2022년에 발행된 소방청 통계연보(1)에 의하면 2021년 발생된 화재는 36,267건이며, 인명피해는 사망 276명, 부상 1,854명, 재산피해는 10,991억 원으로 조사되었다. KESCO에서 2022년에 발행한 전기재해통계분석(2)을 보면 전기화재로 사망 42명, 부상 264명, 재산피해는 약 6,026억 원으로 분석되었다. 전기화재를 전년도와 비교하면 인명피해는 73명이 감소하였으나 재산피해는 약 4,829억 원 증가한 것으로 보아 재산피해는 증가하는 패턴을 나타낸다. 전기설비별 전기화재의 분석에서 전체의 70% 이상이 1,500 V 이하의 저압용 전기설비인 것으로 분석되었다. 전기재해(3)는 생명체에서 발생되는 감전사고, 전기에너지를 사용하는 기기에서 발생되는 전기화재, 설비의 사용 중에 발생하는 전기설비 사고 등으로 구분된다. 전기화재의 발생 요인은 누설전류(electric leakage, IG), 단락, 과부하, 접촉 불량, 리스트라이크(4,5) 등이 있다. 전선로에서 발생되는 누설전류는 모든 사고의 메커니즘에 필연적으로 포함되는 요소이다. 전기설비 및 기계기구를 사용함에 따라 기기는 열화(劣化)가 진행되며, 전기화재를 유발시키는 저항성분의 누설전류(resistive leakage, IGR)(6-8)는 점점 증가하고, 축열량이 커져 발화점에 도달하면 주변의 가연물을 착화시켜 화재는 확산된다. 정상 제품의 전선로에 흐르는 누설전류는 수 밀리암페어(mA) 이하로 전기재해의 발생 가능성은 거의 없다. 건축물에 설치하는 배선차단기(molded case circuit breake, MCCB)(9-11)는 과전류에 의한 전기설비 사고를 보호하기 위한 기기이며, 감전사고 및 전기화재를 예방하는 기능은 없다. 저압용 고감도형 누전차단기(residual current protective device, RCD)(12)는 전선로에 누설전류가 30 mA 이상 흐르면 회로를 0.03 s 이내에 분리하여 인체의 감전 사고를 예방하기 위해 설치하는 기기이므로 전기화재 예방 기능은 일부 있으나 전기화재를 유발시키는 IGR(6-8) 약 15 mA 근처에서는 작동하지 못하므로 전기화재의 예방 효과가 거의 없다. 즉, 전기화재를 유발시키는 IGR을 정확하게 공급하고, 검출 및 시험할 수 있는 시험장치를 개발하면 다양한 조건에서 시험 및 평가 등이 과학적으로 진행될 수 있다. 또한, 개발된 시험 제품의 신뢰성을 객관적으로 입증하기 위해서는 대기전력, 방열 환경, 소음 특성, 권선저항, 절연저항, 전압변동률, AC/DC 내전압시험 등이 관련 규정에 부합할 수 있어야 한다. 제품의 신뢰성 분석을 위한 failure modes effects and criticality analysis (FMECA)(13,14)는 개발된 제품의 위험성을 분석하는 방법으로 위험 순위, 사고 예상, 결함 수, 원인 분석 등이 주요 대상이다. 또한, FMECA는 설계의 부적합성, 잠재적 결함 등에 미치는 영향을 분석하는 기법이다. 제품의 치명도 분석(critically analysis, CA)은 고장 형태가 시스템에 주는 영향을 단계적으로 추정하는 것이며, FMEA와 CA를 합한 것이 FMECA로 시스템의 위험 인자에 대한 규명에 적용된다. 또한, 개발된 제품의 통계적 기법을 적용한 분석은 미니탭 프로그램(Minitab PGM)(15)을 일반적으로 이용하며, anderson darling (AD) 통계량은 실험 데이터가 특정 분포에 얼마나 적합한가를 평가한다. AD 값이 작을수록 해당 분포가 데이터에 더 적합하고, AD는 경험적 누적 분포 함수로 높은 값과 낮은 값 사이에서 정규 분포로부터 이탈을 해석하는 데 우수하다. 그리고 P값이 클수록 특정 분포를 따르며, P값이 0.05보다 작으면 귀무가설이 기각되어 일부 측정값은 유의성이 없다. 또한, 측정값이 일직선에 근사하면 정규 분포를 따르고 확률이 95% 정도를 유지하며, 신뢰구간(confidence interval, CI)은 구간 내의 모평균이 존재할 가능성이 상대적으로 높게 해석된다.

본 연구에서는 저압용 전기설비에 사용되는 누전차단기 및 전기화재예방시스템(electrical fire prevention systems, ETEC- DPS)의 안전성 및 신뢰성을 검증하기 위한 저항성분의 누설전류 시험장치(resistive leakage test devices, ETEC-IGR)을 개발하여 제품의 시험 및 평가에 적용하고자 한다. 또한, 개발된 ETEC-IGR의 신뢰성을 Minitab PGM으로 분석하여 제품의 안전성을 입증하는 데 있다.

Figure 1은 저압용 RCD 및 ETEC-DPS의 신뢰성을 평가하기 위한 ETEC-IGR의 회로도를 나타낸 것이다. 개발된 시험장치의 전원을 일정하게 공급하고, 주변 기기 등의 간섭 등에 의한 오동작을 배제하기 위해 반환부하법(loading-back method)을 적용하였다. 반환부하법은 전기설비 및 장치 등의 특성 해석에 주로 사용되는 기법이다. 상용 단상 2선식 전원을 공급하였고, 1차측과 2차측의 전압이 동일하도록 절연변압기(insulating transformer)를 적용함에 따라 시험이 진행될 때 발생될 수 있는 서지전압 및 회로 지락 등에 강인하도록 설계하였다. 시험장치의 배선차단기를 ON (켜짐)으로 전환함에 따라 입력 전압은 단상 2선식 교류 220 V, 주파수 60 Hz를 일정하게 공급될 수 있도록 설정하였다. 그리고 부하전류(IL)는 0 A에서 50 A까지 선형적으로 가변할 수 있도록 설계하였고, IG 및 IGR은 0.0 mA에서 30 mA까지 가변하여 공급할 수 있도록 회로를 구성하여 사용자의 편리성을 고려하였다.

개발된 제품의 검출 센서는 병렬 분기하여 오차의 발생이 없도록 회로를 구성하였고, 부하의 투입과 차단 등에서 발생되는 서지를 억제할 수 있도록 설계하였다. 그리고 각각의 값은 디지털 디스플레이를 이용하여 실시간 표시될 수 있고, 산업 현장에서 일반적으로 사용되는 누설전류 측정기 및 저항성분의 누설전류 측정기 등으로 시험장치의 상태를 측정할 수 있는 홀더(holder)를 구성하여 사용자의 편리성을 고려하였다.

Figure 2는 저압용 RCD 및 ETEC-DPS의 신뢰성을 평가하기 위한 ETEC-IGR의 실물 사진을 나타낸 것이다. Figure 2(a)는 개발된 제품의 상면도를 나타낸 실물 사진으로 크기는 62 cm × 42 cm × 77 cm이다. 제품의 상면에는 RCD 및 ETEC-DPS 등을 시험할 수 있는 테스트 존(test zone)이 구획되어 있다. 그리고 입력 전압, 1차 가변 전압, IG 및 IGR 등은 디지털 디스플레이로 실시간 그 값을 표시하여 사용자가 부하의 상태 및 시험 중에 가변하는 각각의 값들을 쉽게 인지할 수 있도록 하였다. Figure 2(b)는 개발된 ETEC-IGR의 전면도 내부를 나타낸 실물 사진이다. 내부의 하단에는 절연변압기와 제어용 변압기가 각각 설치되어 있으며, 상판의 하부에는 슬라이닥스, 디지털 디스플레이 등이 설치되어 있다. Figures 2(c) 및 2(d)는 개발된 ETEC-IGR 내부의 좌측면도와 우측면도를 각각 나타낸 실물 사진이다. 시스템 내부에서 발생된 열을 자연 방사시키기 위해서 공간을 여유롭게 구성하여 ETEC-IGR의 오동작 요소를 제거하였다.

Table 1은 저압용 RCD 및 ETEC-DPS의 신뢰성을 평가하기 위한 ETEC-IGR에 적용된 부품 리스트(bill of material, BOM)이다. 시험장치에 사용된 모든 부품은 KS 또는 동등 이상의 시험성적을 획득한 부품을 사용함에 따라 관련 규정을 준수하였으며, 제작된 시험장치의 안전성을 확보하였다.

Table 2는 개발된 ETEC-IGR 및 ETEC-DPS의 대기전력을 측정한 데이터이다. 입력 전압은 단상 220 V, 60 Hz에서 배선차단기의 작동손잡이는 ON 상태, IGR은 19 mA를 일정하게 공급한 상태에서 대기전력을 측정하였다. 개발된 제품의 대기전력 측정은 대기전력측정기(standby power tester, HPM-100A, AD Power Co., Korea)를 사용하였다. 개발된 ETEC-IGR 및 ETEC-DPS의 대기모드(standby mode)에서 측정을 진행하였으며, 각각의 단계는 일정한 시간을 유지하고 30회 반복 측정하였다. 개발된 ETEC-IGR과 ETEC-DPS가 연결된 상태의 대기전력을 측정하여 계산한 산술 평균은 98.43 W로 확인되었다. 그리고 개발된 ETEC-IGR을 단독으로 연결하고 대기전력을 측정한 산술 평균은 97.59 W로 분석되었다. 또한, ETEC-DPS의 대기전력은 평균 0.84 W로 해석되어 관련 규정(16)의 1 W보다 낮은 것으로 평가되어 개발된 제품의 특성이 적합한 것으로 확인되었다.

Figure 3은 개발된 ETEC-IGR의 소음 특성을 측정하는 실물 사진이다. 생활 소음 규제기준의 범위에서 일반 건축물 및 학교에서의 범위는 50 dB 이하로 유지할 것을 요구하고 있으며, 이 값은 관련 법의 범위에서 가장 엄격한 기준이다. 개발된 시험장치의 소음을 소음측정기(sound level meter, center-390, Center Technology Co., Korea)로 측정한 결과 전원을 OFF 했을 때 42.2 dB로 측정되었으며, 전원을 ON 했을 때 42.5 dB로 측정되어 관련 규정에 부합하는 것을 알 수 있다.

Figure 4는 개발된 ETEC-IGR의 권선저항을 측정한 실물 사진이다. 시험장치에 사용된 배선 및 기구 등의 저항이 크면 회로의 시험장치의 연속 정격의 문제를 유발시켜 제품의 신뢰성을 저하시킨다. 따라서 저항 측정에 사용한 저항측정기(resistance meter, 3541, 0~1000 V, Hioki Co., Japan)는 4단자법을 적용하여 오차를 배제하였으며, 전원측의 권선저항을 측정하여 나타낸 것이 Figure 4(a)이며, 0.0759 Ω이다. 그리고 Figure 4(b)는 부하측의 권선저항을 나타낸 것으로 0.0690 Ω으로 측정되어 전원측과 부하측의 권선저항은 적절한 것으로 해석된다.

Figure 5는 개발된 ETEC-IGR의 절연저항을 측정한 실물 사진이다. 시험장치에 사용된 절연재료의 특성을 해석하기 위한 것으로 관련 전기설비규정의 절연 성능은 전로의 사용전압 구분으로 분류하여 제시하고 있다. 개발된 시험장치는 단상 AC 220 V, 60 Hz를 사용하므로 대지전압이 150 V를 초과하고 300 V 이하인 경우에 해당한다. 그러므로 전기설비규정에서는 절연저항을 0.2 MΩ 이상, 소방전기설비의 규정에서는 20 MΩ 이상이면 적합으로 판정한다. 개발된 시험장치의 절연저항 측정은 절연저항측정기(insulation resistance tester; digital MΩ hitester, 3453, Hioki Co., Japan)을 사용하였다. Figure 5(a)는 전원선의 + 단자와 접지측 단자 사이의 절연저항을 측정한 것으로 ∞ MΩ을 나타냈다. 그리고 Figure 5(b)는 전원선의 - 단자 사이와 접지측 단자의 절연저항을 측정한 것으로 ∞ MΩ을 나타냈으며, 모두 적합한 것으로 판단된다.

Figure 6은 개발된 ETEC-IGR의 전압변동률을 측정한 실물 사진이다. 시험장치에 절연변압기의 특성을 해석하기 위한 것으로 전기설비규정에서는 220 ± 13 V 이하를 요구하고 있으며, 전압 측정은 전압측정기(voltage tester, 6-1/2 digit presision multimeter, 8845A, Fluke Co., Japan)를 사용하였다. Figure 6(a)는 1차측의 단자전압을 측정한 실물 사진으로 AC 220.5 V를 나타냈으며, Figure 6(b)는 2차측을 단자전압을 측정한 것으로 AC 217.9 V로 확인되었다. 즉, 1차측과 2차측의 전압 차이는 2.6 V로 해석되었으며 관련 규정에 부합하는 것으로 판단된다.

Figure 7은 개발된 시험장치의 AC/DC 내전압시험을 실시한 것을 나타낸 것이다. 기기의 내전압시험은 예상하지 못한 외란 및 서지 등에 대한 기기의 내성을 검증하기 위한 방법이다. 일반적으로 AC/DC 내전압시험은 5 kV 또는 6 kV를 60 s 동안 러닝(running)하여 견디면 적합으로 판정한다. 개발된 제품 역시 동일한 조건에서 시험이 진행되었으며, 모두 적합한 것으로 확인되었다. 내전압측정기(AC/DC withstanding voltage, TOS 9201, Kikusui Electronics Co., Japan)는 AC/DC 기능이 있는 제품이며, AC는 0~6 kV, DC는 0~5 kV 동시에 측정할 수 있다. 또한, 내전압 인가 시간은 60 s 동안 러닝할 수 있고, 반복적으로 인가도 가능한 기기이다. 내전압 실험이 진행될 때의 실험실의 온도는 20~22 °C, 상대 습도는 40~60%를 동일하게 유지하였다. Figure 7(a)는 AC 내전압시험이 진행될 때의 실물 사진으로 전원측과 접지측 사이에 각각 5 kV 및 6 kV의 내전압을 인가하였을 때 내성이 있는 것을 확인하였다. Figure 7(b)는 개발된 시험장치의 DC 내전압시험이 진행될 때의 실물 사진이며, 부하측과 접지측 사이에 각각 5 kV 및 6 kV의 내전압에 내성이 있을 것이 확인되었다.

Figure 8은 개발된 ETEC-IGR 및 ETEC-DPS의 정규성 검증을 위해 Minitab PGM을 적용하여 분석한 정규 분포 곡선을 나타낸 것이다. Figure 8(a)는 개발된 ETEC-IGR & ETEC-DPS의 정규 분포를 나타낸 것으로 평균은 98.43 W로 분석되었고, 표준편차는 0.2136으로 해석되었다. 또한, AD는 0.688로 해석되었으며, P값이 0.05보다 큰 0.065로 분석되어 데이터의 유의성이 있음을 알 수 있다. Figure 8(b)는 개발된 ETEC-IGR의 정규 분포를 나타낸 것으로 평균은 97.59 W로 분석되었고, 표준편차는 0.3209으로 해석되었다. 또한, AD는 0.520로 해석되었으며, P값이 0.05보다 큰 0.171로 분석되어 데이터의 유의성이 있음을 알 수 있다. Figure 8(c)는 개발된 ETEC-DPS (Type A)의 정규 분포를 나타낸 것으로 평균은 0.84 W로 분석되었고, 표준편차는 0.3180으로 해석되었다. 또한, AD는 0.196로 해석되었으며, P값이 0.05보다 큰 0.881로 분석되어 데이터의 유의성이 있음을 알 수 있다.

Figure 9는 개발된 ETEC-IGR 및 ETEC-DPS의 두 변수의 관계 평가를 나타낸 곡선이다. 개발된 제품의 대기전력에 대한 두 변수와의 관계를 평가하기 위해 산점도와 행렬 도시기법을 이용하였다. 3개 함수의 상호 연관성을 도시하였고, 각각의 데이터 경향을 분석한 결과 97 W에서 98 W 사이를 고르게 분포하는 것을 알 수 있다. 즉, 측정된 데이터는 신뢰성이 있는 것으로 판단되며, 오차 역시 관련 규정(16) 1 W 이하인 것으로 분석된다.

Figure 10은 개발된 ETEC-IGR 및 ETEC-DPS의 Box plot를 나타낸 곡선이다. ETEC-IGR & ETEC-DPS 대 ETEC-IGR의 Box plot을 비교한 것으로 평균에 대한 95% 신뢰구간에서 신뢰성을 확보하는 것으로 해석되었다. 즉, 개발된 제품의 측정값 상호 간의 평균 차이가 “0”인지 여부를 검증하여 측정값의 편중 여부에 대한 정확성을 확인하였고, 평균 범위 이내로 판정되었으며, 측정값은 적합으로 판단된다.

Figure 11은 개발된 저항성분의 누설전류 시험장치 및 ETEC- DPS의 Histogram을 나타낸 곡선이다. 즉, 개발된 ETEC-IGR & ETEC-DPS 대 ETEC-IGR은 95% 신뢰구간에서 신뢰성을 확보하였고, ETEC-DPS의 평균 대기전력은 약 0.84 W로 분석되어 전기기기의 규정(16)에 부합하는 것을 알 수 있다.

저압용 전기설비에 사용되는 누전경보차단기(RCD) 및 전기화재예방시스템(ETEC-DPS)의 안전성 및 신뢰성을 검증하기 위한 ETEC-IGR의 회로도 설계 및 장치를 제작하였다. 그리고 개발된 제품의 특성을 해석하고, 신뢰성은 Minitab PGM으로 검증하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

이상의 결과에서 알 수 있듯이 개발된 ETEC-IGR의 자체 시험 및 신뢰성 평가는 적합한 것을 알 수 있으며, RCD 및 ETEC-DPS 등의 시험 및 평가를 위한 기기로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.