[논문]이산 웨이블렛 변환을 이용한 직렬 아크고장 신호 검출 방법 분석

방선배; 김종민; 박종연; 정영식

이산 웨이블렛 변환을 이용한 직렬 아크고장 신호 검출 방법 분석
Analysis of Detection Method for Series Arc Fault Signal by using DWT 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.58 no.3, 2009년, pp.362 - 368

방선배 (전기안전연구원) , 김종민 (전기안전연구원) , 박종연 (강원대학교 전기.전자공학과) , 정영식 (인천대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Electrical fires have been occurred continuously in spite of installing ELB. Therefore the concern with the electrical arc-fault that cause the fire has growing. This paper measured series arc fault currents by the method of arc generator test in UL standard 1699. The used analysis methods in this paper are three different ways using DWT(discrete wavelet transform) those are frequently used for the arc fault current signal analysis. The arc fault detection probability is 100 % by method using noise-energy/shoulder-duration ratio of approximation coefficient. As these results, the variation of noise-energy and shoulder-duration ratio of approximation coefficient are founded important factors for the analysis of arc fault.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 UL 1699의 아크 저해시험에서 제시되고 있는 직렬 아크고장시험을 가정용 부하기기 8종에 대하여 실시하고 아크고장 신호의 특징을 분석하였다. 또한 아크고장전류 분석방법으로 최근에 많이 사용되고 있는 이산 웨이블렛 변환을 이용한 3가지 분석방법에 대하여 아크고장전류 검출량을 비교 분석하였다.
본 논문에서는 아크고장 신호 분석에 적합한 모 웨이블렛을 선정하기 위하여 아크고장 신호 분석에 많이 사용되는 daubechies 4(db4), symlets 4(sym4), coiflets 4(coif4), daubechies 14(db14)를 검토하였다. 검토 방법은 원 신호의 기본 파형이 왜곡되지 않고 아크의 특징인 써지성 파형과 잡음이 동일 레벨에서 많이 제거되는 제거량을 기준으로 하였다.
본 논문에서는 아크고장전류 신호 분석방법으로 최근에 많이 사용되고 있는 ①근사계수 분석방법에 의한 최대치 변화율 · 실효치 변화율 분석방법[16-17], ②상세계수 분석 방법에 의한 최대치 변화율 · 실효치 변화율 분석방법[10- 15], ③근사계수 분석방법에 의한 잡음량 변화율·shoulder 유지시간 변화율 분석방법[16-17] 등 3가지 분석방법을 비교분석하고, 직렬 아크고장 신호 검출을 위한 중요한 항목이 무엇인지 판단하고자 한다.
본 논문은 다양한 부하기기의 전원선에서 발생하는 다양한 특징을 갖는 직렬 아크고장 전류를 이산 웨이블렛 변환을 이용한 3가지 방법으로 분석하고 검출 확률을 얻기 위한 것으로써, 일반 가정에서 많이 사용하고 있는 다수의 부하기기를 대상으로 하였다. 아크고장 전류를 측정하기 위한 회 로는 UL 1699 규격[4]에 따라 그림 2와 같이 구성하고 그림 3과 같은 직렬 아크발생장치를 개발하여 사용하였다.

제안 방법

본 논문에서는 아크고장 신호 분석에 적합한 모 웨이블렛을 선정하기 위하여 아크고장 신호 분석에 많이 사용되는 daubechies 4(db4), symlets 4(sym4), coiflets 4(coif4), daubechies 14(db14)를 검토하였다. 검토 방법은 원 신호의 기본 파형이 왜곡되지 않고 아크의 특징인 써지성 파형과 잡음이 동일 레벨에서 많이 제거되는 제거량을 기준으로 하였다. 표 1은 이산 웨이블렛 변환을 레벨 4까지 실현할 경우, 각각의 근사계수에서 제거되는 잡음 제거량의 합계를 나타낸다.
표 1에서 합계가 가장 크고 8종의 부하기기 중, 4개의 부하기기에서 가장 큰 값을 갖는 모 웨이블렛은 db4이다. 따라서 본 논문에서는 아크로 인한 써지성 파형과 잡음 제거에 우수한 db4를 모 웨이블렛으로 결정하였다.
따라서 상세계수 분석방법에 의한 최대치 변화율 기준치는 1.5, 실효치 변화율 기준치는 0.8, 근사계수 분석방법에 의한 최대치, 실효치, 잡음량, shoulder 유지시간 변화율 기준치를 0.1로 결정하고 아크고장 전류 검출량을 계산하였다.
본 논문에서는 UL 1699의 아크 저해시험에서 제시되고 있는 직렬 아크고장시험을 가정용 부하기기 8종에 대하여 실시하고 아크고장 신호의 특징을 분석하였다. 또한 아크고장전류 분석방법으로 최근에 많이 사용되고 있는 이산 웨이블렛 변환을 이용한 3가지 분석방법에 대하여 아크고장전류 검출량을 비교 분석하였다. 분석결과, ①근사계수 분석방법에 의한 최대치 변화율 · 실효치 변화율 분석방법은 총 480회 중에서 230회를 검출할 수 있었고, ②상세계수 분석방법에 의한 최대치 변화율 · 실효치 변화율 분석방법은 258회를 검출할 수 있었으며, ③근사계수 분석방법에 의한 잡음량 변화율 · shoulder 유지시간 변화율 분석방법은 351회를 검출할 수 있었다.
본 논문에서는 기존에 발표된 상세계수의 최대치, 실효치를 분석하는 방법[10-15]과 근사계수의 최대치, 실효치를 분석하는 방법[16-17], 잡음량, shoulder 유지시간을 분석하는 방법[16-17]을 정량적으로 비교하였다. 정량적 비교를 위해서 다음과 같이 동일한 조건을 설정하고 아크고장 검출 확 률을 비교하였다.
분해 레벨은 분석하고자 하는 아크고장 전류의 근본 파형이 왜곡되지 않고, 아크로 인해 발생한 노이즈 및 펄스 신호가 근사적인 아크고장 전류보다 작아져야 하며, 아크고장 검출을 위하여 제시된 항목의 평균값이 가장 크게 나타나는 레벨 4를 분해 레벨로 결정하였다.
웨이블렛 함수 ψ[n]은 스케일 함수를 이용하여 구현한다. 스케일 함수와 직교하는 기저함수를 이용하여 웨이블렛 공간을 생성하고, 함수 집합을 정의함으로써 웨이블렛 함수를 구한다. 이때 웨이블렛 함수 집합은 스케일 함수에 의해 생성된 공간에 포함되기 때문에 식 (3)과 같이 식 (2)에서 정의된 스케일 함수 φ[2n]으로 표현할 수 있다.
본 논문은 다양한 부하기기의 전원선에서 발생하는 다양한 특징을 갖는 직렬 아크고장 전류를 이산 웨이블렛 변환을 이용한 3가지 방법으로 분석하고 검출 확률을 얻기 위한 것으로써, 일반 가정에서 많이 사용하고 있는 다수의 부하기기를 대상으로 하였다. 아크고장 전류를 측정하기 위한 회 로는 UL 1699 규격[4]에 따라 그림 2와 같이 구성하고 그림 3과 같은 직렬 아크발생장치를 개발하여 사용하였다.
본 논문에서는 기존에 발표된 상세계수의 최대치, 실효치를 분석하는 방법[10-15]과 근사계수의 최대치, 실효치를 분석하는 방법[16-17], 잡음량, shoulder 유지시간을 분석하는 방법[16-17]을 정량적으로 비교하였다. 정량적 비교를 위해서 다음과 같이 동일한 조건을 설정하고 아크고장 검출 확 률을 비교하였다.

대상 데이터

직렬 아크발생장치는 고정전극과 이동전극으로 구성되며, 고정전극은 구리봉을 사용하였고 이동전극은 탄소-흑연봉을 사용하였다. 측정은 오실로스코프(1MS/s sample rate) 를 이용하였고 전류 측정은 50MHz 밴드를 갖는 CT를 사용하였다.
직렬 아크발생장치는 고정전극과 이동전극으로 구성되며, 고정전극은 구리봉을 사용하였고 이동전극은 탄소-흑연봉을 사용하였다. 측정은 오실로스코프(1MS/s sample rate) 를 이용하였고 전류 측정은 50MHz 밴드를 갖는 CT를 사용하였다.

성능/효과

따라서 잡음량 변화율과 shoulder 유지시간 변화율을 결합하여 사용한다면, 모든 부하의 전원선에서 발생하는 직렬 아크고장 전류를 검출할 수 있음을 알 수 있었다. 그러므로 직렬 아크고장 신호 분석에서는 아크로 인하여 발생하는 잡음량 및 shoulder 유지시간 변화율이 매우 중요한 항목임을 알 수 있었다.
잡음량 변화율 분석방법으로는 5개 부하에서 발생하는 아크고장을 100 % 검출할 수 있으며, shoulder 유지시간 변화율 분석방법으로도 5개 부하에서 발생하는 아크고장을 100% 검출할 수 있음을 알수 있었다. 따라서 잡음량 변화율과 shoulder 유지시간 변화율을 결합하여 사용한다면, 모든 부하의 전원선에서 발생하는 직렬 아크고장 전류를 검출할 수 있음을 알 수 있었다. 그러므로 직렬 아크고장 신호 분석에서는 아크로 인하여 발생하는 잡음량 및 shoulder 유지시간 변화율이 매우 중요한 항목임을 알 수 있었다.
이와 같은 분석방법으로 측정된 8개 부하의 최대치 변화율, 실효치 변화율, 잡음량 변화율, shoulder 유지시간 변화율을 계산하고, 그 결과를 그림 15~18에 나타내었다. 모든 부하에서 정상전류의 최대치 변화율, 실효치 변화율, 잡음량 변화율, shoulder 유지시간 변화율이 0.03 이하로써 그림에서 제외하였으며, 아크고 장전류의 변화율은 그림에서와 같이 측정된 부하의 종류에 따라 많은 차이가 나타남을 알 수 있다.
분석 결과, 근사계수 분석방법에 의한 최대치, 실효치 화율은 능동 역률개선회로를 포함하고 있지 않은 개인용 퓨터, 텔레비전, CFL 램프의 전원선에서 발생하는 아크고장 신호를 쉽게 검출할 수 있으며, 다른 부하에서 발생하는 아크고장 신호는 검출하기가 어렵다. 상세계수 분석방법에 의 한 최대치, 실효치 변화율은 텔레비전, 형광램프, 냉장고 부하에서 발생하는 아크고장을 대부분 검출할 수 있으며 다른 부하에서 발생하는 아크고장은 검출 확률이 낮다.
분석결과, ①근사계수 분석방법에 의한 최대치 변화율 · 실효치 변화율 분석방법은 총 480회 중에서 230회를 검출할 수 있었고, ②상세계수 분석방법에 의한 최대치 변화율 · 실효치 변화율 분석방법은 258회를 검출할 수 있었으며, ③근사계수 분석방법에 의한 잡음량 변화율 · shoulder 유지시간 변화율 분석방법은 351회를 검출할 수 있었다.
분석결과, ①근사계수 분석방법에 의한 최대치 변화율 · 실효치 변화율 분석방법은 총 480회 중에서 230회를 검출할 수 있었고, ②상세계수 분석방법에 의한 최대치 변화율 · 실효치 변화율 분석방법은 258회를 검출할 수 있었으며, ③근사계수 분석방법에 의한 잡음량 변화율 · shoulder 유지시간 변화율 분석방법은 351회를 검출할 수 있었다. 잡음량 변화율 분석방법으로는 5개 부하에서 발생하는 아크고장을 100 % 검출할 수 있으며, shoulder 유지시간 변화율 분석방법으로도 5개 부하에서 발생하는 아크고장을 100% 검출할 수 있음을 알수 있었다. 따라서 잡음량 변화율과 shoulder 유지시간 변화율을 결합하여 사용한다면, 모든 부하의 전원선에서 발생하는 직렬 아크고장 전류를 검출할 수 있음을 알 수 있었다.
검출 기준치를 낮게 선정할 경우에는 제시된 방법에 의한 검출 확률이 높아지지만, 정상전류에서 나타나는 작은 변화도 아크고장으로 판단할 수 있어 검출 오차가 증가된다. 적정한 기준치 선정을 위하여 분석한 결과, 검출 기준치를 0.1로 결정하는 것이 검출 오차가 적으며 가장 타당한 것으로 분석되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	누전차단기가 100 % 보급된 상황에서도 전기로 인한 화 재가 지속적으로 발생으로 무엇에 대한 관심이 증가하였는가?	누전차단기가 100 % 보급된 상황에서도 전기로 인한 화 재가 지속적으로 발생하고 있어, 이와 관련한 전기 아크 (Arc)에 대한 관심이 증가하고 있는 실정이다. 1994년, 미국 의 주요 재해예방기관인 NFPA(National Fire Protection Association), CPSC(Consumer Product Safety Commiss -ion), UL(Underwriters Laboratories) 등이 합동으로 발표 한 전기화재의 원인 규명 조사연구 결과 보고서에 의하면 주택의 전기화재는 40 % 이상이 아크고장으로 발생하고, 최 근 5년간 발생한 전기화재는 80 % 정도가 아크고장으로 인 한 화재라고 발표하였다[1-2].
	이산 웨이블렛 변환을 실현하기 위해 필요한 모 웨어블렛의 종류에는 어떤 것이 있는가?	모 웨이블렛의 종류는 Harr, Morlet, Daubechies, Symlets 등 매우 다양하지만, 일반적으로 아크고장 신호분 석에 사용되는 모 웨이블렛은 Daubechies 4(db4), symlets 4(sym4), coiflets 4(coif4), Daubechies 14(db14) 등이 있다 [10-17].
	이산 웨이블렛 변환 실현을 위해 반드시 필요한 것은?	이산 웨이블렛 변환을 실현하기 위해서는 모 웨이블렛 (mother wavelet)과 분해 레벨(Level)의 선정이 반드시 필요하다. 모 웨이블렛을 선정한다는 것은 신호 분석을 위한 최적의 필터를 선정하는 것과 같다.

참고문헌 (17)

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상세보기
박선배, 박종연, "웨이블렛 변환을 이용한 직렬 아크고장 신호 분석", 대한전기학회 논문지, Vol. 57, No. 3, pp. 494~500, Mar., 2008
방선배, 박종연, 장목순, 최원호, "웨이블렛 변환을 이용한 비선형 부하 전원선에서의 직렬 아크고장 신호분석", 대한전기학회지 논문지, Vol. 57, No. 8, pp. 1470~1476, Aug., 2008

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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