[논문]전원 전류 고조파 해석에 의한 직렬 아크 고장 검출 방안

안정운; 오용택

doi:10.5207/jieie.2014.28.12.030

전원 전류 고조파 해석에 의한 직렬 아크 고장 검출 방안
Series Arcing Fault Detection Method Using Harmonics Analysis of Supply Current 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.28 no.12, 2014년, pp.30 - 37

안정운 (한국기술교육대학교 전기.전자.통신공학부 전기공학전공) , 오용택 (한국기술교육대학교 전기.전자.통신공학부 전기전공)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, Concerns of imbalance for power supply has been raised by the increase of electric power consumption, but the interest of electric safety is still lacking due to the incompleteness of regulations. Particularly, Arcing fault, direct cause of electric fire accidents, is difficult to detect, interrupt due to unformal signal behaviour in previous research and apply to real system. In this paper, Arcing fault simulator device was fabricated to investigate the characteristics of series arcing fault and simulated the faults in various real load. Also, this study are analysed arcing fault signal by using the harmonic analysis of the acquired data from the current of the power supply and proposed the methods to prevent the series arcing fault accidents in advance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

아크 고장 전압과 전류의 변화가 가장 크지만 임의의 지점에서 발생하는 아크 고장의 특성상 아크 고장 지점의 고장 전압과 전류를 이용한 검출 방법은 실효성이 없고, 부하 측의 전압과 전류를 이용한 검출은 선로에서 고장이 발생할 경우 검출하지 못하는 단점이 있다. 따라서 본 연구는 아크 고장시의 전원 전류의 변화에 초점을 맞추어 직렬 아크 고장 특성을 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 전기화재사고 예방을 위해 UL1699에서 제시하는 방법으로 모의 직렬 아크 발생장치를 설계 및 제작하고 다양한 부하에 연결하여 사고를 모의하여 데이터를 취득, 전원 공급단 전류 측에서의 직렬아크 신호 특성을 고조파 해석방법으로 분석한다. 또한 분석한 신호의 특정고조파를 검출하여 차단할 수 있는 방법을 제시하고, 검증함으로서 유용성을 검토하고자 한다.
본 연구에서 전력전자소자를 이용한 부하에서 아크 고장 판단을 위해 표 4를 참조하여 제2차와 제4차 고조파 함유율에 4%의 문턱값을 제안하였으나 향후에는 다양한 부하의 용량 변화에 대한 신뢰성 있는 분석과 복합적인 부하 실험 및 프로세서를 이용하여 정확하고 신속한 직렬 아크 고장 검출에 관한 연구를 추진하고자 한다.

가설 설정

간헐적이고 비정형적인 형태로 발생하는 아크 고장의 특성으로 인해 아크 고장 전류는 다음과 같은 특징을 갖는다. ① Shoulder 영역이 존재한다.(전류가 ‘0’인 구간) ② Peak 진폭의 변화가 있다.

제안 방법

본 연구는 전기화재 사고의 원인이 되는 직렬 아크 고장의 실험을 통한 직렬아크 신호의 특성을 분석하고 이를 이용한 직렬 아크 고장 신호 검출방안 및 유용성을 아래와 같이 제안한다.
본 연구에서는 아크 고장시 고조파 함유량을 표 4와 같이 종합함으로서, 제2차와 제4차 고조파 함유율을 비교하여 각각의 고조파 함유율이 기본파 대비 4% 이상이고, 전체 고조파 분포 중에 제3차 고조파의 함유율이 가장 클 경우 아크 고장으로 판단할 수 있음을 제안한다. 정상상태의 노트북의 짝수차수 고조파는 약 3% 함유되어있고, 다리미의 아크 고장 실험 결과 제2차와 제4차 고조파는 약 4% 이상이므로 4%의 문턱값을 제안하는 바이다.
본 연구에서는 전기화재사고 예방을 위해 UL1699에서 제시하는 방법으로 모의 직렬 아크 발생장치를 설계 및 제작하고 다양한 부하에 연결하여 사고를 모의하여 데이터를 취득, 전원 공급단 전류 측에서의 직렬아크 신호 특성을 고조파 해석방법으로 분석한다. 또한 분석한 신호의 특정고조파를 검출하여 차단할 수 있는 방법을 제시하고, 검증함으로서 유용성을 검토하고자 한다.
실제 전원회로에서 아크 고장을 모의하여 일반적인 저항 소자 부하인 다리미와 전기포트를 이용해 아크 고장 실험을 수행하였다. 정상상태일 때와 아크 고장일 때의 전원전류 고조파 함유율을 비교하였고, 결과는 그림 7과 같다.
정상상태일 때 부하전류의 형태가 아크 고장 전류처럼 비대칭을 띠고, ‘0’전류 구간이 나타나는 전력전자 소자를 이용한 부하 실험을 통해 저항 소자 부하와의 비교를 해보았다.
제작한 아크 발생기를 UL1699에서 제시하는 시험 방법으로 그림 4와 같이 회로를 구성하였으며, 전원은 단상 220V, 부하는 무유도 저항(50Ω)을 연결하였고, 전력분석기(Dewetron - DMU700)를 이용하여 측정하였다.
직렬 아크 고장의 특징을 관측하기 위해 모의 직렬 아크 고장 발생장치를 제작했다. UL1699에서 제시하는 기준에 따라 제작하였으며, 세부 구성내용은 그림 3과 같다.

이론/모형

직렬 아크 고장의 특징을 관측하기 위해 모의 직렬 아크 고장 발생장치를 제작했다. UL1699에서 제시하는 기준에 따라 제작하였으며, 세부 구성내용은 그림 3과 같다.

성능/효과

2.2절에서 설명한 아크 전류의 특성 ‘0’전류 구간, Peak진폭의 변화, 전류 상승속도 변화 등의 특징이 나타났다.
③ 전력전자 소자를 이용한 부하 실험(노트북, 충전기)을 통해 전원 전류 고조파 중 제2차와 제4차 고조파의 함유율이 4% 이상임을 확인하고(표 4 참조), 전체 고조파 분포 중에 제3차 고조파가 다른 차수의 고조파 보다 크기가 크면 아크 고장으로 판단할 수 있다.
아크 고장시에는 저항 소자 부하와 동일하게 모든 차수에서 고조파 성분이 함유되었으며, 특히 제3차 고조파의 함유율이 가장 큰 것을 확인하였다.
67%의 함유율을 보였다. 위의 실험 결과를 통해 주파수영역에서 전원전류를 분석하여 제 3차 고조파의 함유율이 다른 차수의 고조파 함유율보다 크게 나타나면 직렬 아크 고장으로 판단할 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구에서는 아크 고장시 고조파 함유량을 표 4와 같이 종합함으로서, 제2차와 제4차 고조파 함유율을 비교하여 각각의 고조파 함유율이 기본파 대비 4% 이상이고, 전체 고조파 분포 중에 제3차 고조파의 함유율이 가장 클 경우 아크 고장으로 판단할 수 있음을 제안한다. 정상상태의 노트북의 짝수차수 고조파는 약 3% 함유되어있고, 다리미의 아크 고장 실험 결과 제2차와 제4차 고조파는 약 4% 이상이므로 4%의 문턱값을 제안하는 바이다.
다리미와 전기포트 모두 정상상태일 때는 대칭적인 정현파 형태의 전류파형으로 FFT분석 결과 기본파 성분을 제외한 나머지 고조파 성분은 거의 나타나지 않았다. 하지만 아크 고장일 때의 FFT분석 결과 모든 차수에서 고조파 성분이 나타났으며, 특히 제3차 고조파의 함유율이 다른 차수의 고조파보다 크게 나타났다. 기본파성분을 기준(100%)으로 각 차수별 고조파의 함유율은 표 2와 같다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구는 전기화재 사고의 원인이 되는 직렬 아크 고장의 실험을 통한 직렬아크 신호의 특성을 분석하였다, 이를 이용한 직렬 아크 고장 신호 검출방안 및 유용성은?	① 무유도 저항을 이용한 직렬 아크 고장 실험을 통해 직렬 아크 고장 검출에 전원단 전류의 고조파 분석이 필요하다. ② 저항소자 부하 실험(다리미, 전기포트)을 통해 전원 전류 고조파 중 제3차 고조파의 함유율이 가장 클 경우 직렬 아크 고장으로 판단이 가능하고, ③ 전력전자 소자를 이용한 부하 실험(노트북, 충전기)을 통해 전원 전류 고조파 중 제2차와 제4차 고조파의 함유율이 4% 이상임을 확인하고(표 4 참조), 전체 고조파 분포 중에 제3차 고조파가 다른 차수의 고조파 보다 크기가 크면 아크 고장으로 판단할 수 있다.
	아크 고장의 발생 원인은?	아크 고장은 배선의 노화나 단선 혹은 반단선에 의한 접촉 불량, 멀티탭을 이용한 무분별한 전기사용 등과 같은 원인으로 인해 발생한다. 접촉 불량이 발생하면서 국부적인 스파크(Spark)가 발생하고, 온도가 순간적으로 1만∼1만5천℃까지 급상승하여 주변의 목재나 플라 스틱과 같은 물질과 반응하면서 화재로 진전 된다.
	아크의 정의는?	아크는 “전극의 부분적인 증발로 인해 수반되는 절연 개체를 통한 전기의 지속적인 빛의 방출”로 정의 된다[2].

참고문헌 (8)

Sun-bae Bang, "Utilized AFCI(Arcing Fault Circuit Interrupter) for the Prevention of Electrical Fire", Monthly of Electrical Technology and Information, vol. 206, Nov 2011.
Underwrites Laboratories Inc. UL1699, "Arc-Fault Circuit-Interrupters", May, 2003.
Wan-Sung Kwon, Su-Kyung Choi, Jung-Muk Choi, Bayasgalan, Gyu-Ha Choe, "A study on Arc Pattern of Arc Generator Based on UL1699", Proceeding of the KIPE, pp. 10-12, July 2009.
Wen-Jun Li, Yuan-Chun Li, "Arc fault detection based on wavelet packet", Proc. 2005 Fourth International Conference on Machine Learning and Cybernetics, vol. 3, pp. 1783-1788, 2005.
Carlos E. Restrepo, "Arc fault detection and discrimination methods", IEEE Conf. on Electrical Contacts, pp.115-122, 2007.
Robert F. Couhglin, and Frederick F. Driscoll, Operational Amplifiers Linear Integrated Circuits, 3rd Edition, Prentice-Hall, INC., 1987.
George D. Gregory, Kon Wong, Robert F. Dvorak, "More About Arc Fault Circuit Interrupters", IEEE Transactions on industry applications, Vol. 40, pp. 1006-1011, July/August 2004.

상세보기
Alexandre B. Nassif, Thavatchai Tayjasanant, "Flicker Representation via STFT and Wavelets", Power Engineering Society General Meeting, 2006, IEEE, pp.1-7.

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