홍성희
(Soung-Hee Hong)
1†
이영철
(Young-Chul Lee)
2
홍민기
(Min-Ki Hong)
3
-
(Corresponding Author：President HJ Industrial Electric Co.)
-
(Vice President HJ Industrial Electric Co.)
-
(Manager HJ Industrial Electric Co.)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Battery, Battery Built-in Distribution Box, Emergency Alarm, Emergency Light, Panel Board
1. 서 론
근래에 들어 다가구 주택, 아파트, 고시텔 등에서 화재 발생이 증가하고 있을 뿐만 아니라 화재 발생에 대한 경보 등이 안 되어 거주자의 인명보호가
되지 못한 사례가 발생하고 있다[1].
대형 빌딩, 아파트 단지, 다중시설 등은 소방법령에 의해서 소방 설비가 구비되도록 설계되어 있고, 정전 시 비상발전기를 가동하여, 자동 화재 탐지설비의
작동 및 비상 조명등을 점등할 수가 있다[2].
그러나, 원룸 등 소규모 다세대 주택과 도시형 생활주택 등에서는 비상발전기 미설치 등 비상전원 공급체계가 미흡하여, 화재 발생 등 비상시에 전기 공급이
중단되어 소중한 인명 손상과 재산피해를 유발하고 있다.
또한 스마트 홈의 보급 확대로 IoT(사물인터넷)가 적용된 다양한 디지털 가전기기가 크게 증가하고 있으나, 이에 대책도 미흡한 편이다[3].
이러한 여건은 정전 또는 화재 발생 시에 비상조명등이 자동으로 점등되고, 단위 장소별로 화재경보를 발령할 수 있는 예비전원을 공급할 수 있는 분전함의
개발이 요구되어 왔다[4-10].
본 연구에서는 화재 발생으로 인한 정전 및 상용전원의 정전에 대비하여 인명 안전과 관련되는 자동화재 탐지 설비에 관한 전원 및 비상조명등에 필요한
전원을 공급할 수 있는 배터리내장형 분전함에 대한 회로 설계 및 구현을 통하여 실증시험 실시한 결과를 중심으로 검토하고자 한다.
2. 회로 설계 및 구현
2.1 회로 구성
Fig. 1은 배터리 내장형 분전함의 구성도를 나타낸 것이다. 점선 안은 기존의 분전반 회로이고, 내장회로라고 표기된 2중점선 안은 본 연구의 핵심 설계부분이다.
소방 관련 회로와 연계하여, 화재 발생을 감지하고 제어하여 화재 발생에 따른 정전시는 물론, 상용전원이 유지되고 있어도 비상조명등이 자동으로 점등되도록
하였다. 또한 화재 발생이 없는 정전시에도 비상전원이 자동으로 공급되는 조건도 갖추었다.
2.2 화재 및 정전 시 대책
2.2.1 화재 발생 시
Fig. 2는 Fig. 1의 Controller 내부 회로도이다. 화재가 발생하면 Fig. 1의 회로에서 소방설비로부터 화재 신호를 감지한다.
화재신호가 감지되면 Fig. 2의 Q6이 Turn-on되어 화재경보가 발령된다. 이때 FR5와 Q6에 의해, Q7이 Turn-on되어 비상조명등이 자동으로 점등된다[11]. 비상조명등의 자동점등과 화재경보 발령은 상용전원의 정전 유무와 관계없이 수행하므로, 화재 초기에 신속하고 안전한 비상대피환경 조성에 효과적으로
기여하게 된다.
Fig. 2. Emergency lights & fire alarm circuit
2.2.2 정전 시
Fig. 2의 회로에서 상용전원이 정상으로 공급되고 있을 때에는 PC1이 Q7을 역 Bias되도록 하여 Turn-off한다. 화재 발생과 관계없는 정전이 되면,
Q7이 Turn-on 상태로 되어 비상조명등을 자동으로 점등된다.
2.3 과충전 방지회로
Fig. 3은 Fig. 1의 충전기 내부 회로 중 일부로, 배터리의 수명 등을 보호하기 위한 과충전 방지회로이다. 자동 충전 시 정격을 초과하여 과충전하게 되면 배터리가 과열될
수 있고, 수명이 단축된다.
과충전 방지는 충전 정격전압 설정 값에 도달하게 될 경우 Fig. 3의 Comparator U2에 의해 Regulator U1이 충전을 제한한다. Fig. 3에서 U2의 ZD1 전압이 과전압 방지 전압을 설정하고며, 배터리 과충전 방지전압 이상이 VR1의 설정 값에 도달하면 Q1이 Turn-On되어 SD1을
통해 U1의 Bias 전압을 제어함으로써 과충전이 방지되도록 하였다.
Fig. 3. Overcharging prevention circuit
2.4 과방전 방지회로
Fig. 4는 배터리 수명보호를 위한 과방전 방지회로도를 나타낸 것으로, Fig. 1의 충전기 내부 회로의 일부이다. 장시간 배터리를 사용하면, 과방전되어 배터리 종지전압 이하로 전압 강하가 발생하면, 배터리 수명에 치명적 영향을
줄 수 있다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 Fig. 3의 Comparator U3의 VR3에 설정된 종지전압에 도달하게 될 경우 Q3가 Turn-On되어 과방전을 방지하도록 하였다.
Fig. 4에서 Process를 살펴 보면, Diode FR4 양단 전압 $e$가 Hi – Q3 Low – Q4 Hi - PC2 On - Q5(Fig. 2) On – Q7(Fig. 2) On 순으로 진행되며, 무부하, 단선, 단락 등과 같은 절대적 결함 사항이 발생하던지 또는 설치 중 오배선 등 시공 상의 문제가 발생할지라도 안정적으로
보호할 수 있도록 구성하였다.
기동은 Switch를 On하면 Fig. 4의 A’ 부로 C13 충전전류(변위전류)에 의해서 On되고, 기동 후는 A’부에 DC가 인가됨으로 C13에 전 류가 흐르지 않아 FR Diode에
의존한다. R22는 C13에 충전전류 방전용으로 재 기동에 대비한 것이다.
Fig. 4. Over-Discharging prevention circuit
2.5 회로 단선 및 단락에 대한 보호 기능
Fig. 5는 부하(비상조명등) 회로에 대해 단선 및 단락보호를 위한 시뮬레이션 회로도를 나타낸 것이다.
Fig. 5. Simulation circuit for the circuit open and short
2.5.1 회로 단선
Fig. 5의 부하(굵은 선으로 표시된 LED 비상등) Line의 Switch B나 C Line이 단선(OFF)되더라도 Fig. 2의 회로에서 감지하여 Main S/W Q7을 OFF시켜 비상등은 소등되고, 전류가 차단되어 누전사고도 방지되며. 단선상태가 복구되면 Fig. 2의 Q7 S/W가 ON되어 재 점등된다.
2.5.2 회로 단락
부하측(굵은 선으로 표시된 LED 비상등) A Switch Line이 단락(SW-A ON)되더라도 Fig. 2의 회로에서 감지하여 Main S/W Fig. 2의 Q7을 OFF시켜 등은 소등되고, 전압 전류가 차단되며, 단락이 해소되면 비상조명등은 재점등되고, 단락에 의한 전선의 열화, 소손 및 배터리 방전이
방지되며, 전압도 정상으로 유지된다.
3. 실증실험 결과 분석
Table 1은 화재 발생 등의 조건별 비상조명등의 점등 상태 및 전압/전류 동작결과 등에 대한 실증시험 결과를 나타낸 것이며, Fig. 6은 정전 시에 비상조명등 전등선의 단선 및 비상조명등의 소등 상태를 시험한 실험장치를 나타낸 것이다.
Table 1. The operation status of the emergency lights according to the conditions
of the demonstration test
|
구 분
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점등상태
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DC 출력
|
비 고
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220V 전등
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비상등(LED)
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전압(V)
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전류(A)
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|
AC 220V 유지시
|
점등
|
자동점등
|
0
|
0
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배터리 충전 진행
|
|
AC 220V 유지시
화재발생
|
점등
|
자동점등
|
23.3
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0.46
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상시&비상등 점등, 화재경보 발령
|
|
AC 220V 정전 시
|
소등
|
자동점등
|
23.3
|
0.49
|
자동 절환
|
|
정전 시 DC 24V 전로 단선
|
소등
|
소등
|
25
|
0
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단선부 접지 시 전류 흐르지 않음. 해소 시 재 점등
|
|
정전 시 DC 24V 전로 단락
|
소등
|
소등
|
0
|
0
|
전압전류 동시 차단
단락 해소 시 재 점등
|
Table 1에서 보는 바와 같이 화재가 발생하였을 때에도 상시등, 비상등, 경보 등이 동시에 작동하였음을 확인하였고, 정전 시에 비상등의 서로가 단선 및 단락되었을
때에도 재점등 됨을 확인하였다.
Fig. 6. Demonstration apparatus
4. 결 론
본 연구에서는 비상발전기가 설치되어 있지 않는 건축물에서 정전 시 또는 화재 발생 시에 정전 유무와 관계없이 비상조명등이 자동으로 점등되고, 화재
발생 시에는 단위 장소별로 화재경보를 발령함으로써 비상 시에 안전을 극대화할 수 있는 배터리 내장형 분전함을 개발하였다. 그 결과 다음과 같은 효과를
기대할 수 있다.
1) 화재 시 정전 유무와 관계없이 비상조명등을 자동으로 점등하여, 화재초기 신속하고 안전한 대피 환경 조성에 기여할 수 있다.
2) 화재 시 원룸 등 단위 장소별로 화재경보를 발령할 수 있어 시각, 청각 장애인 등이 거주하고 있는 경우 화재 발생 정보를 보다 신속하게 인지할
수 있다.
3) 정전 시 비상조명을 자동으로 점등하고, 월패드 등 주요 설비에 비상전원을 공급할 수 있다.
4) 배터리 과 충전 방지, 과 방전 방지와 DC 회로 단선 및 단락 사고를 방지할 수 있어, 동 시스템을 안전하게 사용할 수 있다.
이러한 연구 결과는 도시생활형 주택 등에 적극 보급을 확대할 경우 화재 발생 등 비상시에 인명의 안전을 확보하고 재산을 보호하는데 기여할 것으로 판단된다.
References
2019.1.30, The chosunilbo, A house fire, http://news.chosun.com/site/data/html_dir/2019/01/29/2019012901734.html
2019, Fire Safety Standards and Fire-related Acts, National statute information center
Kim Sun-Keun, 2019, The Fourth Industrial Revolution, Changes and Future of Construction
Industry, pp. 222-270
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2018, High-efficiency medium-to-large secondary battery R&D, Argobooks
Byun S.I., 2017, Foundation and Reals of Battery
Sun W.J., November 30, 2016, The Road to the TOP Secondary Batteries:Secondary Batteries
Jiang Jiuchun, Zhang Caiping, May 18, 2015, Fundamentals and Application of Lithium-Ion
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Li Jingshan, Zhou Shiyu, September 20, 2016, Advances in Battery Manufacturing, Service,
and Management Systems
Park , September 24, 2012, Principles and Applications of Lithium Battery
Hong Soung-Hee, Hong Min-Ki, Yoon Myung-Hwan, Lee Young-chul, 2016, Patent Application
10-0040061 : Emergency power auto supply and control apparatus having a fire alarm,
pp. 9-13
Hong Soung-Hee, Hong Min-Ki, Hwang Jeng-Hwan, Kim Beng-Wuk, 2015, Patent Application
10-1545247 : Emergency light driving system having distribution unit, pp. 14-18
Biography
Born in May 26, 1961, Soung-Hee Hong graduated from the Suwon Technical High School
in 1987.
He worked in the breaker manufacturing industry from 1977 to 1988 and founded HJ Industrial
Electrical Co. Ltd in 1989, where he is serving as a President.
He was awarded Bronze Tower Order of Industrial Service Merit (Korea Electric Safety
Award) in 2012 and Jang Young-Shil Award in 2019.
Born in June 11, 1952, Young-chul Lee graduated from the Chonnam National University
in 1996. He worked at Korea Electrical Safety Corporation with various positions,
including the Director of Education Center and the Managing Director of Business Center
for more than 30 years.
He is a Certified Professional Engineer specialized in Architecting Electrical Facilities.
He is working as a Vice President of HJ Industrial Electrical Co. since 2013 and awarded
Jang Young-Shil Award in 2019.
Born in December 24, 1987, Min-Ki Hong graduated from the University of Canberra in
2015 with Bachelor of Science in Business.
He is working as a deputy manager at HJ Industrial Electrical Co. after graduation
and awarded Jang Young-Shil Award in 2019.