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문제 정의
- 각각의 상가에 대한 부하특성 조사와 그 부하에 따른 위험성을 분석하고자 실시하였다.
- 따라서 과전류 및 아크 전류신호는 재래시장에서의 전기화재에 대한 주된 요인으로 볼 수 있으며, 이에 재래시장에서의 부하특성에 따른 과전류 및 아크전류 신호를 분석하여 전기화재를 줄일 수 있는 방안을 제시하고자 한다. 이를 위하여 하나의 재래시장을 선정하여 현장실태조사를 통해 다양한 전기적 부하조사를 우선적으로 실시하였다.
- 본 논문은 전기화재 취약장소인 재래시장 상가의과전류 및 아크전류에 대한 신호특성을 분석하기 위한 연구로, 재래시장 상가의 35개소의 실태조사에서 분전반에서 국부적인 열적특성을 보인 4개 상가의 전기부하를 모의하여 과전류, 아크전류 신호특성을 분석하였으며, 이를 통해 본 연구에서 얻은 결론은 아래와 같다.
- 또한 열적 특성을 보인 상가의 부하특성을 실험실에서 동력, 전열부하 발생 장치를 통해 모의하였고, 과전류 및 아크에 대한 각각의 실험을 통하여 시간 영역과 주파수 영역에서의 열적특성 및 전기적 신호 특성을 분석하였다. 이에 본 연구에서는 선정된 재래시장에서의 현장실태조사를 통하여 열적특성이 나타난 상가들을 대상으로 해당상가의 부하특성에 대하여 과전류 및 아크신호를 분석하고자 한다8-10).
제안 방법
- 재래시장 현장 실태조사를 실시한 상가의 상점은약 30여개소이며, 그중 음식점 11개소, 수산물 판매업 7개소, 건어물 상회, 의류점 각각 5개소로 음식점이 가장 많았다. 각각의 상가에 대한 부하특성과 열화상 카메라를 통하여 분전반에서의 열적특성을 조사하였으며 실태조사결과 해당상가에서 사용 하는 전선인 IV의 허용온도(60℃)를 초과하는 4개의 상가를 발견하여 4개의 상가를 중심으로 실태조사를 실시하였다. J 국밥 상가는 선술집으로 면적이 10m2 정도로 면적은 작으나 한 차단기에 과도하게 부하가 집중되어 있었다.
- 부하 모델의 경우 R과 L-loads 부하 발생기를 통하여 4개의 상가 부하특성에 따른 전력량을 입력하였다. 계절용 및 기타 부하 증설로 발생되는 과전류의 위험성을 도출하기 위하여 실부하 입력과 히터부하와 동력부하 전력량을 각각 10%, 20%씩 증가시켜 포화온도를 측정하였고11,12), 시간영역에서 전류 순시 값과 실효값(RMS, Root Mean Square Value), 주파수 영역에서는 전류의 고속퓨리에변환(FFT, Fast Fourier Transform)와 전고조파 왜곡율(THD,Total Harmonic Distortion) 등을 각각 분석하였다. 접촉불량과 반단선상태에서 발생되는 아크 특성을 분석하기 위하여 아크발생장치를 구축하여 해당상가에 전력량에 아크입력을 각각 5회, 10회, 15회를 입력하였다.
- 아크 신호 분석은 열적특성을 제외한 나머지 신호들을 분석하였다. 과전류, 아크전류 신호실험은 각 조건마다 약 10분간 실시하였으며 데이터를 저장하였고, 신호들의 분석은 LabVIEW 프로그램에서 동시에 신호들을 분석 가능하도록 Fig. 4와 같이 4개의 화면으로 구성하였다.
- 현장실태조사 중에 분전반의 분기차단기에서 높은 열적특성을 보인상가들을 발견하였고, 해당 상가에 대한 과전류 및 아크 신호를 분석하였다. 또한 열적 특성을 보인 상가의 부하특성을 실험실에서 동력, 전열부하 발생 장치를 통해 모의하였고, 과전류 및 아크에 대한 각각의 실험을 통하여 시간 영역과 주파수 영역에서의 열적특성 및 전기적 신호 특성을 분석하였다. 이에 본 연구에서는 선정된 재래시장에서의 현장실태조사를 통하여 열적특성이 나타난 상가들을 대상으로 해당상가의 부하특성에 대하여 과전류 및 아크신호를 분석하고자 한다8-10).
- 2 와 같이 분전반, 전열부하 동력부하 신호발생장치, 아크 발생기, 오실로스코프 등으로 구성되었다. 분전반은 과부하 및 단락보호 겸용 메인 차단기에 분기 3회로 하였고, 전기배선의 경우 실태조사 시에 가장 많이 사용되고 있는 IV 1.6mm2 전선으로 설치하였고, 분기 우 3번째 회로에 멀티 콘센트를 부착하여 해당 부하를 접속할 수 있는 구조로 제작하였다.
- 상가별 부하모델을 적용하기 전열부하 발생기(R-load 발생기)와 동력부하 발생기(L-load 발생기: 우선제어시스템의 WSM-86)로 구분하였고 0~3 kW 까지 300W식 10단계로 조절 가능하다. 이를 통하여 실태조사에서 도출된 상가별 부하특성에 맞는 부하 신호를 모의할 수 있다.
- 이를 통하여 실태조사에서 도출된 상가별 부하특성에 맞는 부하 신호를 모의할 수 있다. 아크 발생장치는 미국의 직렬아크 규정(UL1699)에 의거하여 아크발생장치를 모의실험장치 회로에 직렬로 연결하였고 전극의 간극은 마이크로미터로 조절하여 실험 조건에 따라 직렬아크를 발생시켰다. 전기신호 측정기인 고성능 오실로스코프(Tektronix사, TDS 3054B)를 사용하였고 전류 1~2 kA까지 측정 가능한 클램프 프로브 (Tektronix사, TD621)를 분전반 부하측에 배치하여 실험 시 신호들을 도출하였다.
- 이는 접촉불량과 반단선 발생시의 접(接)ㆍ단(斷) 회수를 가정하여 이를 재현하였다13,14). 아크 신호 분석은 열적특성을 제외한 나머지 신호들을 분석하였다. 과전류, 아크전류 신호실험은 각 조건마다 약 10분간 실시하였으며 데이터를 저장하였고, 신호들의 분석은 LabVIEW 프로그램에서 동시에 신호들을 분석 가능하도록 Fig.
- 전기신호 측정기인 고성능 오실로스코프(Tektronix사, TDS 3054B)를 사용하였고 전류 1~2 kA까지 측정 가능한 클램프 프로브 (Tektronix사, TD621)를 분전반 부하측에 배치하여 실험 시 신호들을 도출하였다. 오실로스코프를 통해 측정된 신호들을 분석하기 위하여 모니터링 소프트웨어인 LabVIEW를 사용하였으며 분전반에서의 열적특성은 열화상 카메라(Fluke, US/T 125)를 사용하여 분석하였다. Fig.
- 따라서 과전류 및 아크 전류신호는 재래시장에서의 전기화재에 대한 주된 요인으로 볼 수 있으며, 이에 재래시장에서의 부하특성에 따른 과전류 및 아크전류 신호를 분석하여 전기화재를 줄일 수 있는 방안을 제시하고자 한다. 이를 위하여 하나의 재래시장을 선정하여 현장실태조사를 통해 다양한 전기적 부하조사를 우선적으로 실시하였다. 현장실태조사 중에 분전반의 분기차단기에서 높은 열적특성을 보인상가들을 발견하였고, 해당 상가에 대한 과전류 및 아크 신호를 분석하였다.
- 계절용 및 기타 부하 증설로 발생되는 과전류의 위험성을 도출하기 위하여 실부하 입력과 히터부하와 동력부하 전력량을 각각 10%, 20%씩 증가시켜 포화온도를 측정하였고11,12), 시간영역에서 전류 순시 값과 실효값(RMS, Root Mean Square Value), 주파수 영역에서는 전류의 고속퓨리에변환(FFT, Fast Fourier Transform)와 전고조파 왜곡율(THD,Total Harmonic Distortion) 등을 각각 분석하였다. 접촉불량과 반단선상태에서 발생되는 아크 특성을 분석하기 위하여 아크발생장치를 구축하여 해당상가에 전력량에 아크입력을 각각 5회, 10회, 15회를 입력하였다. 이는 접촉불량과 반단선 발생시의 접(接)ㆍ단(斷) 회수를 가정하여 이를 재현하였다13,14).
- 현장실태 조사를 통하여 열적특성을 보인 4개의 상가를 선별하였고, 이 상가들의 부하특성에 대한 과전류 및 아크신호에 대한 실험을 실시하였다.
- 이를 위하여 하나의 재래시장을 선정하여 현장실태조사를 통해 다양한 전기적 부하조사를 우선적으로 실시하였다. 현장실태조사 중에 분전반의 분기차단기에서 높은 열적특성을 보인상가들을 발견하였고, 해당 상가에 대한 과전류 및 아크 신호를 분석하였다. 또한 열적 특성을 보인 상가의 부하특성을 실험실에서 동력, 전열부하 발생 장치를 통해 모의하였고, 과전류 및 아크에 대한 각각의 실험을 통하여 시간 영역과 주파수 영역에서의 열적특성 및 전기적 신호 특성을 분석하였다.
- 현장실태조사를 통하여 재래시장 상가에서 사용하는 부하들을 조사하였고, 각각의 부하에 대해 제품의 규격을 바탕으로 전열부하와 동력부하의 구성에 대하여 분류하였다. J 국밥에서 분전반 분기 2회로 부하측에서 계절형 부하인 전기스토브와 고정형 부하인 정수기 그리고 환풍기가 있다.
대상 데이터
- 대형냉장고와 김치냉장고는 24시간동안 작동해야하는 상태이며 소비전력이 높고, 전열부하의 비중이 높아서 계절형 부하인 열풍기 사용 시 전열부하의 비중은 2배 이상으로 높아짐을 보였다. H 콩나물국밥 상가의 부하 특성은 벽걸이형 전기스토브와 전기소독기, 정수기 그리고 대형 냉장고를 사용하였다. P 순대국밥 상가에서의 부하특성으로 대형 식기세척기와 대형냉장고 2 대를 사용하고 있으며 다소 높은 전력량인 4,694W를 사용했다.
- H 콩나물국밥 상가의 부하 특성은 벽걸이형 전기스토브와 전기소독기, 정수기 그리고 대형 냉장고를 사용하였다. P 순대국밥 상가에서의 부하특성으로 대형 식기세척기와 대형냉장고 2 대를 사용하고 있으며 다소 높은 전력량인 4,694W를 사용했다. 대형 냉장고는 음식의 상태를 유지하기위해 24시간동안 작동되는 상태에서 소비전력이 매우 높은 식기세척기가 가동할 시에는 그 전력이 2.
- 실험을 위한 모의실험장치는 Fig. 2 와 같이 분전반, 전열부하 동력부하 신호발생장치, 아크 발생기, 오실로스코프 등으로 구성되었다. 분전반은 과부하 및 단락보호 겸용 메인 차단기에 분기 3회로 하였고, 전기배선의 경우 실태조사 시에 가장 많이 사용되고 있는 IV 1.
- 아크 발생장치는 미국의 직렬아크 규정(UL1699)에 의거하여 아크발생장치를 모의실험장치 회로에 직렬로 연결하였고 전극의 간극은 마이크로미터로 조절하여 실험 조건에 따라 직렬아크를 발생시켰다. 전기신호 측정기인 고성능 오실로스코프(Tektronix사, TDS 3054B)를 사용하였고 전류 1~2 kA까지 측정 가능한 클램프 프로브 (Tektronix사, TD621)를 분전반 부하측에 배치하여 실험 시 신호들을 도출하였다. 오실로스코프를 통해 측정된 신호들을 분석하기 위하여 모니터링 소프트웨어인 LabVIEW를 사용하였으며 분전반에서의 열적특성은 열화상 카메라(Fluke, US/T 125)를 사용하여 분석하였다.
성능/효과
- 1) 현장실태 조사 결과 J국밥과 J콩나물국밥 상가의 전체 사용 전력량은 유사하나 동력부하의 사용량은 J콩나물국밥 상가가 3배 높고, 분전반에서의 열적 특성도 높았다. 또한, 부하를 모의한 과전류실험에서도 J콩나물국밥상가에서 더욱 높은 열적특성을 보임으로서 현장실태 조사의 열적특성과 일치하였다.
- 2) H콩나물 국밥 상가와 P순대국밥 상가는 사용 전력량은 다르지만 동력부하의 사용량이 유사하였다. 부하전류의 FFT 분석 결과를 비교하면 P상가의 경우 고주파수 영역의 성분이 3 kHz까지 존재한 반면 H상가는 2.
- 3) 아크 신호의 경우 시간영역에서는 상가별 부하 특성에 따른 특성을 발견할 수 없었다. 그러나 주파수 영역인 전류의 FFT와 THD 신호의 변화는 정상 상태와 구별되는 특성을 보였다.
- 4 kHz까지 증폭수준이 존재하였다. THD는 아크가 발생하지 않은 상태에서 약 4%로 일정하였으며 아크가 발생한 상태에서는 THD가 증폭하는 현상을 보였다. 아크 발생횟수 5, 10, 15회 시 THD는 각각 6%, 7.
- J 콩나물국밥 상가의 5번째 분기회로에는 계절형 부하인 열풍기 2대, 고정형 부하인 정수기, 대형냉장고 2대, 김치냉장고로 구성되어 있다. 대형냉장고와 김치냉장고는 24시간동안 작동해야하는 상태이며 소비전력이 높고, 전열부하의 비중이 높아서 계절형 부하인 열풍기 사용 시 전열부하의 비중은 2배 이상으로 높아짐을 보였다. H 콩나물국밥 상가의 부하 특성은 벽걸이형 전기스토브와 전기소독기, 정수기 그리고 대형 냉장고를 사용하였다.
- 또한, 부하를 모의한 과전류실험에서도 J콩나물국밥상가에서 더욱 높은 열적특성을 보임으로서 현장실태 조사의 열적특성과 일치하였다. 따라서 유사한 전력량을 사용하는 상가 중 동력부하의 사용량이 높은 상가에서 더욱 높은 열적특성을 보일 것으로 판단된다.
- 3 kHz까지 나타나면서 소강하는 반면 아크 발생 시 증폭수준이 최대 2 kHz까지 나타났다. 또한 THD에서는 아크가 발생되지 않는 상태에서 평균 3.8%로 균일하게 나타났으나 아크가 발생한 모든 조건에서 THD가 3.8%에서 최대 7%까지 증폭하는 현상을 보였으며 아크발생횟수가 증가할수록 증폭회수도 비례하게 증가하였다.
- 3℃로써 IV전선의 허용온도 60℃와 근사하였다. 또한 전류의 순시값과 실효값은 사용량 증가에 따라 상승하였으며, 전류의 FFT 증폭현상은1 kHz이내, THD는 6.8~8.3%사이이며 왜곡현상은 없었다. 이는 매우 안정적인 증폭수준과 정상적인 THD 값으로서 사용전력량의 증감은 주파수 영역의 FFT 와 THD과는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다15).
- 1) 현장실태 조사 결과 J국밥과 J콩나물국밥 상가의 전체 사용 전력량은 유사하나 동력부하의 사용량은 J콩나물국밥 상가가 3배 높고, 분전반에서의 열적 특성도 높았다. 또한, 부하를 모의한 과전류실험에서도 J콩나물국밥상가에서 더욱 높은 열적특성을 보임으로서 현장실태 조사의 열적특성과 일치하였다. 따라서 유사한 전력량을 사용하는 상가 중 동력부하의 사용량이 높은 상가에서 더욱 높은 열적특성을 보일 것으로 판단된다.
- THD는 아크가 발생하지 않은 상태에서 약 4%로 일정하였으며 아크가 발생한 상태에서는 THD가 증폭하는 현상을 보였다. 아크 발생횟수 5, 10, 15회 시 THD는 각각 6%, 7.5%, 8.7%까지 증폭하는 특징을 보였다. Fig.
- 7 kHz까지 증폭수준이 존재하였다. 아크가 발생하지 않은 상태에서의 THD는 약 4.2%로 일정하였으며 아크가 발생한 상태에서는 THD가 약 6.3%까지 증폭하는 공통적인 현상을 보였고, 아크 발생횟수를 증가함에 따라 증폭현상도 증가하는 특성을 보였다. Fig.
- 9℃의 포화온도를 보였다. 전류의 순시값과 RMS값은 부하전류의 증가에 따라 상승하였으며, 전류의 FFT 증폭현상은 1.3 kHz까지 나타났으며 THD의 경우는 6.8~8.3사이의 고조파 성분으로 정상적인 상태를 보였다.
- 8℃의 포화온도를 나타내며 4개 상가 중 가장 높은 열적특성을 나타내었다. 전류의 순시값과 RMS는 전류의 증가에 따라 상승하였으며, 전류의 FFT는 1.3 kHz이내에 크기나 나타났으며, THD의 경우는 4.0~4.2사이의 고조파 성분을 보였다.
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