[논문]병렬아크의 고속차단에 관한 연구

길경석; 지홍근; 박대원; 김일권; 김영일; 조영진

doi:10.5207/jieie.2008.22.12.095

[국내논문] 병렬아크의 고속차단에 관한 연구
A Study on the High Speed Interruption of Parallel Arcing 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.22 no.12, 2008년, pp.95 - 100

길경석 (한국해양대학교 전기전자공학부) , 지홍근 (한국해양대학교 대학원 전기전자공학부) , 박대원 (한국해양대학교 대학원 전기전자공학부) , 김일권 ((주)케이디파워 중앙연구소) , 김영일 (대림대학 전기과) , 조영진 (국립수사연구소)

초록
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기존의 누전차단기는 병렬아크에 대해서 차단을 실패하거나 차단시간이 결어지는 결함이 있었다. 본 논문에서는 저압 옥내배선 계통에서 병렬아크를 모의하여 기존 누전차단기의 차단특성을 분석하고, 병렬아크 검출에 적합한 공심형 전류센서와 신호변환회로를 설계하여 기존 방식의 누전차단기에 적용하였다. 제안한 방식은 병렬아크의 발생위치와 관계없이 누전차단기를 동작시켰으며, 차단시간은 아크가 발생한 위상에 따라 $1.74{\sim}8.3[ms]$의 범위로 기존 차단기에 비해 약 5배 빠른 특성이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Conventional Earth Leakage Circuit Breakers (ELCBs) have defects of a breaking failure or a long breaking-time against parallel arc current. In this paper, breaking characteristics of conventional ELCBs were analyzed by simulation of parallel arc in a low-voltage indoor wiring system, and an air-core current sensor and a signal converter being most available for parallel arc detection were developed and applied to a conventional ELCB. The proposed tripped the ELCB regardless of the location of parallel arc. The breaking-time was in ranges of $1.74{\sim}8.3[ms]$ depending on the phase of arc generation, which is about 5 times as fast as conventional ELCBs with the breaking-time of 50[ms].

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문은 저압 옥내배선에서 발생하는 병렬 아크에 대응하여 수 [ms] 이내로 동작할 수 있는 차단방법에 대하여 기술하였다. 아크전류를 검출하기 위하여 과도전류에 포화되지 않는 공심형변류기를 적용하고 기존의 누전차단기 트립 회로를 개선하여 보호협조 하도록 구성함으로써 병렬 아크 발생 시 수 [ms]의 짧은 시간에 차단할 수 있음을 확인하였다.
이러한 경우, 병렬아크가 발생하더라도 종래의 배선용 차단기 또는 누전차단기는 최종 차단까지 상대적으로 많은 시간이 소요되며, 심지어 도선의 발열에 의해 화재가 발생할 때까지 차단기가 동작하지 않을 수도 있다. 따라서 본 연구에서는 30[A]급의 다양한 옥내용 차단기에 대해 선로의 길이에 따른 트립특성을 분석하였으며, 이를 기준으로 병렬아크를 검출하기 위한 아크 전류의 레벨을 선정하였다.
문제점을 가지고 있대8]. 따라서 본 연구에서는 차단기의 고장전류 검출회로에서 SCR (Silicon Controlled Rectifier)을 이용하여, 이를 해결하고자 한다.

제안 방법

따라서 병렬아크를 검출하는 센서는 이러한 대전류 영역에서도 충분히 검출할 수 있는 특성을 가져야 한다. 그리고 차단기의 트립시간 즉 차단기의 동작시간은 케이블 길이에 비례하여 증가하였다. 샘플 A를 제외한 B, C는 최대 60[ms] 이내에서 고장 전류를 차단하는 비교적 양호한 결과를 나타내었으나, 전기화재를 예방하기 위해서는 병 렬아크를 가능한 한 수 [ms]이내의 짧은 시간으로 차단할 필요가 있다.
본 연구의 대상인 옥내배선은 가령, 아파트를 예로 든다면, 옥내 인입선이 변전실로부터 최소 수 십 [m] 떨어진 거리에 위치하며 배선용차단기 또는 누전차단기도 말단 부하까지는 최대 30[m] 정도의 거리를 갖는다. 따라서 병렬아크 발생에 대한 차단실험은 선로의 임피던스에 따른 즉, 선로의 길이 변화에 대한 아크 전류의 특성분석에 중점을 두었다. 대부분 병렬 아크 전류의 크기는 차단기의 정격보다 크다.
따라서 본 실험은 옥내배선의 길이를 고려하여 병 렬아크가 발생한 상황을 모의하였다. 일반적으로 옥내 분전반에서 말단 부하까지 배선의 길이는 대략 30[m]이므로 이 범위 내에서 케이블 길이에 따른 병렬아크의 차단실험을 하였다.
턴 수, S는 공심 코어의 단면적이다. 본 논문에서는 병렬아크에 의해 발생하는 전류를 측정하기 위한 센서로서 순시 대전류에도 자기적으로 포화되지않는 로고우스키 코일을 사용하였다. 또한 그림 3의 실험 결과를 통해 기존의 누전차단기에서는 병렬 아크가 발생하였을 경우 최대 60[ms] (샘플 A제외) 의시간 내에 고장상태를 차단하지만, 이는 전기화재로 확대되는 것을 방지하기에는 충분하지 않다.
본 논문에서는 저압 옥내배선에서 전기화재의 원인이 되는 아크를 검출하기 위하여' 실제 배선에서 발생할 수 있는 단락상황을 모의하였다’ 병렬아크는 다이케스팅 외함에서 선로를 강제 단락시키는 방법을 이용하여 임의적으로 발생시켰으며, 검출 레벨을 결정하기 위하여 선로의 길이에 따른 병렬아크 전류를 측정하였다.
병렬로 접속하였다. 본 연구에서 아크 발생 장치는 실제 옥내배선에서 발생하는 병렬아크를 모의하기 위하여 방폭형 다이케스팅 외함내에서 1.6[mm] 비닐절연전선을 강제로 접촉시켰다. 이때 전압과 전류 파형은 디지털 오실로스코프로 측정된다.
것을 확인하였다. 비교적 짧은 시간이지만, 병렬 아크가 발생하면 동반된 아크열에 의한 화재의원인이 될 수 있기 때문에, 이를 차단하기 위하여 병렬 아크를 검출할 수 있는 트립회로를 설계하였다. 설계한 누전차단기의 트립회로에서 사용한 로고우스키 코일은 정상부하의 초기 기동시 나타나는 돌입전류 및 정상전류에 대해 출력을 나타내지 않지만, 병렬아크 발생시 빠른 상승률을 갖는 대전류에 대해 로고우스키 코일의 출력단에서 펄스전압을 확인하였다.
비교적 짧은 시간이지만, 병렬 아크가 발생하면 동반된 아크열에 의한 화재의원인이 될 수 있기 때문에, 이를 차단하기 위하여 병렬 아크를 검출할 수 있는 트립회로를 설계하였다. 설계한 누전차단기의 트립회로에서 사용한 로고우스키 코일은 정상부하의 초기 기동시 나타나는 돌입전류 및 정상전류에 대해 출력을 나타내지 않지만, 병렬아크 발생시 빠른 상승률을 갖는 대전류에 대해 로고우스키 코일의 출력단에서 펄스전압을 확인하였다.

대상 데이터

누전차단기의 특성을 분석하기 위하여 케이블 길이 10[m], 20[m], 25[m], 30[m])에 따른 실험을 수행하였다. 동일한 정격을 갖는 차단기에 대하여 제조사가 다른 3사의 제품을 대상으로 선정하여, 병렬 아크 발생에 따른 차단전류와 차단시간을 측정하여 특성을 그림 3에 나타내었다.
동일한 정격을 갖는 차단기에 대하여 제조사가 다른 3사의 제품을 대상으로 선정하여, 병렬 아크 발생에 따른 차단전류와 차단시간을 측정하여 특성을 그림 3에 나타내었다.
요소는 아크저항과 선로의 임피던스이다. 본 연구의 대상인 옥내배선은 가령, 아파트를 예로 든다면, 옥내 인입선이 변전실로부터 최소 수 십 [m] 떨어진 거리에 위치하며 배선용차단기 또는 누전차단기도 말단 부하까지는 최대 30[m] 정도의 거리를 갖는다. 따라서 병렬아크 발생에 대한 차단실험은 선로의 임피던스에 따른 즉, 선로의 길이 변화에 대한 아크 전류의 특성분석에 중점을 두었다.

성능/효과

그림에서와 같이 병렬아크가 발생하여 길이에 따라 483.3[A], 2U.7[A], 의 펄스성 전류가 흘렀으며, 이러한 병렬아크 방전신호를 SCR에 직접 인가함으로써 3.51ms], 6.9[ms], 5.25[ms]로 차단되어 선로의 길이에 상관없이 한 사이클 이내의 고속 차단이 가능함을 확인하였다.
또한 차단특성 실험결과 병 렬아크 발생에 따른 차단시간은 전원전압의 위상에 따라 트립회로의 동작 시간이 달라짐을 확인할 수 있었다. 그림 6은 SCR 게이트에 트리거 신호를 줄 때’ 전원전압의 위상에 따른 차단시간을 분석한 것으로, 총 16(词에 걸쳐 수행하였다.
본 논문에서 제안한 방식으로 병렬아크의 발생 위치와 관계없이, 전원전압의 위상에 따라서 최소 1.74[ms]에서 최대 8.3[ms]에 차단함으로써 기존 차단기 평균 차단시간 50[ms]보다 약 5배 이상 빠른 차단 특성을 나타내었다.
선로 길이에 따른 병렬아크의 발생에 대하여 누전차단기의 트립특성 실험으로부터 병렬아크의 발생 후 차단되기까지 수 십~수 백 [ms] 시간이 소요되는 것을 확인하였다. 비교적 짧은 시간이지만, 병렬 아크가 발생하면 동반된 아크열에 의한 화재의원인이 될 수 있기 때문에, 이를 차단하기 위하여 병렬 아크를 검출할 수 있는 트립회로를 설계하였다.
차단방법에 대하여 기술하였다. 아크전류를 검출하기 위하여 과도전류에 포화되지 않는 공심형변류기를 적용하고 기존의 누전차단기 트립 회로를 개선하여 보호협조 하도록 구성함으로써 병렬 아크 발생 시 수 [ms]의 짧은 시간에 차단할 수 있음을 확인하였다.
이상의 실험결과로부터 병렬아크가 발생할 경우, 정상상태와 확연히 구분되는 펄스성 대전류가 흐르는 것을 확인하였으며, 이러한 특징을 이용하여 일정 레벨을 넘는 전류를 검줄하는 방법을 적용하면 쉽게 병렬아크의 발생유무를 판단할 수 있다.

후속연구

특히, 제안한 로고우스키 코일을 검출센서로 이용하여 출력신호를 차단기의 트립신호로 적용함으로써, 누전차단기의 성능을 크게 향상시켜 전기화재 예방에 기여할 수 있을 것으로 생각한다.

참고문헌 (8)

KESCO, "A Statictical Analysis on the Electric Accident", KESCO Report, Vol. 15, p. 7, 2006
George D. Gregory, and Gary W. Scott, "The Arc-Fault Circuit Interrupter : An Emerging product", IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 34, No. 5, pp. 928-933, 1998

상세보기
Chunlin Li, Francis Dawson, Hassan Kojori, Chris Meyers, and Edwin Yue, "Arc Fault Detection and Protection-Opportunities and Challenges", SAE Technical Papers, 2003-01-3037, pp. 590-597, 2003
George D. Gregory, Kon Wong, and Robert F. Dvorak, "More About Arc-Fault Circuit Interrupters", IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 40, No. 4, p. 1006, 2004

상세보기
Underwriters Laboratories, "UL1699-Standard for Arc-Fault Circuit-Interrupters", 2006
V. Dubickas, H. Edin, "High-Frequency Model of the Rogowski Coil With a Small Number of Turns", IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, vol 56, no. 6, pp. 2284-2288, 2007

상세보기
Kin-Lu Wong, "New structure for a slow-wave Rogowski coil", IEEE Trans. in Plasma Science, vol. 19, no. 6, pp. 1290-1291, 1991

상세보기
유재근, 이상익, 전정채, "자가용 수용가에서 배전용 및 누전차단기 오동작에 대한 조사연구", 한국조명전기설비학회, Vol. 19, No. 2, pp.87-93, 2005

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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