1.1 연구의 배경

경제발전과 더불어 국민의 생활 수준이 향상됨으로써 전력 사용량이 증가하는 추세이다. 특히 일반 가정의 높아진 생활 수준 때문에 가전제품의 수와 사용 시간이 점점 늘어나고 있다. 과거에 사무실 및 가정에서 사용하던 가전제품은 기본적으로 냉장고, 컴퓨터, 에어컨 등이 전부였지만, 현재는 용도에 따라 기본 냉장고, 김치냉장고 등 다양한 용도의 냉장고 사용은 물론이고 그 외에 청소기, 세탁기, 냉난방기, 공기청정기, 건조기, 정수기 등 많은 가전제품을 사용하고 있다. 하지만 부하의 증가에 동반하여 용량을 고려하지 않은 무분별한 전기 설비의 사용과 부주의는 전기화재로 이어지고 있다. 2020년도 전기안전공사의 전기화재 통계자료에 따르면 전기배선과 배선 기구에 의한 화재는 1901건(23.3%) 이었다. 배선 기구인 콘센트에서 발화한 사건은 360건(18.9%)으로 전기배선과 배선 기구에 의한 화재 중에서 높은 비율을 차지하고 있다^[1]. 배선 기구 중 특히 노출 콘센트와 매입 콘센트에서 발생한 화재의 대부분은 장기간 사용에 의한 피로 누적, 아크, 충격 등으로 인한 인발력(Withdrawal force)의 감소가 중요 원인 중 하나이다. 즉 플러그와 인발력이 감소한 콘센트가 접촉하는 부분의 접촉저항(Contact resistance)이 증가하여 발열한다^{[2, 3]}. 이러한 콘센트의 발열은 전기화재로 이어진다. 지금까지 국내 화재연구 중 배선 기구에서의 발화 원인 분석 및 전기화재 예방에 대해 구체적인 연구가 이루어진 적이 없다. 본 논문은 전기화재를 예방하기 위해 콘센트의 발화 원인 중 하나인 인발력과 온도 상승에 대하여 시험하고 분석하였다.

1.2 연구의 목적 및 방법

콘센트의 인발력에 대해 연구한 논문은 ‘칼받이의 재질 및 구조 개선을 통한 가정용 콘센트(250V/20A) 개발’, ‘전기화재 감소를 위한 안전성이 향상된 가정용 콘센트 개발’ 등이 있다. 그렇지만 콘센트에 대한 많은 선행 연구에도 불구하고 전기화재 예방을 위한 연구는 없었다^{[4, 5]}. 본 논문은 콘센트의 발화에 의한 전기화재에 대하여 연구하였다. 본시험의 시험조건을 찾기 위해 세 종류의 예비시험을 하였다. 세 종류의 예비시험은 인발력의 크기별 시료를 찾기 위한 시험, 본시험을 위한 적정한 플러그 배선 길이를 찾기 위한 시험, 그리고 매입 조건 및 노출 조건 중에서 본시험의 합당한 조건을 찾기 위한 시험이다. 예비시험에서 찾은 시험조건으로 진행한 본시험 Ⅰ은 제조사별(제조사 4개, 시료 12개) 콘센트에 대한 온도상승시험이다. 본시험 Ⅱ는 인발력을 감소시킨 제조사별(제조사 3개, 시료 24개) 콘센트에 대해 온도상승시험을 진행하고 분석하였다. 본시험 Ⅲ은 개선된 콘센트 4개의 시료에 대한 온도상승시험을 진행하고 기존콘센트와 비교하여 분석하였다.

2.1 배선기구의 정의

한국산업안전보건공단의 안전보건기술지침 (KOSHA GUIDE E-31-2014)은 배선 기구(Wiring devices)를 전기 회로로부터 전기를 연결해주거나 차단해 주는 스위치, 코드 접속기, 소켓, 콘센트, 탭 등으로 정의하고 있다. 플러그(Plug)는 코드와 배선의 접속 기구라고 정의하고 있다. 콘센트의 정의는 고정된 기기나 전선의 병합에 장착되기 위한 부분을 말한다. 즉, 배선과 전기기구의 접속에 사용되는 배선 측에 설치되는 접속기구이다^[6]. 한국산업표준의 KS C 8305(배선용 꽂음 접속기), KS C IEC 60884－1(가정용 및 이와 유사한 용도의 플러그와 콘센트-제1부: 일반요구사항), 전기용품 안전기준의 KC 60884-1(가정용 및 이와 유사한 용도의 플러그와 콘센트-제1부: 일반요구사항)에서 콘센트는 케이블 접속용 단자와 핀에 꽂도록 설계된 칼받이를 가진 접속 기구류로 정의하고 있다^[7-9].

2.2 콘센트 제품의 국내 표준

가정용 또는 이것과 유사한 용도의 콘센트 및 플러그에 대한 표준은 국제 표준 IEC 60884－1의 내용을 국내에 적용한 KS C IEC 60884－1이다. KS C 8305는 배선용 꽂음 접속기에 대한 국내 표준이다^[9]. KC 60884-1의 콘센트 및 플러그 표준에 의한 개발제품은 제품 안전에 관한 국내 인증인 KC의 인증을 받아야 한다^[7]. KS C IEC 60884-1 22. 2항, Table 16의 최소 및 최대인발력 시험표준은 플러그를 빼는데 필요한 힘인 인발력을 적용한 표준이다. 또한 이것은 콘센트 노화 정도와 접촉 강도를 알 수 있는 기준이다^{[7, 8]}. 이 표준을 적용하면, 콘센트는 정격전류 16A에서 멀티 핀 게이지 최대인발력으로 50N을 초과할 수 없다는 조건은 있지만 인발력 최솟값에 대한 규제는 없다. Table 1은 최대 및 최소인발력 표준이다^{[7, 8]}.

3.1 예비시험

예비시험 1은 매입 콘센트를 벽에 매입한 상태와 노출한 상태로 측정했을 때 온도 상승에 영향이 있는지 알아보기 위한 시험이다. 시험 방법은 한국산업표준(KS C IEC 60884-1)의 온도상승 시험기준에 따라 플러그를 콘센트에 삽입하여 칼받이 단자에 온도센서를 설치하여 측정하였다. 측정된 온도는 온도기록계를 이용하여 기록하였다. 측정 결과 매입 조건은 콘크리트의 열전달에 의해 온도 상승이 노출 조건보다 더 낮게 나타났다. 즉, 매입 조건은 콘크리트 등의 구조물에 부착되어 있으므로 대류 및 전도에 의해 열전달에 의한 열 축적이 노출 조건에서보다 적게 나타난 것으로 예상된다. 따라서 본시험은 온도상승이 더 높아서 전기화재에 더욱 열악한 노출조건에서 시험하므로서 화재예방을 하는데 더 큰 효과를 볼 수 있으므로 노출조건으로 선택하여 시험하였다. Fig. 1∼2는 노출 조건과 매입 조건에서 온도 상승을 알아보기 위해 시험하는 그림이다. 매입 조건을 위해 시멘트로 가상의 벽을 제작하고 매입 콘센트를 설치하여 온도계측기로 콘센트의 내부 온도를 측정하였다.

Fig. 1. The temperature rising test when the socket-outlet is exposed

Fig. 2. The temperature rising test when the socket-outlet is buried

본시험은 KS C IEC 60884-1의 Table 20 조건에 따라 전류의 크기를 16A, 18A, 20A, 22A 로 진행하였다. Fig. 3은 노출 및 매입 조건의 온도상승 시험 결과 그래프이다. 가로축은 전류의 크기, 세로축은 온도 상승 값이다. 온도 상승 측정 결과 노출 조건에서의 온도 상승이 매입 조건에서의 온도 상승보다 높게 나타나고 있다.

Fig. 3. Graph of the temperature rising test results under exposure and landfill conditions of the socket-outlet

Table 2는 노출 조건과 매입 조건에서의 온도상승시험을 한 결과이다. 시험 결과, 매입 조건보다 노출 조건의 온도 상승이 3.1∼4.4K 더 큰 것을 알 수 있다. 본시험은 콘센트가 매입 및 노출 조건일 때 모두 고려하여 시험을 진행하여야 하지만, 매입 조건 보다 노출 조건일 때 콘센트의 내부 온도가 더 많이 상승하고, 전기화재의 위험성이 매우 증가하므로 본시험의 조건으로 선택하였다.

예비시험 2는 플러그 배선 길이에 대한 본시험의 시험조건을 찾는 시험이다. 시험방법은 배선 길이 3cm, 10cm, 15cm 세 종류일 때 온도상승시험을 진행한 후 최적의 플러그 배선 길이를 선택하였다. 시험은 오차를 줄이기 위해 1차, 2차 두 번의 시험을 진행하였다. Table 3은 플러그 배선 길이에 따른 1차, 2차 온도상승시험 결과이다. 콘센트의 온도 상승은 1차, 2차 모두 3cm, 15cm에 비해 10cm일 때 가장 낮게 나타나고 있다. 본시험은 과부하일 때 콘세트의 인발력과 내부 온도상승을 알아보기 위한 것이므로 배선 길이에 따른 시험결과를 기준으로 온도상승시험에 영향이 적은 적정 배선길이 조건을 찾았다. 플러그의 배선 길이가 긴 경우, 전선 자체의 저항값으로 인해 온도가 상승하며, 배선의 길이가 짧을수록 전선 자체 열 발산이 줄어드는 문제가 발생한다. 따라서 배선 길이가 너무 짧거나 너무 길면 전선에 흐르는 전류에 의한 발열이 콘센트 내부의 온도 상승에 영향을 줄 수 있다. 따라서 플러그의 배선 길이는 1차, 2차 시험에서 콘센트의 내부 온도 상승에 대해 영향이 가장 최소인 10cm로 선택하였다.

예비시험 3은 본시험을 위한 시료를 찾기 위한 시험이다. 예비시험의 시료는 시중에 판매되는 매입형 2구 콘센트(제조사 4개, 시료 12개)이다. Table 4는 12개 콘센트 상, 하(임의로 정함)의 인발력 측정 후 측정값의 평균을 계산(6회 시험의 평균)하여 정리한 표이다. 본시험의 시료는 이 값 중에서 최댓값, 최솟값, 중간값 종류별로 3개씩 선택하였다. 선택()한 시료는 인발력 크기별로 7.70kgf∼1.91kgf의 12개로 아래 표와 같다.

Table 4. Average value of 6 measurements of The withdrawal force (up/down) (unit: kgf)

3.2 본시험Ⅰ

본시험 Ⅰ은 예비시험 1에서 선택한 시료를 전류의 크기에 따라 인발력과 온도 상승을 측정한 후 분석하였다. 시험조건은 예비시험 2에서 찾은 플러그 배선 길이 10cm, 노출 조건으로 진행하였다. 시험방법은 각각의 시료에 16A, 18A, 20A, 22A의 전류를 1시간씩 흘렸을 경우 온도 상승을 측정한 후 인발력의 크기, 전류의 크기에 따른 온도 상승을 비교하였다. Fig. 4∼7은 제조사별 콘센트의 전류 크기에 따른 온도 상승 분포 그래프이다. 그래프의 가로축은 시료 종류, 세로축은 인발력(kgf)과 온도상승(K)을 나타내고 있다. 시험 결과는 전류의 값이 커질수록 온도 상승이 증가하고, 인발력이 적을수록 온도 상승이 대체로 높게 나타나고 있다. 또한 전류의 값이 커질수록 인발력이 작은 콘센트에서 온도 상승이 더욱 크게 나타난다. 즉 과전류일 때 인발력이 작은 콘센트가 인발력이 큰 콘센트에 비해 더 많이 발열하고 전기화재의 위험성도 크다.

Fig. 4. The temperature rising distribution at current 16A

Fig. 5. The temperature rising distribution at current 18A

Fig. 6. The temperature rising distribution at current 20A

Fig. 7. The temperature rising distribution at current 22A

3.3 본시험Ⅱ

본시험 Ⅱ는 장시간 사용한 후 노후화된 콘센트 제품에 대한 온도 상승을 알아보기 위한 시험이다. 하지만 주택에서 장시간 사용한 콘센트 시료는 사용시간 및 조건이 서로 다르기 때문에 시료로는 적합하지 못하다. 따라서 형평성을 고려하여 콘센트 시료별로 플러그를 열 번씩 삽입한 후 시험하였다. 이것은 현장의 콘센트 사용 시간보다 더 짧은 시간 사용한 것을 가정한 것이므로 현장의 콘센트는 전기화재 위험에 더욱 노출된다고 할 수 있다. 시료는 3개 제조사(A, B, D)별로 무작위로 10개씩 선정하였다. 이렇게 선정된 E1∼E10(A), F1∼F10(D), G1∼G10(B) 시료는 콘센트 칼받이에 10회씩 플러그를 반복해서 삽입하여 인발력을 감소시킨 후 인발력 측정값이 작은 순서로 제조사별 8개씩 선정하였다. 시험방법은 본시험 Ⅰ과 같은 조건으로 16A, 18A, 20A, 22A의 전류를 각각 1시간씩 흘렸을 때 온도 상승을 측정하였다. Table 5는 본시험 Ⅰ의 12개 시료와 본시험 Ⅱ의 24개 시료의 온도 상승 결괏값 중에서 국내 온도 상승 기준인 45K를 넘는 시료의 개수를 나타낸 표이다. Table 5를 보면, 국내 온도 상승 기준인 45K를 넘는 시료의 개수는 16A∼22A일 때 본시험 Ⅰ에서 0개∼ 2개, 인발력을 감소시킨 본시험 Ⅱ에서 2개∼20개이다. 시험한 시료의 개수 중 45K 기준을 넘는 개수의 비율은 본시험 Ⅰ에서 0%∼16.67%로 16.67% 증가하였지만, 본시험 Ⅱ에서 8.33%∼83.33%로 75%의 증가 비율을 나타내고 있다. 즉 인발력이 작을수록 과전류일 때 온도 상승이 증가 비율이 훨씬 더 높다.

3.4 본시험Ⅲ

본시험 Ⅲ은 콘센트의 인발력을 유지하기 위해 선행연구^{[4, 5]}에서 개선된 콘센트와 기존 콘센트의 온도 상승을 비교 분석한 시험이다. 선행연구는 “칼받이의 재질 및 구조개선을 통한 가정용 콘센트(250V/20A) 개발”^[4], “전기화재 감소를 위한 안전성이 향상된 가정용 콘센트 개발”^[5]로 콘센트의 온도상승에 대해 개선된 콘센트의 개발에 대한 논문이다. 선행연구에서 개선된 콘센트는 인발력 및 온도상승에 대해 더 나은 조건으로 새로 개발한 콘센트이다. 이 논문에서는 콘센트의 온도상승에 대한 시험만 이루어졌고 인발력과 온도상승의 상관관계에 대한 연구는 이루어지지 않았다. 따라서 본 논문은 개발된 콘센트의 인발력과 온도상승에 대해 시험하고 기존의 콘센트와 비교 분석한 것이다. 그 결과로 인발력에 대한 최저기준을 제시하였다. 개선된 콘센트는 전선 삽입을 강판 스프링 조임 방식에서 나사 조임 방식으로 구조 개선을 한 콘센트이다. 나사 조임 방식은 기존의 스프링에 의한 압착 조임보다 전선을 삽입한 후 나사를 조여서 접속시키는 방식이다. 또한 인발력을 유지하기 위하여 추가로 칼받이 형상을 감싸는 구조로 황동이 삽입되었다. 시험방법은 위의 시험과 동일한 조건으로 진행하였다. 신뢰성을 확보하기 위해 개선된 제품의 온도상승시험은 두 번 진행하였다.

Table 6은 전류가 22A 일 때 개선된 시료 2의 2차 시기 온도 상승과 기존 A3(상)의 온도 상승을 열화상 카메라로 측정한 사진과 결괏값의 비교표이다. 인발력이 유사한 두 개의 시료에 대한 온도상승시험 결과는 개선 시료에 비해 기존 시료의 온도 상승이 높게 나타나고 있다.

Fig. 8∼9는 개선된 콘센트 1차, 2차 온도상승시험 결과에 대한 그래프이다. 가로축은 시료의 종류와 1차, 2차 시험, 세로축은 온도 상승 값이다. 그래프는 1차 시험보다 2차 시험에서 온도 상승이 높게 나타나고 있다. 또한 전류의 값이 클수록 온도 상승의 증가를 나타내고 있다. 시료의 온도 상승 측정값은 모두 국내 온도 상승 기준 45K를 넘지 않았다.

Fig. 8. The temperature rising test result of the improved socket-outlet (1st)

Fig. 9. The temperature rising test result of the improved socket-outlet (2nd)

Fig. 10은 기존 콘센트와 개선 콘센트의 전류와 인발력 조건에 따른 온도 상승 분포를 나타낸 그래프이다. 가로축은 시료의 종류 및 인발력, 세로축은 온도 상승 값이다. 그래프를 분석하면, 전류와 인발력이 클수록 온도 상승 값이 크게 증가함을 알 수 있다. 그리고 인발력 유지를 개선한 콘센트는 기존 콘센트에 비해 온도 상승이 낮게 나타났다.

Fig. 10. Distribution of the temperature rising according to the withdrawal force and current of the improved and existing socket-outlets