한국화재보험협회 웹진 59호

글 최기옥KFPA 화재조사센터 과장

1. 머리말

3상 4선식 배전방식은 하나의 전력계통으로 단상 부하와 3상 부하를 동시에 사용할 수 있는 장점이 있으나, 중성선이 단선되거나 중성선의 접속부가 이탈(이하 중성선의 단선과 중성선 접속부의 이탈을 "중성선 단선" 이라 통칭함)되는 경우 그 계통에 불안정한 전압이 공급될 수 있다. 중성선이 단선될 경우 중성선과 결합된 단상 부하에는 접속된 부하의 임피던스 크기에 따라 심한 불평형 전압이 인가될 수 있으며, 만약 부하기기에 정격전압 이상의 과전압이 인가되는 경우 부하기기 내부 소자의 열화, 코일 또는 전선의 절연파괴등에 의해 화재가 발생될 수 있다1). 저압 전력계통에서 중성선 단선의 원인은 여러 가지가 있으며, 그 원인으로는 분전반 또는 배전반 차단기의 단자와 중성선의 버스바(Bus Bar) 사이의 체결이 불량하거나 체결된 부분이 미세한 진동에 의해 풀리는 경우 등이다.

2. 발화위험

우리나라는 3상의 전력선(R상 전력선, S상 전력선, T상 전력선)과 공통선인 중성선(N선)이 설치된 3상 4선식 다중접지방식의 배전계통을 채택하고 있다. 이와 같은 배전계통은 뇌서지, 개폐서지 등의 과도이상전압이 발생되는 경우 부하설비에 큰 피해를 발생시킬 수 있기 때문에 특고압 배전계통에서의 과도이상전압에 대한 다양한 보호설비가 채택되고 있다. 옥내 저압배전계통에서는 과전류와 누전사고에 따라 발생되는 재해를 예방하기 위하여 배선용차단기와 누전차단기를 설치하고 있지만 중성선의 부식, 접속부 체결불량 등에 의해 발생되는 중성선 단선사고 시 부하기기에 불평형 전압이 인가되는 상황에 따른 대비책은 미비한 실정이다. 부하기기에 비정상적인 과전압이 인가되는 상황 및 원인은 여러 가지가 있을 수 있으나, 아래의 4가지 경우가 그 대표적인 예라고 할 수 있다.

가. 사고로 인해 중성선이 단선되는 경우
나. 분전반 주차단기의 단자와 중성선 버스바(Bus Bar)의 체결이 이탈되는 경우
다. 중성선이 부식 또는 찍힘 등으로 인해 끊어지는 경우
라. 분전반의 점검 또는 보수작업 시 중성선 버스바(Bus Bar)가 견고히 체결되지 않은 경우

3. 실험

가. 실험장치

1) 직경 0.65 mm의 K-Type 열전대(KS C 1602)
2) PC Recorder(MSR128, MSYSTEM, Japan), 7개 채널 사용(샘플링 시간; 1초)
3) 캠코더(SONY HDR-CX560) 및 카메라(NIKON D90)

나. 실험방법

3상 4선식 분전반의 전력선(R상 전력선, S상 전력선, T상 전력선)과 중성선(N선)에 리튬이온배터리(이하 "주 부하기기"라 칭함) 및 그 충전장치와 전압분배용 부하기기(이하 “보조 부하기기”라 칭함)가 설치된 상태에서 분전반의 주차단기 단자와 중성선(N선) 버스바(Bus Bar) 사이의 체결이 풀려 접점이 이탈되는 상황 (중성선이 단선된 상황)을 가정하여 <표 1>과 같이 실험을 실시하였다. 이 실험에서 주 부하기기에 리튬이온배터리 및 충전장치를 사용하였으며, 보조 부하기기에는 백열전구를 사용하였다. 부하기기의 정상적인 사용 중 중성선(N선)의 버스바(Bus Bar)가 차단기 단자대에서 이탈되었을 때 주 부하기기와 보조 부하기기에 380V의 전압이 분압되는 과정에서 주 부하기기에 정격전압 이상의 과전압이 인가될 때 주 부하기기에서 발생되는 발열특성을 확인하였다.

<표 1> 실험조건

[그림 1] 보조 부하기기의 설치상황

[그림 2] 분전반의 상황

다. 실험방법 및 결과

1) 정상작동실험

가) 실험방법

리튬이온배터리에 충전대 및 어댑터를 연결하고, 정격전압을 인가시킨 상태에서 리튬이온배터리, 충전대 및 어댑터의 발열특성을 분석하였다. 리튬이온배터리 및 부속기기에서 발열되는 주요부분의 온도를 측정하기 위해 K-Type 열전대(직경 0.65 mm)를 [그림 3]과 [그림 4]와 같이 리튬이온배터리의 상부 및 하부, 충전대의 하부 그리고 어댑터 측면에 설치하여 실험을 실시하였으며, 실험 중 시간에 따른 온도변화를 측정하였다. 실험에 사용된 리튬이온배터리는 3.7VDC 2,600mAh, 어댑터는 충전전류 1.5A의 것을 사용하였다.

[그림 3] 열전대의 설치상황

[그림 4] 리튬이온배터리의 충전상황

나) 실험결과

리튬이온배터리에 충전대와 어댑터를 연결하여 정격전압 220V가 인가되는 정상운전 시 리튬이온배터리, 충전대 및 어댑터의 발열특성을 분석하였다. <표 2>와 [그림 5]는 정상운전 시 배터리 상부, 배터리 하부, 충전대 하부 및 어댑터 측면의 발열특성을 나타내고 있다. 정격전압이 인가되는 상황에서 어댑터 측면의 온도가 약 24℃로 가장 높게 나타났으며, 충전대의 하부는 약 18℃, 배터리의 상부 및 하부는 약 15℃로 측정되었다.

[그림 5] 정상상태의 리튬이온배터리 충전 시 발열특성

<표 2> 정상운전 시 발열특성

2) 중성선(N선) 단선운전 실험(보조 부하기기: 백열전구 100W × 1EA)

가) 실험방법

본 실험은 분전반에서 분기한 2개의 회로에 주 부하기기로 리튬이온배터리를 사용하고, 보조 부하기기로 백열전구 100W × 1EA를 설치한 상태에서 분전반의 주차단기와 중선선(N선)의 버스바(Bus Bar)가 이탈된 상태에서 실시하였다. 이러한 리튬이온배터리와 백열전구에 380V의 전압이 분배되는 상황에서 배터리의 전면과 후면, 충전대의 후면 그리고 어댑터의 측면의 온도를 측정하였다. [그림 6]은 리튬이온배터리의 충전상황을 나타낸 것이고, [그림 7]은 백열전구 100W × 1EA의 설치상황을 나타낸 것이다.

[그림 6] 리튬이온배터리의 충전상황

[그림 7] 보조 부하기기의 설치상황
(□표지부분은 실험에 사용된 백열전구)

백열전구 100W × 1EA가 보조 부하기기로 설치된 상태에서 차단기 단자에서 중성선(N선)의 버스바(Bus Bar)가 이탈 시 리튬이온배터리에서 나타나는 발열특성을 분석하였다. [그림 8~11]에서 보는 것과 같이 회로에 흐르는 전류는 0.63A, 리튬이온배터리에 인가되는 전압은 378.6V, 백열전구에 인가되는 전압은 10.71V로 측정되었다. [그림 14]에서 보는 것과 같이 실험시작 약 17분 지난 시점에서 어댑터의 우측면이 착화되었고, 약 25분 지난 시점에서 자연 소화되었으며, 약 32분 지난 시점에서 재 착화되었다. [그림 12]는 어댑터의 착화상황을 나타낸 것이고, [그림 13]은 어댑터와 전기콘센트의 연소상황을 나타낸 것이다. 어댑터는 내부 소자와 면한 부분의 외함이 최초 착화되었으며, 어댑터의 하부에서 상부로 연소가 확대된 형상과 어댑터의 연소형태로 볼 때 어댑터는 정격전압 이상의 과전압 인가에 따라 내부의 커패시터가 열화되고 내부 분리막의 절연이 파괴되는 과정에서 착화된 것으로 보인다.