의 임피던스에 비례한 아크 전류가 발생되

는 특징이 있다.

2.2. 실험방법

기본적으로 전기화재 예방 및 인체 감전사고 방

지를 위하여 누전차단기 및 배선용 차단기를 사용

Fig. 2. Schematic diagram of a 84 m2 apartment.

송재용․김진표․조영진․최돈묵․오부열․길경석

Journal of the KOSOS, Vol. 27, No. 4, 201240

(a) Schematic diagram (b) Photograph

Fig. 3. Consist of experimental apparatus.

Upper : arc current [100 A/div]Lower : source voltage [100 V/div]

Upper : arc current [100 A/div]Lower : source voltage [100 V/div]

Upper : arc current [200 A/div]Lower : source voltage [100 V/div]

(a) 30 m (b) 20 m (c) 3 m

Fig. 4. Measured waveforms of arc current and source voltage.

하고 있으나, 주택이나 아파트 등에서 사용되는 차

단기는 열동식 구성으로 차단기에 의한 효과적인

단락전류 차단이 어려운 실정이다.따라서 본 논문에서는 Fig. 2와 같이 84 m2(구

33평형)아파트를 기준으로 분전반에서 콘센트 및 전

등 등에 연결되는 배선 길이를 고려하여 배선길이

에 따른 단락전류 및 에너지의 크기를 분석하였다. 주거 목적의 건축물 분전반 내에서 분기용 차단기

로 가장 널리 사용되는 것은 15 AF의 누전 단기로

본 연구에서는 국내 제품 중, 시장 점유율이 높은

3개사의 15 AF 누전 차단기를 적용하여 단락전류

차단 시간에 대한 실험적 연구를 수행하였다.실험 장치는 Fig. 3과 같이 단위세대 분전반에서

주차단기로 사용하는 50 AF 배선용 차단기를 설치

하고, 동 차단기 후단에 15 AF 누전 차단기를 분

기용 차단기로 연결하였다. 단락회로 구성을 위하여 일반적인 옥내용 배선으로 사용되는 2.0 mm규격의 내열비닐전선을 부하측에 접속하였으며, 220 V 상용전압을 공급한 상태에서 단락실험을 수행하였다.

옥내용 배선은 실제 전원공급용으로 15 AF 누전 차단기 부하측 단자로부터 최대 3 m에서 30 m까

지 가변시키면서 단락회로를 구성하고, 15 AF 누전 차단기 부하측 단자에서 단락전류, 단락에너지의

크기 및 차단기의 동작 시간을 측정하였다. 단락전

류, 단락에너지 및 차단기 동작시간 측정에는 디지털 레코더(Yokogawa DL9140, Japan)를 이용하였다.

3. 실험결과 및 고찰

실험장치의 부하측에 설치된 15 AF의 누전차단

기에 정상적으로 전원을 공급한 상태에서 부하측

배선이 단락회로를 구성하는 경우, 실험에 사용된

15 AF의 누전 차단기는 즉시 차단되지 못하고, 일정시간 경과 후, 차단되는 특성을 나타내었다.

Fig. 4에 나타낸 것은 A사의 제품의 부하측 배

선에서 단락이 발생되는 경우, 전압과 전류의 크기

및 차단기의 차단 시간을 나타낸 것으로 Fig. 4(a)와 같이 배선길이가 30 m인 경우, 측정된 단락전

옥내배선 길이에 따른 단락 특성의 실험적 연구

한국안전학회지, 제27권 제4호, 2012년 41

류의 크기는 약 254 A이었으며, 차단기의 차단 동

작 시간은 약 245 ms로 나타났다. 옥내배선길이 3 m로 짧아지는 경우, 단락회로에 흐르는 단락전류

는 약 716 A로 측정되었으며, 15 AF 누전차단기의

동작시간은 약 4.24 ms로 대단히 짧은 시간 내에

차단되는 특성을 나타내었다. Fig. 5에는 옥내배선 길이에 따른 단락전류의 크

기를 나타낸 것으로 실험에 사용한 3개사의 제품

모두 배선 길이가 길어질수록 단락전류의 크기는 작

게 측정되었다. 실험에 사용한 옥내배선용 전선은

2.0 mm규격의 내열비닐전선으로 단위 길이당 저

항은 약 5.7 mΩ이고, 단위 길이당 인덕턴스는 약

0.06 μH로 옥내배선 길이가 길어질수록 배선의 임

피던스가 증가하여 단락전류가 작아지는 것으로 판

단된다.Fig. 6은 거리에 따른 차단기의 차단 시간을 나

타낸 것으로 3개사의 제품 모두 옥내배선의 길이가

길어질수록 차단 시간이 길어지는 특성을 나타내었

다, 특히, A사의 경우, 배선길이에 따라 차단기의

차단 시간이 현저히 길어지는 경향을 보였으며, C사

Fig. 5. Magnitude of arc current depending on interior wiring length.

Fig. 6. Interrupting time of earth leakage current circuit breaker(ELB) depending on interior wiring length.

차단기의 차단 시간은 최대 9.56 ms, 최소 6.28 ms로 배선길이와 무관하게 거의 일정한 차단 시간을

나타내었다. A사와 B사 차단기의 차단 시간이 옥

내배선 길이에 따라 길어지는 특성은 15 AF의 누전 차단기와 같이 소형 차단기의 경우, 일반적으로 열

동식 접점을 사용하기 때문에 단락전류에 의한 전기

적 발열량이 차단기 접점까지 도달되는 시간적 차이 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 7은 단락회로가 형성될 때 단락전류의 크기와 차단 시간을 고려한 단락에너지로 이는 측정 장치인 디지털 레코더의 연산기능에 의해 계산된 값이며, 배선길이가 길어짐에 따라 단락에너지 또한 크게 나

타나는 경향을 보였다. 그러나 옥내배선 길이에 따라 차단기의 차단 시간에 크게 영향을 받지 않는 C사

의 경우, 계산된 단락에너지 또한 배선 길이와 무관

한 특성을 나타내었다. C사의 누전 차단기를 이용한 단락실험에서 단락에너지는 배선길이가 30 m인 경우, 298 J이고, 배선길이가 3 m일 때 792 J로 가장 크

게 측정되었다. 이러한 현상은 배선 길이에 따라 단

락전류는 크게 차이나는 반면, 차단기의 차단 시간

은 크게 달라지지 않으므로 단락전류가 크게 흐르

는 조건인 배선 길이가 짧아지는 경우, 단락에너지

가 크게 나타나는 것으로 판단된다. A사와 B사의

경우, 배선 길이가 길어짐에 따라 단락에너지 또한

크게 나타나는 경향을 보이는데 이는 차단기의 동

작 시간에 의존하는 것으로 판단된다. 실험결과에서 A사의 경우, 배선 길이가 30 m일 때 각각의 단락

전류와 차단기의 차단 시간은 약 254 A 및 245 ms이며, 이 때 단락에너지는 약 9,682 J로 가장 크게

측정되었다. 반대로 배선길이를 3 m로 제한하는

경우, 단락전류는 약 716 A로 약 3배가량 크게 나

타나지만, 차단 시간은 약 4.24 ms로 배선 길이가

30 m일 때보다 50배 이상 짧은 시간에 차단되므로

Fig. 7. Magnitude of arc energy depending on interior wiring length.

송재용․김진표․조영진․최돈묵․오부열․길경석

Journal of the KOSOS, Vol. 27, No. 4, 201242

이때의 단락에너지는 472 J로 작게 나타난다. 이러

한 점을 고려할 경우, 최종적으로 화재에 이를 수 있

는 전기적 발열량은 차단기의 차단 시간에 의존하는 것으로 판단된다.

상기의 실험 결과로부터 옥내배선에서 단락회

로가 형성되는 경우, 배선 길이가 길어짐에 따라

단락전류의 크기는 작게 발생되는 것으로 볼 수

있다. 실험에서 사용한 15 AF의 누전 차단기는 열동

식 접점을 일반적으로 적용하는 구성으로 이러한 경

우에는 옥내배선 길이가 길어짐에 따라 차단기의

차단 시간 또한 길어지는 특징을 나타내는데 이는 열

동식 접점 구동에 요구되는 전기적 발열량이 옥내

배선을 통해 전도되는 시간적 차이 때문인 것으로

판단된다. 화재의 직접적인 원인으로 볼 수 있는 전기적 발

열량인 단락에너지는 최소 277 J 및 최대 9,682 J로 계산되는데 이는 Table 1에 나타낸 것과 같이 분진

등이 발화에 이를 수 있는 최소 발화 에너지의 크

기를 고려할 경우, 대단히 큰 에너지로 옥내배선에

서 단락이 발생되면 절연피복이나 주변 가연물에

착화되면서 충분히 화재로 이어질 수 있을 것으로

판단된다.

Table 1. Minimum ignition energy of dust

Kind of dust Ignition point [oC] minimum ignition energy [mJ]

polyethylene 410 10

nylon 500 20

aluminium 645 20

coal 610 30

natural rubber 350 50

4. 결 론

본 논문에서는 주거 공간에 설치되는 옥내배선의

길이에 따른 단락특성에 대하여 연구하였으며, 옥내배선에서 단락이 발생되는 경우, 충분히 화재로

이어질 수 있음을 확인하였다.옥내배선 길이를 3 m에서 30 m까지 변화시키면서

단락회로를 구성하는 경우, 옥내배선 길이에 따라

다음과 같은 특징을 나타내었다.1) 단락전류는 옥내배선의 임피던스에 의해 결

정되는데 본 연구의 실험결과에서 단락전류는 최소 200 A에서 최대 716 A까지 측정되었으며, 옥내배선 길이가 길어질수록 단락전류의 크기는 작게 나타

나는 경향을 보였다.

2) 분기용 차단기로 적용한 것은 15AF의 누전

차단기로 실험에 사용한 3개사 제품 중, A사와 B사의 차단기에서는 옥내배선 길이가 길어질수록 차

단 시간이 길어지는 경향을 나타내는데 이는 소형 누

전 차단기의 구동 접점이 열동식 구성으로 단락전

류에 의한 발열량이 전도되는 특성에 기인한 것으

로 판단된다.3) 단락에너지는 단락전류의 크기 및 누전차단

기의 차단 시간에 의해 결정되며, 실험 결과에서는

대체로 옥내배선 길이가 길어짐에 따라 큰 에너지

가 발생되는 것으로 평가되었다. 특히 단락에너지의 경우, 차단기 차단 시간에 의존성이 더 큰 것으로 판

단된다.특히, 분진의 최소점화에너지가 수십 mJ의 크기

에서 착화되는 점을 고려할 경우, 실험결과에서 얻

어진 단락에너지의 최소값인 277 J은 절연피복이나 주변 가연물을 통해 충분히 화재로 이어질 수 있을 것으로 생각된다.

참고문헌

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