고정밀 전류센서를 이용한 저압배전계통 이중 보호용 전기화재 방재장치 Electrical Fire Disaster Prevention Device of Double Protection using a High Precision Current Sensor in Low Voltage Distribution System원문보기
오늘날 전기제품의 다양화, 대용량화와 더불어 전기화재의 발생이 점차 증가하고 있다. 반면 저압 배전계통에서 사용되고 있는 기존의 과부하겸용 누전차단기 즉, RCD의 저조한 응답특성으로 인한 전기화재 원인의 대부분을 차지하는 단락사고 및 과부하사고에 대한 대응이 매우 미흡한 실정이다. 이에 본 논문에서는 기존 RCD에 대한 모의 사고실험을 통하여 그 비신뢰성을 확인하고, 이러한 RCD의 단점을 개선하고자 고정밀 전류센서를 이용한 전기화재 방재장치를 제안하여 저압 배전계통에서의 단락 및 과부하사고로 인한 전기재해를 방지하고자 한다. 제안한 장치의 고정밀 전류센서로 사용된 리드스위치는 각종 전기사고에서 수반되는 단락전류 및 과전류에 의한 배전선로의 상승된 자속을 정밀 감지한 후, 자체 차단장치를 동작시키거나 또는 기 설치된 RCD를 신속히 차단시키는 이중 보호용 제어 동작원리를 가진다. 다양한 동작특성 분석을 통해 기존의 차단기와 비교하여 차단동작 응답속도와 신뢰성이 입증된다. 이로써 제안한 전기화재 방재장치는 기존 RCD들의 빈번한 오동작과 비신뢰성, 저조한 응답특성으로 인한 각종 전기사고 및 전기화재의 발생을 방지하고자 한다.
오늘날 전기제품의 다양화, 대용량화와 더불어 전기화재의 발생이 점차 증가하고 있다. 반면 저압 배전계통에서 사용되고 있는 기존의 과부하겸용 누전차단기 즉, RCD의 저조한 응답특성으로 인한 전기화재 원인의 대부분을 차지하는 단락사고 및 과부하사고에 대한 대응이 매우 미흡한 실정이다. 이에 본 논문에서는 기존 RCD에 대한 모의 사고실험을 통하여 그 비신뢰성을 확인하고, 이러한 RCD의 단점을 개선하고자 고정밀 전류센서를 이용한 전기화재 방재장치를 제안하여 저압 배전계통에서의 단락 및 과부하사고로 인한 전기재해를 방지하고자 한다. 제안한 장치의 고정밀 전류센서로 사용된 리드스위치는 각종 전기사고에서 수반되는 단락전류 및 과전류에 의한 배전선로의 상승된 자속을 정밀 감지한 후, 자체 차단장치를 동작시키거나 또는 기 설치된 RCD를 신속히 차단시키는 이중 보호용 제어 동작원리를 가진다. 다양한 동작특성 분석을 통해 기존의 차단기와 비교하여 차단동작 응답속도와 신뢰성이 입증된다. 이로써 제안한 전기화재 방재장치는 기존 RCD들의 빈번한 오동작과 비신뢰성, 저조한 응답특성으로 인한 각종 전기사고 및 전기화재의 발생을 방지하고자 한다.
Nowadays the diversity and large-capacity of electric appliances are strong effect on electrical fires augment in an alarming way. But, as the inactive response characteristics of the existing RCD (Residual Current protective Device) used on low voltage power distribution system, so control of overl...
Nowadays the diversity and large-capacity of electric appliances are strong effect on electrical fires augment in an alarming way. But, as the inactive response characteristics of the existing RCD (Residual Current protective Device) used on low voltage power distribution system, so control of overload and electric short circuit faults, major causes of electrical fires, are not enough. Therefore, this paper is confirmed the unreliability of the existing RCD by electrical fault simulator and is proposed a Electrical Fire Disaster Prevention Device (EFDPD) by using a high precision current sensor (namely, reed switch) for the prevention of electrical disasters in low voltage power distribution system caused by overload or electric short circuit faults. The sensitive reed switch in the proposed EFDPD exactly detects the increased magnetic flux with the overload or the short current caused by a number of electrical faults, and the following, the EFDPD has double protection function which operates self circuit breaker or rapidly cuts off the existing RCD. The proposed EFDPD is confirmed the excellent characteristics in response velocity and accuracy in comparison with the conventional circuit breaker through various operation performance analysis. The proposed EFDPD can also prevent electrical disaster, like as electrical fires, which resulted from the malfunction and inactive response characteristics of the existing RCD.
Nowadays the diversity and large-capacity of electric appliances are strong effect on electrical fires augment in an alarming way. But, as the inactive response characteristics of the existing RCD (Residual Current protective Device) used on low voltage power distribution system, so control of overload and electric short circuit faults, major causes of electrical fires, are not enough. Therefore, this paper is confirmed the unreliability of the existing RCD by electrical fault simulator and is proposed a Electrical Fire Disaster Prevention Device (EFDPD) by using a high precision current sensor (namely, reed switch) for the prevention of electrical disasters in low voltage power distribution system caused by overload or electric short circuit faults. The sensitive reed switch in the proposed EFDPD exactly detects the increased magnetic flux with the overload or the short current caused by a number of electrical faults, and the following, the EFDPD has double protection function which operates self circuit breaker or rapidly cuts off the existing RCD. The proposed EFDPD is confirmed the excellent characteristics in response velocity and accuracy in comparison with the conventional circuit breaker through various operation performance analysis. The proposed EFDPD can also prevent electrical disaster, like as electrical fires, which resulted from the malfunction and inactive response characteristics of the existing RCD.
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문제 정의
고정밀 전류센서로 사용된 리드스위치는 각종 전기사고에서 수반되는 아크 및 스파크 전류에 의한 배전선로의 상승된 자속을 정밀 감지한 후, 자체 차단장치를 동작시키거나 또는 기 설치된 RCD를 누전으로 인식시켜 신속히 RCD를 차단시키는 신개념의 이중 보호용 제어구조를 가진다. 다양한 동작특성 분석을 통해 제안한 EFDPD의 우수성을 입증하고, 기존 RCD의 빈번한 오동작과 비신뢰성, 저조한 응답특성으로 인한 각종 전기사고 및 전기화재를 방지하고자 한다.
본 논문에서는 저압 배전계통의 전기화재의 주요 원인이 되는 단락 및 과부하사고, 선로노후 및 접속·접촉 불량에 의한 아크 및 스파크발생에 대해 기존의 차단기로는 차단이 불가능한 문제점을 해결하기 위한 이중 보호용 전기화재 방재장치를 개발하여 제안하였다.
본 논문에서는 전기화재의 요인이 되는 단락 및 과부하사고에 의한 아크나 스파크를 감지하여 제안한 EFDPD의 자체 차단장치를 동작시키거나 또는 기존 RCD를 트립시키는 이중 보호용 제어장치를 개발하여 기존 RCD의 문제점을 개선하고자 한다. 단상 저압 배전계통에 대한 제안한 EFDPD를 Figure 6에 나타낸다.
이러한 문제점들을 개선하기위해 본 논문에서는 고정밀 전류센서(리드스위치)를 이용한 전기화재 방재장치(EFDPD)를 개발함으로써 저압 배전계통에서의 단락 및 과부하사고로 인한 전기재해를 방지하고자 한다. 고정밀 전류센서로 사용된 리드스위치는 각종 전기사고에서 수반되는 아크 및 스파크 전류에 의한 배전선로의 상승된 자속을 정밀 감지한 후, 자체 차단장치를 동작시키거나 또는 기 설치된 RCD를 누전으로 인식시켜 신속히 RCD를 차단시키는 신개념의 이중 보호용 제어구조를 가진다.
제안 방법
먼저, 자체 차단용 릴레이 RL2의 동작으로 인해 릴레이 접점 RL2-b가 턴-오프하고 부하단을 격리시켜 계통을 보호하게 된다. 다음으로 사고 발생과 함께 릴레이 RL3의 동작과 릴레이 접점 RL3-a의 턴-온으로 인한, 전압선로와 접지(GND)간에 강제적인 단락회로가 형성되어 기존의 RCD로 하여금 누전으로 인식시키게 한다. 통상 동작감도전류가 15~30mA에서 정밀하게 동작하는 RCD는 큰 값의 강제적인 단락 접지전류에 의해 신속하게 RCD를 동작시키는 결과를 가져온다.
리드스위치는 외부 자계의 간섭을 없애기 위해 원통형 PVC 자성체를 적용시켰고, 리드스위치의 감도전류 설정값은 이상전류의 크기를 감안하여 약 250AT을 기준하고 2.5[turn]으로 설계하였다. 그리고 화재의 위험성이 저조한 유도성 부하의 개폐시나 뇌임펄성 써지 (충격파) 등 주기가 2ms이하의 속류성 전기신호에 대해서 RCD의 오동작을 방지하기위해 전력용 릴레이의 동작시간이 3ms~5ms인 소자로 선정하였다.
Figure 9와 Figure 10은 단락 및 과부하사고에 대해 제안한 이중 보호용 EFDPD의 동작성능을 확인하기위한 분석파형으로써 인위적인 사고발생 시뮬레이터을 통해 측정한 결과이다. 본 실험을 위한 인위적인 단락 및 과부하사고에 의한 아크발생 시뮬레이터는 상기 기존 RCD 성능분석에서 사용한 것과 같이 AC 220V선 간에 탄소저항(색저항) 6.8kΩ/0.25W를 순간 단락시켜 저항체의 순간적인 파손에 의해 발생되는 불꽃방전으로 유도하였다.
Figure 5(a), (b)는 단락사고에 의한 아크전류 발생에 대한 RCD의 동작유무를 확인하기위한 분석파형으로써 인위적인 사고발생 시뮬레이터를 통해 측정한 결과이다. 본 실험을 위한 인위적인 아크발생 시뮬레이터는 AC 220V 선간에 탄소저항(색저항) 6.8kΩ/0.25W를 순간 단락시켜 저항체의 순간적인 파손에 의해 발생되는 불꽃방전으로 유도하였다. Figure 5(a)의 RCD의 성능분석결과에서 순간단락 아크전류(최대치 400A, 아크 폭 12ms)의 매우 큰 전류가 흘렀으나 RCD의 차단이 불가능함을 보인다.
제안한 EFDPD는 각종 전기사고가 발생할 경우 이상전류를 검출하고 접지를 통해 강제적으로 단락 접지 전류를 흘러 보내어 기존의 RCD로 하여금 누전으로 인식시켜 차단기를 트립시키는 참신한 제어기법으로 설계되었으며, 또한 자체 차단기능이 있어 이중으로 계통을 보호하는 특징이 주어졌다. 이상전류의 검출에는 고정밀의 응답특성과 내구력이 우수한 리드스위치를 사용하여 제어장치의 신뢰성을 증가시켰다.
제안한 EFDPD의 회로구성은 Figure 6(b)와 같이 전원공급단자 T1과 T3, 부하 출력단자 T2와 T4 및 접지 단자 G에 구성되고, 내부회로는 EFDPD의 직류전원 공급을 위한 분압용 커패시터 C1, 써지(surge)보호용 배리스터(varistor) V1, 정류용 브릿지 다이오드 D1~D4, 평활용 커패시터 C2, 이상전류를 검출하는 고정밀 전류센서용 리드스위치(reed switch) RL1, 사고 발생시 자체 차단용 릴레이 RL2와 기존 RCD를 동작시키기 위한 릴레이 RL3, EFDPD 동작유무와 초기화를 위한 리셋스위치 S1, 반도체 스위치 SCR, 릴레이 접점보호용 폴리머 스위치(P/S, Polymer Switch)로 구성된다. 또한 제어시스템의 전원공급은 표시등(LED)에 의해 확인할수 있다.
대상 데이터
5[turn]으로 설계하였다. 그리고 화재의 위험성이 저조한 유도성 부하의 개폐시나 뇌임펄성 써지 (충격파) 등 주기가 2ms이하의 속류성 전기신호에 대해서 RCD의 오동작을 방지하기위해 전력용 릴레이의 동작시간이 3ms~5ms인 소자로 선정하였다.
제안한 EFDPD에 사용된 소자들의 회로정수를 Table 2에 주어진다. 또한 실측 분석에 사용된 RCD는 저압 배전계통에 일반적으로 사용되는 KSC4613에 준하여 제작된 단상 2선식 110/220V, 정격전류 30A, 정 격감도전류 30mA, 정격동작시간 30ms, 정격차단용량 1.5kA의 과부하겸용 고감도형 누전차단기를 사용 하였다.
실측에 사용된 RCD는 한국산업규격(KSC4613)에 준하여 제작된 인증제품으로, 단상 2선식 110/220V, 정격 전류 30A, 정격감도전류 30mA, 정격동작시간 30ms의 과부하겸용 고감도형 누전차단기를 사용하였다. Figure 5(a), (b)는 단락사고에 의한 아크전류 발생에 대한 RCD의 동작유무를 확인하기위한 분석파형으로써 인위적인 사고발생 시뮬레이터를 통해 측정한 결과이다.
이론/모형
리드스위치의 내부자속은 배선코일의 권선수, 전류, 철심의 크기와 투자율에 의해 정해진다. 자속의 세기는 식 (1)의 비오-사바르(Biot-Savart)법칙을 이용하여 구할 수 있다.
성능/효과
8%)로 분석된다.2) 따라서 단락사고와 과부하 사고가 거의 대다수 전기화재의 요인인 것을 알 수 있다. 특히 전기화재의 위험성은 이러한 1차적인 원인보다는 이들 사고에서 동반되는 아크(electric arc)나 스파크(spark)에 의한 주변 가연물질로 확대되는 2차적 영향에 의한 화재가 대다수이다.
7) 단락사고의 일례로써, 상승된 고장전류가 정격전류의 약 200~500%에 대한 차단동작 속도가 평균 약 2초~15초로 매우 지연된 응답특성을 가진다.
7) 이들 RCD는 누전과 과전류사고를 감지하여 차단하는 장점은 있으나, 직접적인 전기화재의 위험요소인 단락 및 과부하사고에 의한 아크나 스파크 현상에 대한 차단기능은 거의 없는 것으로 분석된다.8-10) 이것은 분전반에 적용되는 각종 차단기 및 RCD의 경우 정격차단시간이 30ms(국내, KSC4613)로 정해져 있어, 더욱 짧은 폭의 레벨로 주기적으로 발생하는 아크나 스파크를 감지하지 못하기 때문이다.
이는 계통사고에 대한 신뢰성과 속응성 및 정밀성을 높일 수 있으며, 또한 하나의 차단불능에 대비한 이중으로 계통을 보호할 수있는 고신뢰성의 차단 제어장치라 할 수 있다. 더욱이 제안한 EFDPD의 기술적인 면에서 살펴보면, 접지전류 감지에 대해 우수한 동작특성을 가지는 기존 RCD의 장점을 최대한 이용한 참신한 제어기법으로 각종 전기사고 발생시에 고정밀 전류센서용 리드스위치에 의해 이상전류를 감지한 후 강제적으로 지락사고를 발생시켜 큰 전류값의 접지전류를 기존의 RCD에 흘러 계통을 차단시키는 신개념의 트립장치라 할 수 있다.
동일조건에서 측정한 상기 기존의 RCD와 제안한 이중 보호용 EFDPD의 동작특성 분석결과들을 검토하면, 기존 RCD의 경우 전기화재의 요인이 되는 단락 및 과부하사고에 의한 아크 및 스파크성 전류에 대해 동작 불능과 비신뢰성을 보였으나, 제안한 EFDPD는 자체 차단장치의 동작은 물론 기 설치된 RCD의 차단동작에 대해 여러 차례의 사고 시뮬레이터를 실행한 결과 모두 양호한 차단동작과 높은 신뢰성을 보였다.
Figure 9는 사고 발생에 의한 제안한 EFDPD의 자체 차단장치(전력용 릴레이 RL2)의 동작특성을 측정하기 위한 선간전압과 아크전류에 대한 동작성능 분석파형으로써, Figure 9(a)는 순간단락에 의한 최대치 약 380A, 아크 폭 4ms의 아크전류에 대한 분석파형이고, Figure 9(b)는 최대치 약 400A, 아크 폭 4ms의 아크전류에 대한 분석파형이다. 두 경우 모두 단락사고에 의한 임펄스성 아크전류에 대해 제안한 EFDPD는 약 5~6ms의 차단동작시간으로 자체 차단장치를 동작시키는 양호한 동작을 보였다.
Figure 10은 사고 발생에 대해 제안한 EFDPD의 동작에 의한 기 설치된 RCD의 동작특성을 측정하기 위한 선간전압과 접지전류에 대한 동작파형으로, 단락사고 시뮬레이터에 의해 이상전류가 검출되어 전력용 릴레이 RL3-a 접점을 통해 강제적인 단락 접지전류를 발생시키는 경우로써 Figure 10(a)는 약 500mA의 접지 전류가 발생한 경우이고 Figure 10(b)는 380mA의 접지전류를 발생한 경우이다. 두 경우 모두 제안한 EFDPD는 기존 RCD의 동작감도전류 30mA보다 더욱 큰 접지전류를 흘러 보내어 차단기를 트립시키는 양호한 차단동작을 보였으며, 제안한 EFDPD의 고속, 고정밀의 동작에 의해 약 20ms의 차단동작시간으로 기존 RCD 를 차단시켰다.
이것은 RCD의 차단동작시간(30ms)보다 더욱 짧은 폭의 아크전류에 대해 차단이 불가능한 것을 알 수 있다. 또한 전기사고에 대한 이상(고장)전류를 분석해보면, 이상전류의 순시최대치는 크나 그 실효치가 적으며, 생성 주기가 매우 짧아 RCD의 차단기능이 상실되는 결과를 가져온다. 이는 저압 배전계통에 사용되는 차단기들은 제어방식이 열동식 또는 전자식 구조로 설계되어 열동식의 경우 이상전류의 실효치가 적으면 발열량 (H = 0.
회로구성이 간단하여 소형·경량으로 제작되고 설치의 용이한 장점이 있다. 또한 제안한 EFDPD는 기술적 제어원리가 간단하며 리드스위치의 고속 고정밀 응답특성을 이용한 구조로 설계되어 신뢰성이 증대된다.
이상전류의 검출에는 고정밀의 응답특성과 내구력이 우수한 리드스위치를 사용하여 제어장치의 신뢰성을 증가시켰다. 또한 제안한 이중 보호용 EFDPD는 여러 차례의 사고발생 시뮬레이터에 의한 실측분석을 통해 그 실용성이 입증되었으며, 제어장치의 구조와 제어방식이 간단하여 소형·경량으로 설계제작이 가능하였고 이에 따른 제작비용의 감소와 설치의 용이한 장점이 부여되었다. 이러한 실용성으로 인해 제안한 EFDPD는 매입형 콘센터나 외부의 멀티콘센터 또는 각종 전기·전자기기 및 통신 기기 등에 적용되어 각종 전기사고를 예방할 것으로 기대된다.
상기의 동작원리와 같이, 제안한 EFDPD는 사고 발생에 대해 자체 차단장치를 동작시키거나 또는 기 설치된 기존의 RCD를 차단시키는 이중(double)으로 계통을 보호하는 기능을 가진다. 이는 계통사고에 대한 신뢰성과 속응성 및 정밀성을 높일 수 있으며, 또한 하나의 차단불능에 대비한 이중으로 계통을 보호할 수있는 고신뢰성의 차단 제어장치라 할 수 있다.
상기의 분석검토들로부터, 기존 RCD들은 지락(접지)사고에 대해서는 매우 우수한 동작성능을 가지지만, 전 기재해와 관련된 단락 및 과부하사고에서 수반되는 아 크나 스파크 현상에 대해 빈번한 오동작과 비신뢰성, 저조한 응답특성을 가지는 것으로 분석된다.
제안한 EFDPD의 동작원리를 살펴보면, 초기상태로 브릿지 다이오드를 통하여 직류전원이 제어시스템에 공급되고 있으며 정상상태의 경우, 선로의 낮은 자속으로 인한 리드스위치의 내부접점이 오프(off) 상태로 되어 반도체 스위치 SCR 또한 오프로써, 통상적인 입력전원이 부하단으로 공급되는 정상상태를 유지한다.
후속연구
또한 제안한 이중 보호용 EFDPD는 여러 차례의 사고발생 시뮬레이터에 의한 실측분석을 통해 그 실용성이 입증되었으며, 제어장치의 구조와 제어방식이 간단하여 소형·경량으로 설계제작이 가능하였고 이에 따른 제작비용의 감소와 설치의 용이한 장점이 부여되었다. 이러한 실용성으로 인해 제안한 EFDPD는 매입형 콘센터나 외부의 멀티콘센터 또는 각종 전기·전자기기 및 통신 기기 등에 적용되어 각종 전기사고를 예방할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
RCD의 내부구조는 무엇으로 구성되었는가?
RCD의 내부구조는 지락검출장치, 트립장치, 개폐기 구로 구성되어 있다. Figure 2는 RCD의 지락전류 검출에 대한 개략도를 나타낸다.
무엇과 더불어 전기화재의 발생이 점차 증가하고 있는가?
오늘날 전기제품의 다양화, 대용량화와 더불어 전기화재의 발생이 점차 증가하고 있다. 반면 저압 배전계통에서 사용되고 있는 기존의 과부하겸용 누전차단기 즉, RCD의 저조한 응답특성으로 인한 전기화재 원인의 대부분을 차지하는 단락사고 및 과부하사고에 대한 대응이 매우 미흡한 실정이다.
단락사고와 과부하 사고가 거의대다수 전기화재의 요인인 것을 알 수 있다고 본 이유는?
이러한 전기화재의 비중이 줄어들고는 있지만, 여전히 점유율 1위를 차지하는 것을 볼 때,1) 전기 화재를 예방하여 전체 화재건수를 줄이는 것이 화재로 부터 국민을 보호하는 중요한 정책수단이 됨을 알 수 있다. 더욱이 국내 소방분야는 소방전기설비의 화재감지설비와 소방기계설비의 화재진압설비에만 중점적으로 다루고 있어 전기화재를 사전에 방지하기 위한 장치개발 등 근본적 대책 강구에는 크게 미흡한 실정이다. 2007년도의 전기화재의 원인별 비율을 분석해보면, 전기화재는 총 9,091건이 발생하여 이중 단락사고에 의한 화재가 전체의 57.7%인 5,241건이었으며, 다음으로 과부하에 의한 전기화재가 1,199건으로 13.2%를 점유 하였고, 접촉불량으로 933건(10.32%), 그 외 기타(18.8%) 로 분석된다.2) 따라서 단락사고와 과부하 사고가 거의대다수 전기화재의 요인인 것을 알 수 있다.
R.N. Anderson, 'What Came First? The Arc Bead or the Fire?', EC&M100, pp.20-21(2001)
V. Babrauskas, 'Fire due to Electric Arcing: Can 'Cause' Beads Be Distinguished from 'Victim' Beads by Physical or Chemical Testing?', Fire and Materials 2003, Interscience Communications Ltd., pp.189-201(2003)
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