2.1 UL1699B 시험기준

UL1699B에는 Fig. 2와 같이 DC AFCI의 성능 적합조건이 제시된다. 성능 적합조건으로는 제한된 에너지 및 시간 내에 아크검출 및 소호가 제시된다. 영역 A는 모든 테스트에 대해서 2.5초 이내, 아크에너지 200J이내에 아크를 차단하는 것을 의미한다. 영역 B는 2.5초 이내, 아크에너지 750J 이내 아크를 차단하는 것을 의미하며 DC AFCI의 적합성에 요구되는 최소 기준이다. 영역 C는 최소 요구 기준을 초과한 영역으로서 성능 표준에 부합하지 않음을 의미한다.

따라서 아크 검출시 아크 검출 및 차단까지의 시간과 아크가 발생한 시간동안의 아크 에너지를 측정하여 DC AFCI의 적합성을 평가한다.

Fig. 1. Picture of PV system fire hazard

Fig. 2. Arc energy regions for DC AFCI performance criterion

2.2 직렬아크검출을 위한 시험설비 구축

UL1699B 기준 DC AFCI의 직렬아크검출 성능 평가를 위한 시험설비는 Fig. 3과 같이 단일 풀 스트링 모델로 구축되었다. DC 전원장치와 디커플링 네트워크, 선로 임피던스, 아크발생장치, 태양광 인버터로 구성된다. DC AFCI는 인버터의 입력 string에 직렬로 추가되어 성능평가가 이루어진다.

DC Source는 개방전압을 출력하며 선로 임피던스에 의해 전압강하가 발생한다. 또한 이에 따라 인버터는 MPPT 제어에 의해 최대전력점에서의 전압과 전류로 동작된다. 시험 모드에 따라 약 900 W, 2.5 kW, 5 kW 용량의 PV 시스템이 모의된다. Table 1에 시험 모드에 따른 전압, 전류조건, 그리고 최소 아크전류를 나타내었다. 제시된 시험 모드에서의 동작을 위해 사용된 실험장비의 사양은 Table 2와 같다.

Fig. 3. Circuit of single full string model for DC AFCI performance evaluation

디커플링 네트워크와 라인임피던스는 DC Source와 함께 실제 PV 시스템에서의 태양광 모듈 및 케이블을 모의하기 위한 장치이다. 또한 DC Source나 인버터의 전원이 차단되는 등의 원치 않는 트립 동작을 방지하며, DC AFCI의 아크검출 성능평가를 가능하도록 한다.

각 선로정수는 단일 풀 스트링 모델 기준의 UL1699b에 제시된 파라미터 값을 따르며, 케이블 길이를 약 10m로 가정하여 선로정수가 선정되었다.

Fig. 4. Arc generator (a) Picture (b) Block diagram

UL1699B 시험모드의 조건에는 Table 3과 같이 아크를 발생시키는 양 전극의 분리 속도와 이격 거리가 제시된다. 이는 mm 단위의 세밀한 단위이며 수동 제어를 통해서는 시험 조건에 부합하는 전극 이격조건을 정확히 만족시키는데 한계가 있다. 정확히 만족시키지 못할 경우 전극의 이격 속도 및 간격의 차이에 따라 발생하는 아크의 전기적 특성에 차이가 발생할 수 있다. 따라서 시험표준을 충족하기 위해 전동식 아크발생 장치는 Fig. 4 (a)와 같이 스태핑 모터와 구리 전극을 기반으로 개발되었으며 블록도를 Fig. 4 (b)에 나타내었다. 시험 모드에 따라 분리 속도 및 이격 거리 설정이 가능하며, Control Display를 통해 조작함으로서 모터를 제어하여 이동식 전극을 조절함으로써 양 전극을 이격시킬 수 있다. DC AFCI 성능 평가시 두 전극이 완전히 접촉된 상태에서 시험이 시작되며, 시험 모드에 따른 속도 및 간격으로 전극을 이격시켜 아크를 발생시킨다.

3.1 DC AFCI 동작원리

DC AFCI는 아크검출을 위한 AFD 회로와 DC 릴레이, 전자 개폐기로 구성된다. Fig. 5는 DC AFCI의 동작 순서를 나타낸다. 먼저 인버터의 입력 string에 직렬로 구성된 AFD 회로는 전류 센서를 통해 DC 전류를 감지한다. 감지된 신호는 아날로그 필터를 거친 후, ADC 모듈을 통해 디지털 신호로 변환되며, 변환된 신호는 디지털신호 처리장치에서 시간 및 주파수 분석방법을 통해 입력된 신호를 분석 및 판별하고 직렬 아크를 검출한다⁽¹¹⁾. 검출시 DC 릴레이에 High 신호를 전달하며, 릴레이 및 전자개폐기가 동작됨에 따라 전류가 트립되고 아크가 소호된다.

3.2 시험설비의 직렬아크 발생 실험

단일 풀 스트링 모델로 구축된 시험설비에서 직렬아크 발생 실험이 진행되었다. 모드 1부터 모드 4까지 제시된 시험 조건에 따라 DC Source 전원을 인가한 뒤 인버터 동작 시작 후 MPP 전류에 도달하면 아크발생장치를 조작하여 아크를 발생시킨다. 각 시험모드에서 아크가 발생한 상태에서 측정된 실험 파형은 Fig. 6과 같다. 분홍색 파형은 측정된 인버터의 입력 string 전류, 노란색 파형은 AFD 회로의 전류 센서 출력, 연두색 파형은 AFD 회로에서 ADC 되는 신호이다. 아크발생시의 전류의 크기는 모드 1에서는 약 2.5A, 모드 2에서는 7A. 모드 3에서는 16A, 그리고 모드 4에서는 8A이며, Table 4는 각 시험모드에서 최소아크전류 조건과 구축된 시험설비의 아크 전류크기를 나타낸다. 모두 최소아크전류 기준을 만족하는 구축된 시험설비의 적합성을 나타낸다.

Fig. 5. Flowchart of DC AFCI

3.3 DC AFCI의 직렬아크검출 성능평가

DC AFCI의 직렬 아크검출 성능 평가는 아크발생시점부터 직렬아크 검출 후 전류가 트립 되는 시간까지의 시간을 측정하고, 측정된 시간동안 발생한 아크에너지를 계산하여 UL1699B 기준에 따라 DC AFCI의 적합성을 판단한다. 각 시험모드는 Table 1,3 의 값을 만족하는 조건에서 DC AFCI의 성능평가가 진행된다. Fig. 7은 시험모드중 하나인 모드 1 조건에서 DC AFCI의 직렬아크검출 성능을 시험한 파형이다. 분홍색 파형은 인버터의 입력 string에 흐르는 전류, 노란색 파형은 아크 전극 간 전압, 파란색 파형은 아크검출 신호를 나타낸다. 아크발생시의 노이즈 성분은 DC AFCI의 전류센서를 통해 센싱되어 AFD circuit board에서의 아크검출 알고리즘에 의해 약 16ms 이후 아크로 검출된다. 검출 후 인버터의 입력 전류가 트립 되기까지 약 21ms가 소요되므로 아크 발생부터 검출까지 약 37ms가 소요되는 결과를 확인할 수 있다. 아크가 발생한 시간동안 발생한 아크에너지는 아크 전류와 전압의 곱을 통해 약 1.48J의 아크에너지가 발생한 것으로 산출된다. 동일한 방식으로 시험모드 1부터 4까지 모두 진행되어야 하며 각 모드는 3번의 직렬아크 검출 시험이 반복 진행되어 평가된다.

Fig. 6. Experimental waveform of series arc (a) Mode 1, (b) Mode 2, (c) Mode 3, (d) Mode 4

Fig. 7. Experimental waveform of series arc detection with DC AFCI