Editorial Board

Figs. 1, 2와 같이 몸체의 부피는 32.425 L이고, W는 297 mm이며, H는 397 mm이고, D는 275 mm이다.

Fig. 1. 
Image of the test device.

Fig. 2. 
Schematic diagram of a test device.

몸체는 SUS 재질의 금속함이고, 측면에는 시험가스를 주입하기 위한 가스주입구가 형성되며, 다른 측면에는 환기를 위한 환풍수단이 설치되고, 내부에 감지대상을 감지하기 위한 가스센서가 설치된다.

가스센서는 기체 중에 포함된 특정 성분의 가스를 감지하여 그 농도에 따라 적당한 전기신호로 변환하는 소자이다. 가스센서는 동작방식에 따라 전기화학시, 접촉연소식, 반도체식 및 광이온화식의 센서로 구분된다[7-13].

시험장치에 실제로 설치된 가스센서는 전기화학식으로 동작하는 가스센서이다. 또한 가스센서는 저농도 가스의 감지 특성이 우수한 저농도 가스센서와 고농도 가스의 감지 특성이 우수한 고농도 가스센서로 구성된다.

Figs. 1, 2와 같이 가열수단은 열을 발생하는 수단으로서 도체부와 연결된다. 도체부는 수평 도체부와 수직 도체부를 포함한다. 수평 도체부는 샘플과의 결합을 제공한다. 수직 도체부는 일단이 가열수단과 연결되고, 타단이 수평 도체부와 연결되며, 가열수단의 열을 수평 도체부로 전달한다.

본 논문에서는 수직 도체부를 통하여 바닥과의 이격거리를 제공하여 샘플이 바닥에 닿지 않도록 할 수 있고, 샘플이 바닥에 닿지 않아 샘플의 열손실을 예방할 수 있으며, 사용자가 쉽게 샘플을 수평 도체부에 결합시킬 수 있다.

또한 본 논문에서는 수평 도체부를 통하여 전기시설의 도체의 접촉불량에 관한 재현 환경을 제공할 수 있고, 둘레로 샘플의 가열 면적을 높여 샘플의 화재징후 발생시기에 대응하는 실효적인 가열온도를 알아낼 수 있으며, 신뢰성이 있는 실험데이터를 확보할 수 있다.

또한 본 논문에서는 가열수단의 온도를 제어하여 전기화재 이전 단계에서 샘플의 화재징후를 발생시킴으로써, 가스센서의 감지특성을 분석할 수 있고, 절연물의 열화에 의해 발생하는 가스중에서 화재징후와 관련된 표적가스를 알아낼 수 있다.

전기시설 중 하나인 배전반은 Fig. 3과 같이 주 차단기가 설치된 메인 배전반과 부하를 위한 부하 배전반 등 복수의 외함을 포함할 수 있고, 통상적으로 최대 5면을 포함할 수 있다.

Fig. 3. 
Monitoring unit and sensor unit installed on the switchboard.

종래에는 각각의 외함별로 화재징후를 감시하기 위해 외함별로 센서유닛을 설치할 수 있고, 메인 배전반에 복수의 센서유닛과 통신이 가능한 모니터링유닛을 설치할 수 있다.

그러나 종래의 시험장치는 모니터링유닛에 대한 인증시험을 미제공하고, 단일의 센서유닛에 대한 인증시험만 제공하는 문제점이 있다.

즉, 배전반의 5면 등 하나의 세트에 대한 시험 및 센서유닛의 감지값에 대응하는 모니터링정보를 출력하는지 모니터링유닛에 대한 시험을 함께 제공할 수 있는 구조적 특징으로 고려한 시험장치가 필요하다.

따라서, Figs. 1, 2와 같이 본 논문에서 제안하는 장착수단은 시험장치의 내부에 형성된 제1 거치수단 및 시험장치의 외부에 형성된 제2 거치수단을 포함한다. 제1 거치수단은 1세트로 구성된 5개의 센서유닛을 거치시킨다. 제2 거치수단은 모니터링 유닛을 거치시킨다.

제1 거치수단과 제2 거치수단은 단순히 거치의 기능만 있는 것이 아니라, 센서유닛과 모니터링유닛을 공간적으로 분리시키는 기능이 있고, 공간적 분리를 통하여 센서유닛과 모니터링유닛의 성능을 함께 시험할 수 있다.

1개 세트에 포함된 5개의 센서유닛들은 동일한 성능올 동작되어야 하므로, 시험장치는 5개의 센서유닛들이 동일한 수준의 자극을 감지하는지 센서유닛의 성능 시험을 제공하고, 5개 센서유닛의 감지값에 대응하는 모니터링정보가 출력하는지 모니터링유닛의 성능 시험을 제공한다. 따라서 시험장치는 감시구역에 설치 가능한 모든 유닛들을 시험하여 성능시험의 비용이나 시간을 절약할 수 있다.

가스주입수단은 챔버의 측면에 형성되고, 주사기를 통하여 내부에 시험가스를 주입하는 기능이 있으며, 센서유닛의 성능을 시험하기 위해 활용된다. 예를 들어 주사기를 통하여 주입된 시험가스의 농도값은 알고있는 값과 센서유닛에서 감지된 농도값을 비교하여 센서유닛의 성능을 시험할 수 있다.

본 저자는 제안하는 시험장치에 절연물의 불완전연소에서 완전연소까지 가열시킬 수 있는 가열수단 및 저농도와 고농도의 가스센서가 구비되어 전기화재 이전에 발생하는 화학물질을 연구할 수 있었다.

가스센서를 저농도 가스센서와 고농도 가스센서로 구성한 이유는, 표출재와 절연물에서 발생하는 가스를 감지하기 위해서이고, 또한 전기화재 이전에 발생하는 가스 등 화학물질을 감지하기 위해서이다.

표출재는 난연성이 있는 절연물보다 융점이 낮기 때문에, 절연물보다 먼저 화재징후를 표출할 수 있는 물질이다. 또한 표출재는 전기시설에 주로 차지하는 절연물보다 양이 적기 때문에 열분해시 저농도 가스센서에 의해 감지될 수 있다. 반대로 절연물에서 다량을 발생하는 가스는 고농도 가스센서에 의해 감지될 수 있다.

표출재에 대한 자세한 설명은 이번 논문지에 함께 게재되는 ‘화재징후 조기표출과 복합검사를 위한 표출재 설계, 제작 및 성능 평가’에 관한 논문을 참조하기로 한다.

참고로 가스센서를 저농도 가스센서와 고농도 가스센서로 구성한 것도 시험장치를 통한 센서 연구의 결과물이다.

Fig. 4와 같이 본 연구에서는 시험장치를 통하여 온도와 시간에 따른 표출재 및 절연물의 발생 가스를 분석하여 단계별로 화재징후 수준을 판별하는 알고리즘을 개발할 수 있었고, 알고리즘이 적용된 모니터링유닛을 개발할 수 있었다. 센서유닛은 감지대상에서 발생하는 가스를 감지하고, 모니터링유닛은 가스감지값을 분석하여 단계별로 화재징후 수준을 판별하여 일정 수준 이상이면 알람을 발생한다.

Fig. 4. 
Method for predicting fire sign.

참고로 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 센서유닛과 모니터링유닛이 분리된 분리형을 감시장치를 개발하였고, Fig. 4와 같이 센서유닛과 모니터링 유닛이 함께 형성된 일체형의 감시장치를 개발하였으므로, 전기시설의 환경에 대응하여 감시장치를 적용할 수 있다.

본 연구에서는 시험장치를 통하여 절연물을 통한 성능 검사 및 시험가스 주입을 통한 성능 검사를 적용할 수 있다.

절연물을 통한 성능검사는 절연물 열화시 발생하는 가스를 센서유닛에서 감지하는 검사이다.

시험가스 주입을 통한 성능 검사는 시험장치의 내부에 설정된 시험가스를 주입하고, 가스주입량과 센서데이터를 비교하여 센서유닛의 성능을 검사하는 시험이다.

2가지의 성능검사 방식은 배전반의 5면 등 하나의 세트에 대한 시험 및 센서유닛의 감지값에 대응하는 모니터링정보를 출력하는지 모니터링유닛에 대한 시험을 함께 제공할 수 있다.

본 실험은 시험가스를 주입하거나 절연물을 연소시키는 방식으로 진행될 수 있고, 중복된 내용을 배제하기 위한 시험가스주입을 통한 성능검사에 대해서만 설명하기로 한다.

감시장치는 시험가스를 감지하고, 시험가스의 농도와 설정된 기준농도범위를 비교하여 화재징후의 수준을 판별하며, 판별결과는 LED와 디스플레이롤 통하여 표시한다.

시험 및 측정을 위한 표준 대기 조건은 KS C IEC 60068-1을 따른다. 여기서 온도는 15~35℃이고, 상대습도는 25~75%R.H.이다.

참고로 연구 초기에 Fig. 5와 같이 일체형 감시장치를 위한 시험장치를 제작하였고, 최근에 Fig. 2와 같이 일체형과 분리형의 감시장치를 위한 시험장치를 제작하였다.

Fig. 5. 
Experimental environment.

표출재와 절연체는 방향족 화합물을 포함하고, 열분해시 톨루엔이나 벤젠과 같은 가스를 발생한다. 따라서 본 실험에서는 톨루엔 가스를 시험가스로 한다. 톨루엔 가스의 제조사는 리가스이고, 농도는 3,013 um/mol이다.

본 연구에서는 Fig. 5와 같이 가스특성 시험장치의 내부를 clean air로 조성하기 위하여 clean air 가스를 사용한다. clean air 가스의 제조사는 MS가스이고, 성분은 산소 21.16%(mole fraction)과 질소 밸런스로 구성된다.

Fig. 6과 같이 시험장치에 전원을 연결하고 챔버내에서 23시간 이상 숙성한다. 가스주입구를 통해 Clean air를 3psi압력으로 30분간 투입하여 챔버내 공기를 안정화(습도 30%RH미만) 시킨다.

Fig. 6. 
(a) Process of injecting clean air at 3 psi pressure, (b) process of injecting toluene gas, (c) Process of checking warning lamp illumination.

Clean air주입을 중지하고 5분 경과 후, 가스 주입구를 통해 각 단계별 소정의 톨루엔 가스를 시험용 주사기를 이용하여 투입하여 설정농도를 만든 후 5분간 챔버내 농도를 안정화 시킨다.

화재징후 감시장치의 LED화면 및 경고등 램프 점등을 확인한 후, 각 단계별로 가스 주입량을 달리하여 아래의 시험 방법으로 각 1회 시험을 진행한다.

시험 후 몸체의 문을 개방한 경우, 혼합가스(산소, 질소)를 3psi 압력으로 30분간 투입하여 몸체 내 공기를 순화하여 잔류톨루엔을 배출시킨다.

시험 중 챔버의 문을 개방한 경우, Clean air를 3psi압력으로 30분간 투입하여 안정화 시킨다. 각 단계별 소정의 톨루엔 가스주입 5분 후 기기의 LED 램프의 점등을 확인한다.

챔버내 주입된 톨루엔 가스의 (누적)농도 계산식은 수식 (1) 및 (2)와 같고, 시험가스의 주입량에 관한 순서는 Table 1과 같다.