1. 서 론

소방청의 화재통계연감 자료의 2019년 발화원인별 화재 현황에 따르면 전체 40,103건의 화재 중 작동기기에 의한 화재가 16,376건으로 40.8%를 차지하고 있으며, 그중 전기적 아크에 의한 화재가 8,852건으로 54.1%를 차지하고 있다.⁽¹⁾ 아크 화재는 가전제품, 차량, 각종 전기설비에서 발생한다. 퓨즈, 배선용 차단기는 단락 및 과전류를 감지한다. 그러나 접촉 불량, 케이블 파손 등으로 발생한 직렬 아크의 경우 아크 임피던스가 부하의 전류를 낮추기 때문에 검출이 어렵다.^(2-3)

현재 직렬 아크 결함을 감지하는 방법은 주로 회로의 전류를 감지하는 방식이며 이를 위해 IEC(International Electrotechnical Commission)는 사고아크검출장치 AFDD(Arc Fault Detection Device)에 대한 기준을 제시하고 있다.⁽⁴⁾ 직렬 아크 감지의 정확성과 신뢰도 향상을 위해 알고리즘 개발과 다양한 연구들이 진행되었다. 관련 연구는 1990년 전후로 시작되었으며 전류의 피크 값 변화를 측정하여 아크를 검출하는 방법 등이 연구되었다.⁽⁵⁾ 이후 전류, 파고율, 평균값 등의 직렬 아크의 시간 영역 특성에 기반하여 개선된 알고리즘이 연구되었다.^(6-9) 아크 검출 방법으로 UV(Ultraviolet rays) 센서, AE(Acoustic Emission) 센서 및 TEV(Transient Earth Voltage) 센서 등의 새로운 센서의 활용과 주파수 분석에 관한 연구가 진행되었다.^(10-13) 센서를 사용하는 방식은 아크 검출 신뢰도가 높지만, 사고로 발생하는 아크의 위치를 특정할 수 없어서 실용성이 떨어지며, 전류를 측정하여 주파수 분석을 통한 방식은 위치와 관계없이 아크 검출이 가능하나 부하마다 전류 특성이 달라서 아크 검출 신뢰도가 낮다.

이에 본 연구에서는 신뢰도가 높고 장소에 구애받지 않는 아크 검출을 위해서, 전원 전압에 포함된 아크 신호를 검출하는 방법을 제시하고자 한다.

2. 실험장치 및 방법

Fig. 1은 직렬아크 발생 시의 전압 특성을 규명하기 위한 실험장치의 개략도이다. 전원은 교류 220V 60Hz이며, 직렬아크 모의장치를 IEC 62606 기준에 따른 아크 발생 장치가 사용되었다. 부하의 아크 파형 측정을 위해 오실로스코프(Tektronix, Wavesurfer 3054z)의 CH.1에 전압프로브(100:1 probe, LeCroy, PPE 5kV)를 CH.2에 전류프로브(Tektronix, TCPA300 Amplifiers & TCP312A)를 연결하였다. 전압 파형은 아크를 구분하기 위해서, 전류 파형은 아크 발생 여부를 판단하기 위한 목적으로 사용되었다.

직렬아크 발생 장치는 고정되어 있는 구리전극(A)과 전극 위치조정장치를 사용하여 움직일 수 있는 탄소전극(B)으로 구성 되었다. 장치에 전류가 원활하게 흐르는 상태를 정상상태, 위치 조정장치를 사용하여 탄소전극이 구리전극으로부터 분리되면서 전류가 원활하게 흐르지 못하는 상태를 아크상태 라고 한다.

실험 부하로는 IEC 62606에서 제시하는 부하 중 에어컴프레셔, 전동드릴, 진공청소기, 형광램프, 할로겐램프, SMPS를 각각 사용하였다.

Fig. 1. Experimental device diagram for serial arc detection

3. 아크검출을 위한 이론적 고찰

본 논문에서는 이산시간에 따른 전압 파형의 전압변동을 이용하여 직렬아크를 검출하는 방법을 제시하고자 한다.

이산시간에 따른 전압 파형 $V[n]$은 식 (1)과 같다.

여기서, $T_{s}$는 샘플링타임 이다. 식 (1)로부터 전압변동 $d V[n]$은 식 (2)와 같이 정의할 수 있다.

Fig. 2(a)는 식 (1)을 이용하여 220 V, 60 Hz, $T_{s}$를 $1\times 10^{-6}s$로 하여 만든 이상적인 정현파형에 대한 이산신호이다. Fig. 2(b)는 Fig. 2(a)에 대해 식 (2)를 통해 도출된 전압변동을 보여주며 전압변동의 최댓값은 0.1 V로 측정되었다. Fig. 2(c)는 Fig. 2(a)를 디지털 신호로 변환하기 위해 양자화(Quantization)한 전압파형이다. -800 V에서 800 V의 값을 8 bit로 양자화하였다. 즉, 양자화 스텝(Δ)은 6.25 V 이다. Fig. 2(c)에서 전압변동의 최댓값은 6.25 V로 계산되었으며, 이상적인 정현파형의 경우 전압변동이 Δ를 넘지 않았다.

Fig. 2. Ideal sinusoidal waveform and analysis result of voltage fluctuation

Fig. 3. No load sinusoidal waveform and analysis result of voltage fluctuation

Fig. 3(a)는 220 V, 60 Hz의 전기설비에서 무부하 상태로 측정한 전형적인 전압파형으로, 정현파의 모습을 보여주고 있다. Fig. 3(b)는 식 (2)를 이용해 Fig. 3(a)로부터 전압변동을 구한 결과이다. 전압변동의 최댓값은 12.5 V로 나타났다. 동일한 방법으로 100회 반복하여 측정한 결과, 정상상태인 전기설비로부터 측정한 전압파형에서 구한, 전압변동의 최댓값은 Δ의 2배를 넘지는 못했다.

본 연구에서는 양자화 스텝을 이용하여, IEC 62606에 따른 부하들로 구성된, 모의 전기설비를 구성하고, 여기서 전압변동을 구하여 전기설비에서 아크발생 유무를 구별하고자 시도하였다.

4. 실험 결과 및 고찰

Fig. 4. Voltage waveform in static states for each load in IEC 62606

제안된 전압변동을 이용한 직렬아크 검출방법의 성능확을 위해 정상상태와 아크상태의 전압 파형을 실험을 통해 부하별로 정상상태와 아크상태에 대해 각각 10회씩 측정하였다.

정상상태의 전압 파형은 Fig. 4와 같다. Fig. 4는 부하별로 10회 측정된 파형중 일 예를 보여준다. 부하의 용량과 종류에 상관없이 모두 정현파를 띠고 있는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 5. The results of change in voltage fluctuation for each waveform inFig. 4

Fig. 5는 Fig. 4의 정상상태 전압 파형이 전압변동을 통해 변환된 값을 그래프로 나타낸 결과이다. 전압변동은 전체적으로 2Δ 이하의 값을 가지고 있으며 부분적으로 2Δ를 초과하는 값들이 부하별 43회 이하로 존재한다.

Fig. 6. Voltage waveform when a series arc is occurred for each load in IEC 62606

Fig. 6은 아크상태일 때의 전압 파형으로 아크로 인해 발생한 고주파가 전압에 영향을 끼쳐 에어컴프레셔, 전동드릴, 진공청소기, SMPS 부하에서는 고주파 성분을 관찰할 수 있으며, 형광램프와 할로겐램프에서는 고주파 성분 관찰이 어려운 것을 확인할 수 있다.

Fig. 7. The results of change in voltage fluctuation for each waveform inFig. 6

Fig. 7은 아크상태일 때의 전압 파형에 대한 전압변동을 나타낸 그래프이다. Fig. 5와 다르게 고주파로 인해 모든 부하에서 44회 이상 2Δ를 초과하는 전압값이 다량으로 발생하였고, 아크상태 전압파형에서 고주파 관찰이 어려웠던 할로겐램프 부하와 형광등 부하에서 2Δ를 초과하는 전압변동이 늘어난 것을 확인할 수 있다.

Table 1은 실험을 통해 수집한 정상상태 전압파형과 아크상태 전압 파형에 대해 변환한 값에서 2Δ를 초과하는 값의 수를 나타낸다. 정상상태일때 평균 20회, 최대 43회 나타났으며, 아크상태일때 평균 194회, 최소 44회로 나타났다. 부하의 정상상태와 아크상태를 구분한 결과 전기설비에서 전압변동을 이용하여 아크를 구분할 수 있다는 것을 확인하였다.

5. 결 론

본 논문은 전기설비에서 IEC 62606 기준으로 발생시킨 직렬 아크에 대한 전압변동을 이용하여 직렬아크 검출을 시도한 연구로서 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

첫째, 전압변동을 이용한 아크검출을 통해 IEC 62606에 제시된 L부하들에 대해 용량과 종류에 상관없이 아크 검출이 가능하였다.

둘째, 전압변동을 이용한 아크 검출을 통해 변환된 전압 파형은 정상상태와 아크상태에서 2Δ를 초과하는 값들을 가지며 43회 이하일 경우 정상상태 43회 초과일 경우 아크상태로 구분할 수 있었다.

이상 IEC 62606 기준에 따른 직렬 아크를 전압변동을 이용한 아크 감지법을 통해 정상상태와 아크상태를 구분할 수 있었으며, 전압변동을 이용한 아크 감지법은 다른 다양한 부하에도 적용하여 아크 화재 방지를 위한 자료로 활용할 수 있을 것이다.