2.1 유해 아크 정량화를 위한 아크플래시 센서 및 검출시스템 구현 방법

전기적 결함인 유해 방전 아크 플래시는 전력설비 분야에서 화재사고와 안전을 위해 필수적인 검출 항목이며 고온과 고압의 에너지를 수반한 전기적 결함은 심각한 사고와 피해의 원인이다. 본 논문에서는 전기적 결함인 유해 방전과 아크 플래시를 효과적으로 검출하기 위한 센서, 시스템을 위한 검출 프로그램 구성을 위해 현장에서 활용이 가능한 시스템 소프트웨어를 구성하였다. 그림1은 아크 플래시 검출을 위한 센서 구성을 나타내었다. 광센서는 시험을 위해 185 nm에서 850 nm까지 검출이 가능한 광전 증폭관인 PMT (Photo Multiplier Tube)를 사용하였다⁽⁸⁾. PMT는 그림2와 같이 직경 25 mm의 220 nm 대역필터 고정을 위해 지그를 구성하였으며 입력은 35 V 까지, 임피던스는 10 kΩ과 15 kHz까지 가능하다⁽⁸⁾. PMT 센서의 출력전압은 광파워밀도 (㎼/㎠)로 교정하였으며 전압 출력의 선형특성은 최소제곱법과 레벤버그-마르카토법을 이용하여 교정하였으며 이전 논문에서 보고된 바 있다⁽⁷⁾. 특히 본 논문에서 사용된 PMT 센서는 100 ㎲ 미만의 아크광 검출이 가능하며 220 nm 대역필터를 사용하여 태양광, 실내조명등 주변 광에 의한 오작동과 오검출의 제한이 가능하다.

Fig. 1. Configuration of PMT for Arc detection

Fig. 2. Mount for filter installation

아크 플래시 검출을 위한 제어장치 구성은 그림3과 같이 나타내었다. 제어장치는 동시에 2개의 PMT 센서의 입력이 가능하도록 설계하였으며 이를 위해 센서의 전압공급장치를 각 2대 설치하였다. 이때 시그널 제어장치의 전원은 220V AC 1포트로 공급하며 전면부에 메인 전원 스위치를 구성하였다. 또한 LAN 규격의 포트 1개, BNC 규격의 포트 5개 입력할 수 있도록 하였고 NI DAQ (Data acquisition) 호환 터미널 블록을 내장하여 운영 컴퓨터와 연결하도록 하였다. 컨트롤러는 1920 × 1080의 모니터와 i7 5930K의 산업용 PC를 사용하였다. 또한 무정전에 대비하여 2 kVA의 UPS (Uninterruptible Power Supply)을 이용하여 안정적인 전원 공급이 가능하도록 하였다.

Fig. 3. Picture of system configuration with signal conditioner for detecting arc flash

2.2 유해 아크 정량화를 위한 진단 프로그램 구현

유해 아크 정량화를 위한 프로그램 구성 내용은 그림4와 같이 나타내었다. 본 논문에서는 유해 아크 정량화를 위해 LabVIEW 환경에서 구성하였으며 아래 그림과 같이 데이터 획득　(Acquisition), 재분석 (Re-Analysis), 데이터 검토 (Data Review)와 레포트 자동 생성 (Report Open) 기능을 개발하였다. 데이터　획득은　아크 플래시 정보 데이터를 수집하면서 실시간으로 분석하며 재분석은 데이터를 사용자 요구사항에 맞춘 아크 정보를 분석한다. 데이터 검토은 획득한 데이터를 분석하고 레포트 자동 생성 기능을 통해 저장된 데이터를 불러오거나 검색할 수 있다.

Fig. 4. Picture of main program for arc flash monitoring

아크 플래시 데이터의 실시간 처리를 위한 프로그램은 그림5(a)와 나타내었다. 실시간 처리 프로그램은 그림5(a)와 같이 전압, 전류, 아크발생크기, 아크발생횟수, 비디오 등 모니터링을 할 수 있다. 특히 왼쪽 상단의 그래프는 전압, 전류, 아크발생을 동시에 확인할 수 있다. 아크는 출력스케일 조정을 따라 아크발생을 확인하고 x축의 따라 아크발생시간을 나타내었다. 본 논문에서는 아크 플래시 검출을 위해 2개의 PMT 센서를 교정하고 이를 이용하여 정량화를 수행하는 것이다. 따라서 아크 플래시 검출을 위해 PMT 센서를 사전에 교정하고 이를 이용하여 검출 할 수 있도록 프로그램을 구성하였다. PMT 교정은 이전에 보고된 바 있으며 출력 전압을 광파워밀도 (㎼/㎠)로 교정하였고 이때 선형적 특성이 나타내어 직선의 기울기를 이용하게 된다⁽⁷⁾. 그림5(b)와 같이 제어전압 최소값과 최대값을 설정하였다. 광밀도는 검출장치와의 거리에 따라 제곱의 반비례 하도록 설정하였고 검측 시 아크플래시 발생 가능 위치와 센서와의 거리를 적어 광밀도의 스케일을 자동으로 맞추도록 하였다. 프로그램의 응답특성은 DAQ의 사양에 비례 하나 본 논문에서는 최대 100 k의 DAQ 보드를 사용하였으며 응답 속도는 초당 40 k, 50 k, 100 k 선택이 가능하도록 하였다. 또한 아크 발생시의 영상 획득을 위해 GigE 카메라를 이용하여 검측하도록 하였으며 전류 입력이 가능한 경우 이를 분석이 가능하도록 구성하였다. 또한 아크 정량화를 위해 식(1)과 같이 검출된 유해 방전 또는 전기결함 아크 플래시의 아크 길이와 아크 발생 간격을 측정하여 계산하였으며 검출 시 아크 발생 빈도와 아크 플래시 센서의 응답속도를 비교하여 응답속도보다 낮은 아크 발생 간격은 하나의 아크로 표현하도록 구성하여 오작동을 줄일 수 있도록 구성하였으며 그림6에 백분율 기반 아크 플래시 검출 방법의 알고리즘 순서도를 나타내었다⁽¹¹⁾. 알고리즘은 최소검출시간의 5000 ㎲과 100 ㎲의 센서응답조건으로 설정하였다. 센서응답조건은 전기철도분야의 아크검측규격인 EN50317의 따라 설정하였다⁽¹²⁾.

Fig. 5. Picture of program configuration for real-time processing of arc flash data

Fig. 6. Method for arc flash detection based on percentage

3.1 유해 아크 정량화를 위한 진단 프로그램 모의시험 결과

아크 플래시 모의시험을 이용한 프로그램 검출 결과는 그림6과 같이 나타내었다. 아크 모의시험은 철도차량과 전차선간의 아크 플래시 발생에 따른 검출 시험결과를 이용하였다⁽⁹⁾. 아크 플래시 모의시험을 위한 시뮬레이터는 입력전원은 220 V로 최대 300 A까지 흐르도록 하였고 저항과 인덕터를 추가하여 부하 경감이 가능하도록 구성하였다⁽¹⁰⁾. 아크 플래시 모의 발생에 따른 검출은 그림6과 같이 시간에 따라 표시하며 이때 백분율 (%)을 이용하여 정량적인 검출을 검출율 (NQ)로 나타냈다. 본 논문에서는 아크 플래시 검출을 위한 프로그램 구성방법을 나타내었으며 정량화 검출이 가능한 백분율 (%)로 표현이 가능할 수 있도록 구성하였다. 그림7은 아크 플래시 기반의 유해 아크 검출장치의 교정 결과를 나타내었다. 그림8과 같이 본 논문에서 제안한 프로그램과 동일한 최소검출시간의 5000 ㎲과 100 ㎲의 센서응답 조건에 따라 아크 플래시의 검출이 반응함을 알 수 있다. 그림8(a)는 아크의 크기가 5 ms 이며 75 ㎲의 미검출 속도를 정확하게 인지하여 두 개의 아크를 연속아크로 판정한 결과를 나타낸다. 그림8(b)는 75 ㎲의 아크 플래시를 연속 검출하며 기준값인 100 ㎲ 이내로 하나의 아크로 판정한 결과이다. 그러나 향후 아크 발생에 따른 전류값과의 비교를 통해 기존의 아크 플래시 유해정도의 기술기준과의 비교 등 진단시스템 사용을 위한 추가 시험은 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 7. Results of the diagnostic program simulation

Fig. 8. Results of the pulse generation test as a function of response time of PMT