[논문]사고전압 감지형 아크차단 제어회로 개발

곽동걸; 변재기; 이봉섭

doi:10.7731/kifse.2013.27.2.001

사고전압 감지형 아크차단 제어회로 개발
Development of Arc Fault Interruption Control Circuit of Fault Voltage Sensing Type 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.27 no.2, 2013년, pp.1 - 5

곽동걸 (강원대학교 방재전문대학원) , 변재기 (고려대학교 기계공학부) , 이봉섭 (강원대학교 제어계측공학과)

초록
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본 논문은 사고전압 감지형의 아크차단 제어회로에 대한 연구로써, 전기사고 발생 시 선간전압의 순간적인 전압감쇠를 감지하여 기존 차단기를 동작시키는 전압감지형 전기화재 예방장치이다. 현재 저압배전 계통에 사용중인 누전차단기, 배선용차단기 그리고 RCD 등은 전기화재의 주요 요인인 아크사고에 대해 보호능력이 없는 것으로 분석된다. 본 논문에서는 이러한 문제점들을 개선하기위하여 이전의 전류감지에 의한 아크사고 차단방식이 아닌 사고발생 시 전압파형의 왜곡을 이용한 새로운 전압감지형 아크차단 제어회로를 개발하여 전기화재를 예방하고자 한다. 제안한 아크차단 제어회로는 소형 경량으로 제작되는 장점과 다양한 동작분석을 통하여 그 실용성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper studies on an arc fault interruption control circuit (AFICC) of fault voltage sensing type. The proposed voltage sensing type AFICC (VST_AFICC) is an electrical fire prevention apparatus that operates the existing circuit breaker with sensing the instantaneous voltage drop of line voltage when occurs electrical faults. The existing Earth Leakage Circuit Breaker (ELB), Molded_case Circuit Breaker (MCCB), and Residual Current Protective Devices (RCDs) used in low voltage distributing system don't have protective capability from electric arc faults to be a major factor of electrical fire. In this paper to improve such problems, a new VST_AFICC using the distortion of voltage waveform when occurs electrical faults is proposed to prevent electrical fire. There is characteristic that the control method of proposed apparatus is different from previous current sensing type. The proposed AFICC has merit that is manufactured by small size and light weight. The practicality of a new VST_AFICC is also verified through various operation analysis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존의 차단기로는 차단보호 능력이 불가능한 아크사고에 대해 우수한 동작특성을 가지는 사고 전압 감지형의 아크차단 제어회로를 제안하였다. 제안한 아크차단 제어회로는 전기사고 발생 시에 왜곡된 선간전압의 순간적인 전압감쇠를 감지하여 기존 차단기를 동작 시키는 새로운 제어기법으로 설계되었다.
본 논문에서는 이러한 기존 차단기와 전류감지형 아크차단기의 문제점들을 해결하고 전기화재를 폭 넓게 방지하기 위하여, 전기사고 발생 시 선간전압의 순간적인 전압감쇠를 감지하는 전압감지형 아크차단 제어회로(VST_AFICC)를 개발하여 제안하고자 한다.

제안 방법

, 그 외 회로 정수용 수동소자와 반도체 제어소자 등으로 구성된다. 또한 전기사고 발생에 따른 제어회로의 동작유무를 표시하기위한 LED와 아크사고 발생 시 배전선로와 접지선(G)간의 강제적인 단락회로 형성에 의한 단락전류와 선로의 과열을 감소시키기 위한 PTC 서미스터(thermistor)를 적용하였다.
누전전류 발생부는 누전사고에 대해 우수한 동작특성을 가지는 기존 RCD를 최대한 활용하기 위한 것으로, 제안한 아크차단기에 별도의 차단장치를 설치할 필요가 없는 장점이 주어진다. 또한 제안한 제어회로의 회로구성에는 아크사고 발생 시 왜곡된 전압파형의 순간적인 전압감쇠를 감지하기위하여 고정밀의 프로그램형 트랜지스터 PUT가 사용된 특징이 있다.
Figure 4는 순간단락에 의한 아크사고 발생 시의 선간전압과 아크전류에 대한 분석파형을 나타낸다. 본 실험을 위한 인위적인 순간단락사고 시뮬레이터는 실제 전기화재에 기인되는 아크사고를 고려하여, 저압배전선로(AC220 V) 양단에 탄소저항(5.8 kΩ/0.25 W)을 연결시켜 저항 소자의 파손에 의한 순간적인 불꽃방전을 이용하였다.
본 논문에서는 기존의 차단기로는 차단보호 능력이 불가능한 아크사고에 대해 우수한 동작특성을 가지는 사고 전압 감지형의 아크차단 제어회로를 제안하였다. 제안한 아크차단 제어회로는 전기사고 발생 시에 왜곡된 선간전압의 순간적인 전압감쇠를 감지하여 기존 차단기를 동작 시키는 새로운 제어기법으로 설계되었다. 또한 제안한 제어회로의 회로구성은 소수의 수동소자와 고정밀의 반도체소자를 이용한 제어회로 토폴로지로 설계되어 속응성이 우수하고 신뢰성이 높은 특징이 주어졌다.
제안한 전압감지형 아크차단 제어회로는 순간단락사고나 접촉 · 접속불량사고 등에 의한 아크발생 시 선간 전압의 왜곡된 전압파형을 감지하는 전압센싱 회로부와 사고 감지 후 기존 차단기를 신속히 동작시키기 위한 강제적인 누전전류 발생부로 구성된다.
제안한 전압감지형 아크차단 제어회로는 이전의 전류감지에 의한 아크사고 차단방식이 아닌 사고발생 시 왜곡된 전압파형을 신속히 감지하여 계통을 보호하는 새로운 전압감지형 아크차단 방식이 적용되는 특징이 있다. 또한 제안한 VST_AFICC는 소수의 수동소자와 고정밀의 반도체소자들을 이용한 제어회로 토폴로지로 설계되어 속응성이 우수하고 고신뢰성의 특징이 주어진다.
제안한 전압감지형 아크차단 제어회로의 구성은 Figure 1과 같이 직류전원 공급을 위한 정류용 브릿지 다이오드 D₁~D₄, 평활용 커패시터 C₁, 전원측 서지(surge)발생에 대한 제어회로의 보호를 위한 배리스터(varistor) V₁, 분압용 저항 R₁, R₂, 그리고 사고전압 감지용 센서인 프로그램형트랜지스터 PUT, 사고전압의 전압감쇠분 설정을 위한 제너다이오드 D_Z, 누설 접지전류 발생을 위한 단락용 스위칭 소자 SCR 및 SCR 구동용 적분기 R₄, C₄, 그 외 회로 정수용 수동소자와 반도체 제어소자 등으로 구성된다. 또한 전기사고 발생에 따른 제어회로의 동작유무를 표시하기위한 LED와 아크사고 발생 시 배전선로와 접지선(G)간의 강제적인 단락회로 형성에 의한 단락전류와 선로의 과열을 감소시키기 위한 PTC 서미스터(thermistor)를 적용하였다.

대상 데이터

제안한 전압감지형 아크차단 제어회로에 사용된 주요 소자들의 회로정수를 Table 1에 주어진다. 또한 본 실험에 사용된 기존의 RCD는 KSC4613에 의거하여 설계된 과부하겸용 고감도형 누전차단기를 사용하였다⁽¹¹⁾. 사용된 RCD의 주요 사양을 Table 2에 나타낸다.
제안한 아크차단 제어회로의 접촉불량사고에 대한 동작 성능을 분석하기위하여, Figure 5에 접촉불량사고 발생 시의 선간전압과 접지전류에 대한 특성파형을 나타낸다. 본 실험을 위한 접촉불량사고 시뮬레이터는 부하측 전력선로 양단에 사각형 동판전극 두 개를 1 mm 공극을 두고 그 사이에 흑연가루를 뿌려 실시하였다.

성능/효과

Figure 4(a)는 아크전류 최대치 약 195 A, 아크 폭 6 ms 의 아크사고에 대한 분석파형이고, Figure 4(b)는 아크전류 최대치 약 150 A, 아크 폭 7 ms의 아크사고에 대한 분석파형이다. 두 경우 모두 순간단락사고에 의한 임펄스성 아크 전류에 대해 제안한 아크차단 보호장치는 약 23~37 ms의 차단동작시간으로 계통을 차단시키는 우수한 동작특성을 보였다.
제안한 전압감지형 아크차단 제어회로는 이전의 전류감지에 의한 아크사고 차단방식이 아닌 사고발생 시 왜곡된 전압파형을 신속히 감지하여 계통을 보호하는 새로운 전압감지형 아크차단 방식이 적용되는 특징이 있다. 또한 제안한 VST_AFICC는 소수의 수동소자와 고정밀의 반도체소자들을 이용한 제어회로 토폴로지로 설계되어 속응성이 우수하고 고신뢰성의 특징이 주어진다. 특히 제어회로 내에 사고전압 감지용으로 사용한 센서는 반도체 프로그램형 트랜지스터인 PUT(programmable unijunction transistor)를 적용하여 제어회로의 안정성과 신뢰성이 확보된다.
제안한 아크차단 제어회로는 전기사고 발생 시에 왜곡된 선간전압의 순간적인 전압감쇠를 감지하여 기존 차단기를 동작 시키는 새로운 제어기법으로 설계되었다. 또한 제안한 제어회로의 회로구성은 소수의 수동소자와 고정밀의 반도체소자를 이용한 제어회로 토폴로지로 설계되어 속응성이 우수하고 신뢰성이 높은 특징이 주어졌다. 특히 아크사고 발생 시 사고전압 감지용으로 사용된 PUT는 빠른 응답속도와 내구성이 우수하여 제안한 보호장치의 신뢰성을 높였다.
이상과 같이 전기화재의 주요 요인인 아크사고에 대해서 기존의 차단기로는 차단보호 능력이 불가능한 문제점을 제안한 전압감지형 아크차단 장치의 개발로 인하여 전기화재를 감소시키고 전력계통을 보호하는 신뢰성과 실용성을 보였다.
제안한 아크차단 제어회로는 Figure 4에서와 같이 아크 사고 발생 시에 나타나는 왜곡된 선간전압 파형의 감쇠된 전압을 프로그램형 트랜지스터 PUT에 의해 센싱되고, 기존에 설치된 RCD를 동작시키기 위하여 배전선로와 접지 간의 단락용 스위칭 소자 SCR의 턴-온으로 인해 강제적으로 누전전류를 발생시키는 제어기법을 가졌다
제안한 아크차단 제어회로는 접촉불량사고 발생 시에 사고전압을 감지하여 단락용 스위칭 소자 SCR에 의한 강제적인 누전전류를 발생시켜 약 700 mA의 접지전류가 발생한 경우로써, 약 45 ms의 차단동작시간으로 기존의 RCD를 동작시키는 양호한 동작특성을 보였다.
또한 제안한 제어회로의 회로구성은 소수의 수동소자와 고정밀의 반도체소자를 이용한 제어회로 토폴로지로 설계되어 속응성이 우수하고 신뢰성이 높은 특징이 주어졌다. 특히 아크사고 발생 시 사고전압 감지용으로 사용된 PUT는 빠른 응답속도와 내구성이 우수하여 제안한 보호장치의 신뢰성을 높였다. 그리고 제안한 아크차단 제어회로는 회로구성이 간단하여 소형 · 경량으로 설계제작이 가능한 장점으로, 매입형 콘센트나 멀티 콘센트 등에 내장되어 각종 전기화재를 예방하는데 기여도가 클 것으로 고려된다.

후속연구

그리고 제안한 아크차단 제어회로는 회로구성이 간단하여 소형 · 경량으로 설계제작이 가능한 장점으로, 매입형 콘센트나 멀티 콘센트 등에 내장되어 각종 전기화재를 예방하는데 기여도가 클 것으로 고려된다.

참고문헌 (11)

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원문보기 상세보기
Hetko Inc., "Earth Leakage Circuit Breaker with Arc Fault Protection" (2010).
LSIS co., "Technical Data of ELB and MCCB" (2010).

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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