2.1 KS C IEC 60884-1에 의한 반복시험

본 실험은 정격용량 16 A, 250 V, 5구 이동형 멀티콘센트 4개 제품군을 선정하였고 반복시험 장비는 PTL Dr. Grabenhorst GmbH (N03.45)사의 개폐시험기와 F 56.71 타입의 플러그 지그를 사용하였다. 반복시험은 KS C IEC 60884-1 정상동작 시험기준에 따른 정격전압 250 V, 정격전류 16 A 역률 0.8 조건으로 인가한 후 플러그를 멀티콘센트에 삽입하고 빼는 반복동작을 분당 30스트로크 속도로 5,000회 수행하였다. 반복시험을 통하여 시험 전후의 멀티콘센트의 칼받이 직경과 절연물 표면 등 변화를 분석하였다. 칼받이 직경측정은 Mitutoyo (CD-20AX)사의 버니어 캘리퍼스를 사용하였으며, 표면분석은 3D입체 분석을 위해 KEYENCE (VHX7000)사의 디지털 마이크로스코프를 사용하였다. Figure 1은 반복시험을 위해서 선정된 4개 제품이며 Figure 2는 반복시험을 위해 개폐시험기와 플러그 지그에 설치되는 멀티콘센트를 나타낸 것이다.

Figure 1

Multi-outlet for experiment.

Figure 2

Experimental set-up for cyclic test.

2.2 멀티콘센트 열적특성 및 전기적 신호 분석

정상 멀티콘센트와 구조적 결함이 있는 멀티콘센트의 열적특성과 전기적 신호분석을 위해 KS C IEC 60884-1에 의한 반복시험을 한 멀티콘센트 4종과 정상 멀티콘센트 4종을 준비하였다. 멀티콘센트에 허용전류값인 16 A 이하 단계별로 전류 5, 10, 13, 16 A를 인가하였으며, 인가시간은 온도가 상승하다 더 이상 오르지 않는 포화시간인 3 min씩 측정하였으며 실험데이터의 정확도 향상을 위하여 동일 전류별 5회씩 실험하여 평균데이터를 도출하였다.

온도측정은 열화상카메라 FLIR (T1040) 분석프로그램 FLIR TOOL⁺을 사용하였으며, 멀티콘센트의 메인스위치와 플러그 삽입부 2개소의 최대온도를 측정할 수 있도록 설정하였다. 전류인가는 교류부하 뱅크(0～40 A)를 사용하였으며, 전기적 신호 분석을 위하여 HIOKI 3283을 사용하였고, 멀티콘센트에서 발생되는 전류 데이터를 수집하고 pc로 보내주는 역할을 하는 데이터 수집장치(DAQ)는 디지털 분해능이 높은 NI-9215 (16 bit, 3 V × 1, 15 mVA, ±10 V)를 선정하였다. NI-9215는 4개의 차동 아날로그 입력채널, 인스트루먼트 증폭기, usb-9162 등으로 이뤄지며 4개의 차동 아날로그 입력 채널을 연결하여 감지되는 과전류 및 이상전류의 동시 샘플링이 가능하다. 수집된 신호를 분석하기 위한 소프트웨어는 LabVIEW를 활용하였으며, 전류값(순시값, root mean square , RMS)과 FFT⋅total harmonics distortion (THD)를 비교 분석하였다. total harmonics distortion (THD) 분석은 푸리에(fourier) 분석을 통해, 전류 파형은 dc 성분과 다양한 크기와 위상을 갖는 사인파(sine wave)의 합으로 표현될 수 있다. 어떤 주기적인 전류 파형 I(t)는 dc 성분 I0와 기본주파수를 갖는 사인파의 합 형태로 식(1)과 같이 표현할 수 있다.

이러한 개별적 사인 파형은 기본주파수의 정수배가 되고 이를 고조파(harmonics)라 불리우며, 고조파 차수는 기본파의 정수배로 정의된다. n 차수별 고조파 성분의 RMS값이 In 일때, 전류파형의 RMS는 식(2)와 같이 구할 수 있다

THD는 총 고조파율로서 기본파 성분과 그 외 파형간의 모양의 근접도를 나타내는 지표이며 이들값들은 기본파 성분에 대한 퍼센트(%)비율로 표현된다.

I1은 기본파 성분이며 In은 n차 성분을 의미한다. 전류의 THD는 미국의 IEEE 519를 기초로 한다(7). Figure 3은 실험장치 및 구성을 나타낸다.

Figure 3

Experimental set-up for analysis of electrical signal.

3.1 KS C IEC 60884-1에 의한 반복시험 결과

이동형 멀티콘센트 4개 제품에 250 V, 16 A를 인가한 플러그를 5,000회 삽입과 빼는 동작을 반복한 시험결과, 평균 2,000회에서 아크(arc)가 관찰되었고 평균 3,500회에서 멀티콘센트와 플러그에서 탄화를 확인할 수 있었다. 평균 5,000회 반복시험을 수행한 플러그 핀 중 1구에서는 국부적인 온도상승으로 인해 칼받이와 셔터의 탄화 및 절연물의 열변형이 발견되었다. 이는 반복 작동에 의한 피로(fatigue)에 기인하여 발생 된 것으로 판단된다. Figure 4는 2,000회 반복시험 후 멀티콘센트 내부에서 칼받이 및 플러그 지그 간에 아크(arc)가 관찰된 모습과 5,000회 반복시험 후 멀티콘센트 칼받이 절연물을 제거한 플러그 핀 셔터에서 국부적인 탄화가 관찰된 모습이다. Figure 5는 플러그 지그가 접속되는 멀티콘센트 칼받이 측 절연물 내부에서 축열에 의해 용융된 모습이고, 디지털 현미경을 통해 칼받이와 절연물의 3D 입체 분석결과 축열에 의해 용융된 칼받이 절연물은 정상 칼받이 절연물과 최대 약 11375.93 ㎛의 단차가 발견되었다.

Figure 4

Visual inspection result according to cyclic test.

Figure 5

Insulator change according to cyclic test.

KS C 8305:2016 (배선용 꽂음 접속기)에 따른 기준항목(5.5 칼 및 칼받이 구멍의 모양 및 치수) 중 16 A 250 V 2극 플러그 칼의 치수는 4.8 ± 0.06 mm, 칼받이의 치수는 4.3～5.1 mm 이내이다. 4개 제품 칼받이의 평균 직경은 시험 전 4.41 mm, 시험 후 5.03 mm로 측정되었고, 평균 직경이 약 0.62 mm 증가되었다. 또한 KS C 8305:2016 (배선용 꽂음 접속기) 기준항목(5.5 칼받이 구멍의 모양 및 치수)에 따른 A, B 제품의 칼받이는 기준 수치 내에 해당되었으나, C, D 제품은 기준을 초과하는 수치를 나타내었다. 반복시험에 의해 칼받이 직경의 증가가 발생하여 플러그 핀의 접촉불량이 발생한 것으로 판단되며 아크 및 국부적인 발열에 의해 절연물이 용융된 현상을 확인하였다. Figure 6은 멀티콘센트 4개 제품의 반복시험 전후 플러그 칼받이 직경의 변화를 나타낸 것이다.

Figure 6

Comparison of hole diameter according to cyclic test.

3.2 정상상태 및 구조적 결함상태 분석

정상상태와 구조적 결함상태에 대한 열적특성과 전기적 신호를 분석하였다. 온도측정은 측정지점을 B1 (메인스위치부)과 B2 (플러그부)로 구분하여 각각에서 발생되는 열적특성을 분석하였다. 전기적 신호는 전류값을 분석하였으며, 시간영역에서의 파형패턴과 순시값을 분석하였고, 주파수영역에서는 THD [%]를 분석하였다. 정상상태의 경우 5, 10, 13, 16 A 전류 인가후 약 30 s 이내에 급격한 온도상승이 나타났으며, 90～100 s 구간에서 온도가 더이상 증가하지 않는 포화 시간구간에 진입하는 것을 확인하였다. 또한 정상상태의 경우에는 메인스위치부 B1의 온도가 플러그 결속부 B2에 비해 높게 나타나는 것을 확인하였다. 정상상태에서의 열적특성 분석 결과 높은 온도상승을 보이며, 멀티콘센트의 정격 용량이 2,800 W임을 고려하여 구조적 결함상태에서는 13 A를 인가하여 열적특성을 분석하였다. 전기적 신호분석의 경우 전류값은 파형 패턴이 정상적인 정형파의 형태를 보였으며, THD의 경우 3～5%의 수치를 나타내는 등 정상적인 값들을 도출하였다. Figure 7(a)는 정상상태에서의 열적특성 분석 결과를 나타내며, Figure 7(b)는 전류값과 THD 값을 나타낸다.

Figure 7

Analysis of thermal characteristics and electrical signal of multi-oulet (regular).

구조적 결함 상태에서의 분석은 플러그 핀과 칼받이가 탄화되었음에도 일정부분 접촉되어 정상적인 통전이 되는 경우와 플러그 핀과 칼받이가 접속불량인 상태 2가지로 나누어 분석하였다. 첫 번째인 도체가 일정부분 붙어있는 경우 13 A 전류 인가 시 정상상태와 달리 B2의 온도가 B1에서보다 더 높게 측정되었으며, 인가 후 3 min 경과 시 B1에서는 81 °C, B2에서 120 °C로 플러그 접속부에서 열이 집중되는 것이 확인되며, 구조적 결함에 따른 불완전 접촉으로 국부적인 저항치의 증가로 인한 전기적 조건변화로 온도가 상승되는 것으로 분석된다.

전류값에 대한 시간 영역에서는 실효값이 감소하는 경향을 보였으나 의미있는 차이는 보이지 않았으며, 주파수 영역에서는 정상상태와 비슷한 값을 보였다. 도체가 손상되어 접속불량이 발생했을 경우에서도 전류값 인가 시 B2의 온도가 B1보다 더 높게 측정되었으며 특히 180 s가 경과된 시점에서 B1에서 98.1 °C, B2에서 199.2 °C로 일부 정상적으로 통전되는 경우보다 약 80 °C가 높은 것을 확인할 수 있었다. 또한 시간영역에서는 아크파형의 특징인 shoulder 현상이 발생함을 확인하였고(6), THD가 정상에 비해 높은 최대 14.9%가 측정되는 것을 확인하였다. 주파수 영역에서는 접속불량 상태에서 특정 주파수가 증가하는 것을 확인하였다(7).

Figures 8과 9는 구조적 결함 상태에서 도체가 일부 접촉되어 통전되는 경우와 도체가 접속불량 상태일 경우의 열적특성 및 전기적 신호분석 결과를 나타내고 있다. Figure 10은 정상상태, 구조적 결함상태에서 정상적인 통전이 되는 경우와 접속불량에서의 주파수 비교를 나타내고 있다.

Figure 8

Analysis of thermal characteristics and electrical signal of multi-outlet for 13 A (current pass).

Figure 9

Analysis of thermal characteristics and electrical signal of multi-oulet for 13 A (poor contact).

Figure 10

Analysis of frequency signal of multi-oulet for 13 A.