본 연구는 통계 분석을 기반으로 전기화재를 해석하여 화재의 위험도가 높은 전기설비 접속부의 직렬 아크 특성을 해석하였다. 직렬 아크방전의 접속 불량에 대한 전기화재 위험성을 검증하기 위해 IEC - 62606 및 UL - 1699의 규격을 응용하여 직렬 아크방전 발생 및 측정 시스템을 구성하였다. 구리(Cu) 평면 전극과 탄소(C) 평면 전극의 형태에 따른 발열량 및 방사 스펙트라 특성을 해석하였다. 또한 자외선 및 가시광선 대역의 스펙트럼 분석은 광센서를 이용하여 측정하였다. 그리고 실험이 완료된 후의 구리 및 탄소 전극의 표면, 단면 구조 및 조성분포 등을 분석하였다.
직렬 아크방전 장치는 고정자 전극과 가변자 전극을 배치하였고, 전극은 평면 형태로 제작하였다. 구리 평면 전극과 탄소 평면 전극의 직경은 각각 2.0[mm]이며, 전원 전압은 AC/DC 220[V]를 공급하였다. 저항 부하는 44[Ω] 또는 110[Ω]을 각각 연결하여 2[A] 또는 5[A]가 흐르도록 하였다. 모든 실험은 동일한 환경에서 진행되었고 실내 온도는 20 ~ 21[℃], 상대 습도 58±2[%], 풍속은 0.1 ~ 0.3[m/s]를 유지 시켰다.
직렬 아크방전이 진행될 때 아크의 발생 시간, 아크의 성장, 발열부(Hot Zone)의 열방사 패턴은 디지털 캠코더(Digital Camcorder) 및 디지털 카메라(Digital Camera)로 실시간 촬영하였다.
실험이 진행될 때 전압 및 전류 파형은 오실로스코프(Oscilloscope)를 사용하여 실시간 기록하였다. AC 전압 및 전류 파형은 정현파와 같은 주기성을 나타냈으며, '+' 파형에서 '-' 파형으로 바뀔 때와 '-' 파형에서 '+' 파형으로 바뀔 때 파형의 일그러짐이 심하게 발생하는 것을 알 수 있었다. 그러나 DC 전압 및 전류의 파형은 시간의 경과에 따라 수하특성(Drooping Characteristics)을 보이는 것을 알 수 있었다. AC 전원을 공급할 때 직렬 아크방전에서 발생하는 부하전류는 2[A]가 흐를 때보다 5[A]가 흐를 때 발열량이 많이 발생된 것으로 분석되었다.
실험이 진행되는 동안 자외선 대역 200 ~ 365[nm]은 Mini Spectrometer grating-MN1800-0.25를 사용하여 실시간 측정하였고, 가시광선 대역 350 ~ 885[nm]는 Mini Spectrometer grating-MN 600-0.50을 이용하여 측정하였다.
직렬 아크방전이 지속되는 동안 자외선 및 가시광선이 발생되었고 589, 671, 766[nm] 근처에서 가장 강하게 방사되는 것으로 분석되었다. 또한 전극의 재질에 따라 전압 리스트라이크(Restrike), 전류 패턴 및 방사 스팩트라 대역 등의 차이가 있다는 것이 입증되었다.
직렬 아크방전이 완료된 후의 구리 평면 전극과 탄소 평면 전극의 표면 구조는 실체현미경(SM; Stereoscopic Microscope)을 이용하여 분석하였다. 실체현미경의 10배 배율로 확대하여 분석한 두 전극의 표면은 검정색과 회백색으로 변색된 것을 알 수 있었다. 또한 구리 평면 전극보다 탄소 평면 전극이 더 많이 소손되는 패턴을 나타냈다. 탄소 평면 전극의 도전율이 구리 평면 전극의 도전율보다 낮고, 용융점이 높아 줄열이 더 많이 발생한 것으로 판단된다. 그리고 부하전류가 2[A] 흐를 때보다 5[A] 흐를 때 열적 스트레스가 더 큰 것으로 확인되었다. DC 전원을 공급할 때 직렬 아크방전의 전류는 '+'에서 '-' 방향으로 흐르지만 전하는 '-'에서 '+'로 이동하므로 '+' 전극이 '-' 전극보다 심하게 소손되는 것으로 분석된다.
전극의 단면 구조는 금속현미경(MM; Metallurgical Microscope)을 이용하여 100배의 배율로 확대하여 분석하였다. 구리 전극을 MM으로 분석한 결과 구리 전선의 연신 구조(Elongation Structure)는 대부분 없어지고, 비정질 형태로 구조가 바뀌는 것을 알 수 있었다. 탄소 전극 역시 탄소 고유의 상이 없어지고, 무질서한 새로운 상이 형성되는 것을 알 수 있었다.
두 전극의 미세 구조 분석은 주사전자현미경(SEM; Scanning Electron Microscope)을 이용하여 분석하였다. 구리 전극의 표면 및 단면은 구리 전선의 고유한 연신 구조가 없어지고, 거친 표면이 형성되는 것을 알 수 있었다. 탄소 전극 역시 탄소 고유의 균일한 패턴은 나타나지 않고, 거친 표면과 무질서한 구조가 생성되는 것으로 분석되었다.
전극의 조성분포는 에너지 분산형 X선 분석기(EDX; Energy Dispersive X-ray)를 이용하여 분석하였다. 직렬 아크방전이 진행되는 동안 구리는 대기 중의 공기와 산화반응이 잘 진행되어 산화물이 많이 생성되었고, 물리적인 변형 역시 큰 것을 알 수 있었다. 그러나 탄소 전극은 구리보다 용융점이 상대적으로 높으므로 산화반응이 적게 진행되어 조성분포의 변화는 거의 없는 것으로 확인되었다.