2007년도에 9,128건의 화재가 전기적인 원인에 의해서 발생되었고, 이들 화재에 의해 사망 29명과 부상 262명의 인명피해가 있었다. 아크고장은 전기화재의 주요 원인의 하나로, 일반적으로 높은 열을 발생시키며 쉽게 주변의 인화성물질을 점화시킨다. 그러나 기존의 차단기는 과전류, 단락전류, 누설전류에 대해서만 동작하기 때문에, 이에 대해서는 현재 특별한 보호책이 없는 실정이다. 본 논문은 직렬아크 고장전류에 의한 전선의 발화특성에 대한 실험에서 얻어진 결과를 통해 UL에서 제안하고 있는 기준이 국내의 현실에 적절하지 않음을 제시하였고, 이 결과를 기초로 개발된 기술의 동작특성 실험을 실시하여 아크고장회로를 보호할 수 있는지에 대한 신뢰성을 확인하였다. 모의실험을 통한 동작특성 분석결과, 개발된 아크고장 검출 기술을 적용하면 전기화재의 주요원인인 아크고장에 의한 화재를 현저히 저감시킬 수 있을 것으로 판단된다.
2007년도에 9,128건의 화재가 전기적인 원인에 의해서 발생되었고, 이들 화재에 의해 사망 29명과 부상 262명의 인명피해가 있었다. 아크고장은 전기화재의 주요 원인의 하나로, 일반적으로 높은 열을 발생시키며 쉽게 주변의 인화성물질을 점화시킨다. 그러나 기존의 차단기는 과전류, 단락전류, 누설전류에 대해서만 동작하기 때문에, 이에 대해서는 현재 특별한 보호책이 없는 실정이다. 본 논문은 직렬아크 고장전류에 의한 전선의 발화특성에 대한 실험에서 얻어진 결과를 통해 UL에서 제안하고 있는 기준이 국내의 현실에 적절하지 않음을 제시하였고, 이 결과를 기초로 개발된 기술의 동작특성 실험을 실시하여 아크고장회로를 보호할 수 있는지에 대한 신뢰성을 확인하였다. 모의실험을 통한 동작특성 분석결과, 개발된 아크고장 검출 기술을 적용하면 전기화재의 주요원인인 아크고장에 의한 화재를 현저히 저감시킬 수 있을 것으로 판단된다.
In 2007, 9,128 fires were actually caused by electrical faults and these fires resulted in 29 deaths and 262 injuries. Arc-faults were one of the major causes of these fires. When an unintended arc-fault occurs, it generates intense heat that can easily ignite surrounding combustibles. But, because ...
In 2007, 9,128 fires were actually caused by electrical faults and these fires resulted in 29 deaths and 262 injuries. Arc-faults were one of the major causes of these fires. When an unintended arc-fault occurs, it generates intense heat that can easily ignite surrounding combustibles. But, because conventional circuit breakers only respond to overloads, short circuits, and leakage currents, the breakers do not protect against arcing conditions. This paper presents results obtained in experiments on ignition behavior of wire by series arc fault currents and techniques developed to detect the arc-faults. The developed technique was tested after installation to make sure that they are working properly and protecting the circuit. If the developed arc fault detection technique is applied, the electrical fires caused by an arc-fault can be reduced.
In 2007, 9,128 fires were actually caused by electrical faults and these fires resulted in 29 deaths and 262 injuries. Arc-faults were one of the major causes of these fires. When an unintended arc-fault occurs, it generates intense heat that can easily ignite surrounding combustibles. But, because conventional circuit breakers only respond to overloads, short circuits, and leakage currents, the breakers do not protect against arcing conditions. This paper presents results obtained in experiments on ignition behavior of wire by series arc fault currents and techniques developed to detect the arc-faults. The developed technique was tested after installation to make sure that they are working properly and protecting the circuit. If the developed arc fault detection technique is applied, the electrical fires caused by an arc-fault can be reduced.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 직렬아크 고장전류에 따른 전선의 발화특성 실험을 통해 직렬아크고장에 대한 출화의 가능성을 확인하였다.
본 논문에서는 전술한 사항을 검증하기 위해 그림 7과 같이 모의실험 설비를 구성하여 개발된 아크고장 검출기술의 오동작 특성 실험을 다양하게 실시하였다.
그러나 검출된 파형에는 다양한 부하전류 파형이 함께 검출되기 때문에 이것을 통해 아크결합의 존재 여부를 판단하는 것은 용이하지 않았다.본 연구에서는 이런 문제를 해결하기 위해 부하로 연결된 전로에 흐르는 전류로부터 그림 5와 같이 임펄스파를 검출하여 제어부를 통해 아크결함을 판단하는 기술을 개발하였다.
제안 방법
특히 UL 1699에서 규정하고 있는 5A이상의 직렬아크고장 전류의 동작 규정보다 작은 3A에서도 전선의 출화가능성을 확인하였고, 이 결과를 토대로 아크고장 검출보드를 개발하였으며, 아크고장 전류에 대한 동작시험을 실시하여 3A의 아크고장 전류에 대한 검출의 신뢰성을 확인하였다. 또한 다양한 아크고장과 유사한 전류 파형을 갖는 실부하에 대하여 오동작 시험을 실시하여 안정된 검출 특성을 확인하였다.
또한 이 결과를 토대로 3～5A 사이의 아크고장 전류도 검출이 가능한 고주파 펄스 검출에 기반한 센싱 기술과 분석 알고리즘을 개발하였고, 개발된 기술에 대하여 신뢰성 실험을 실시하였으며, 오동작의 원인이 되는 주요 부하에 대하여 안정된 동작 특성을 확인하였다. 이는 UL 1699에서 규정하고 있는 5A보다 작은 값의 아크고장을 오동작 없이 검출할 수 있는 기술로서, 기존의 기술보다 현저히 개선된 것이다.
아크고장 검출용 CT의 특성 비교를 위해 current prove(Tektronix TCP202)를 이용하여 파형을 확인하였다(1번 채널 파형).
대상 데이터
5㎟의 IV전선에 그림 2(a)의 부하공급기를 이용하여 각각 1～5A의 전류를 1A 간격으로 그림 2(b)의 아크발생장치를 이용하여 그림2(c)와 같이 시험설비를 구성하고, 직렬아크 고장전류에 대한 전선의 출화 특성을 확인하였다. 모의실험에 사용된 부하는 고조파 왜곡이 없는 저항성 부하인 히터의 조합으로 제작되었다.
성능/효과
(a)의 ‘A’ 파형과 같이 아크가 발생하지 않을 때에는 아크검출 센서의 파형 ‘B’는 특정신호가 검출되지 않고, ‘C’ 부분의 차단기를 트립 신호가 검출되지 않았다.
0㎟의 HIV전선에 대한 5A 아크고장 전류에서의 모의실험 사진이다.허용온도가 75℃인 HIV(그림 3 a, b)와 60℃인 IV(그림 3 c)에 대한 직렬아크고장 전류 값에 따른 출화시험에서, 절연재료의 허용온도에 비해 아크에 의해 형성되는 온도가 현저히 높기 때문에 출화 전류값은 모두 3A로 차이가 없었으며, 허용전류가 각기 다른 전선을 비교한 경우에도 도체의 단면적과 관계 없이 3A의 직렬아크고장에서 출화되었다.
또한 전선도체의 단면적에 따라 발화에 이르기까지의 시간도 차이가 있었다. 검토된 전선의 경우, 5A이하의 전류에서는 발화까지 10초 이내에 출화되었고, 3A에서는 출화되기까지 10초 이상의 시간이 요구되었다.
본 논문에서는 전기화재에 대한 통계 분석과 직렬아크고장전류에 대하여 3종류의 전선에 대한 출화특성 시험을 실시하였고, 3A의 아크고장전류에 대해서도 출화의 위험성이 있음을 확인하였다.
특히 UL 1699에서 규정하고 있는 5A이상의 직렬아크고장 전류의 동작 규정보다 작은 3A에서도 전선의 출화가능성을 확인하였고, 이 결과를 토대로 아크고장 검출보드를 개발하였으며, 아크고장 전류에 대한 동작시험을 실시하여 3A의 아크고장 전류에 대한 검출의 신뢰성을 확인하였다. 또한 다양한 아크고장과 유사한 전류 파형을 갖는 실부하에 대하여 오동작 시험을 실시하여 안정된 검출 특성을 확인하였다.
후속연구
그러나 향후 아크고장에 대한 전류 및 아크지속 시간에 대한 출화특성을 좀더 면밀히 검토하여 아크고장 출화특성 곡선을 도출하고 이를 기준으로 아크고장에 대한 좀더 체계적이고 신뢰성 있는 보호 장치를 개발하여야 할 것이다.
그중 대표적인 것이 아크고장에 의한 낮은 고장전류에서의 전기화재 발생이다. 따라서 이에 대한 충분한 대책을 수립하여야 전기화재를 저감시킬 수 있을 것이다.
특히 전류가 낮을수록 일정하게 아크발생을 유지시키기가 어려워 아크발생 지속 시간을 정밀하게 측정할 수 없었다. 또한 정량적인 아크발생 시간이 확보된다고 할지라도 아크발생의 연속성에 대한 문제도 있기 때문에 아크지속시간에 대한 출화특성을 분석하기 위해서는 아크발생 장치에 대한 좀 더 면밀한 검토가 요구된다.
본 실험에서는 아크를 일정하게 지속적으로 유지시키는 것이 용이하지 않아, 아크고장 지속 시간에 따른 출화 특성에 대한 정량적 값은 확정하지 못하였다. 특히 전류가 낮을수록 일정하게 아크발생을 유지시키기가 어려워 아크발생 지속 시간을 정밀하게 측정할 수 없었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
배선용차단기의 기능은?
현재 주택으로 인입되어 분기되는 전원의 각 회로에는 과부화 및 단락전류를 검출하여 차단시키는 배선용차단기와 영상전류를 검출하여 누전에 의한 화재 및 감전을 예방하는 누전차단기가 설치되어 있다.
일반용전기설비에서 정기점검을 실시하는 항목에는 어떠한 것들이 있는가?
이와 같은 전기재해의 예방을 위해 일반용전기설비는 전기사업법 제66조 및 동법 시행규칙 제35조에 근거하여, 법정주기에 따라 절연저항, 인입구배선, 옥내배선, 누전차단기, 개폐기, 접지저항 등의 항목에 대한 정기점검을 실시하고 있다[1].
과거 10년간 국내 전체화재의 발생 건수 중 30%이상을 전기화재가 점유하게 된 이유는 무엇인가?
그러나 2007년도 화재통계자료에 따르면 9,128건의 전기화재가 발생되었고, 실제로 과거 10년간 국내는 전체화재의 발생 건수 중 30% 이상을 전기화재가 점유하고 있었다. 이는 기존의 보호체계의 범위를 벗어나는 전기적 고장이 존재하기 때문이다. 그중 대표적인 것이 아크고장에 의한 낮은 고장전류에서의 전기화재 발생이다.
참고문헌 (5)
임용배, 배석명, 김영석, 박치현, 김기현, 조성원, "영상전류 측정을 이용한 부재수용가의 전기설비에 대한 안전확보 방안", 전기학회논문지, 55P권, 4호, pp. 196-201, 2006.
George D. Gregory and Gary W. Scott, "The Arc-Fault Circuit Interrupters : An Emerging Product", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 34, No. 5, pp. 928-934, 1998.
George D. Gregory, Kon Wong and Robert F. Dvorak, "More About Arc-Fault Circuit Interrupters", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 40, No. 4, pp. 1006-1011, 2004.
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