[논문]스파크 신호검출에 의한 전기화재 예측

김일권; 송재용; 길경석; 권장우

문제 정의

전기화재를 예측하기 위해서는 화재의 징후로써 나타날 수 있는 이상 신호의 유무를 판단하는 것이 중요하다. 따라서 본 실험에서는 일상생활에서 스파크가 발생할 수 있는 각각의 상황을 모의하였으며, 이에 따른 특징적인 신호를 측정. 분석하였다.
본 연구에서는 전기화재를 예측할 수 있는 방법을 제안하기 위하여 발화 현상 중 상당수를 차지하는 스파크에 대한 특성을 파악하였다. 스파크가 발생할 수 있는 여러 가지 상황을 모의하여 상용 주파수와 구별되는 고주파 신호의 특정한 대역을 결정하였으며, 여러 가지 상황에 따른 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 전기화재의 원인이 되는 스파크의 발생을 모의하고, 그 특성을 분석하기 위하여 연 면 방전, 단락 등 여러 가지 상황에 대한 절연파괴 특성을 측정, 분석하였으며, 주요 연구내용은 다음과 같다.

제안 방법

실제 전기화재에 있어서 발화의 원인이 되는 스파크는 전원선의 노화, 파손로 인한 절연파괴에 의해 발생할 수도 있지만 회로상의 단락(short)에 의하여 발생할 수도 있다. 따라서 이러한 단락현 상에 대한 특성을 파악하기 위하여 스위치를 이용한 강제 단락 회로를 구성하였으며, 단락 시 급격히 증가되는 전류를 제한하기 위하여 한류 리액턴스를 사용하였다. 그림 2는 단락시험에 대한 측 정계를 나타낸 것이다.
분석하였다. 또한 FFT를 이용하여 각 주파수별 스펙트럼을 분석하고, 각각의 상황에 따른 특징적인 고주파 대역을 결정하였다.[2]
전기화재로 진행될 수 있는 상황을 모의하기 위하여 적절한 간격의 침전 극을 설치하고, 방전이 더욱 용이하도록 전원 전압 이상의 고전압을 인가하여 간헐적인 연속적인 스파크를 발생시켰다. 또한 침 전극 사이에 젖은 종이, 젖은 목재 등을 삽입하여 이에 대한 신호 특성을 분석하였으며 단락에 대한 영향을 평가하기 위하여 한류 리액턴스를 이용한 단락시험을 병행하였다.
본 실험을 통하여 스파크 발생에 의한 전압의 특징적인 주파수 대역을 결정하였으며, 이를 표 1에 나타내었다.
측정된 전압, 전류 파형을 오실로스코프 내의 FFT 기능을 이용하여 전대역에 걸친 주파수 별 크기로 변환하였으며, 이를 비교. 분석하여, 상용주파수와 구별되는 고주파 대역을 결정하였다.
스위치를 이용하여 전원 전압이 인가된 한류 리액턴스의 출력을 강제 단락 시켜 이때의 전압, 전 류 파형을 측정하였으며, FFT에 의한 주파수 분석을 병행하였다.
스파크 발생에 의한 고주파 전압, 전류 파형을 FFT(Fast Fourier Transformation) 분석을 통하여 상용주파수와 구별되는 고주파 대역을 확인하였으며, 실제 전기화재의 발생을 예측하는 수단으로 사용할 수 있도록 각각의 상황에 따른 주파수대 역을 제안하였다.
본 연구에서는 전기화재를 예측할 수 있는 방법을 제안하기 위하여 발화 현상 중 상당수를 차지하는 스파크에 대한 특성을 파악하였다. 스파크가 발생할 수 있는 여러 가지 상황을 모의하여 상용 주파수와 구별되는 고주파 신호의 특정한 대역을 결정하였으며, 여러 가지 상황에 따른 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
전기화재로 진행될 수 있는 상황을 모의하기 위하여 적절한 간격의 침전 극을 설치하고, 방전이 더욱 용이하도록 전원 전압 이상의 고전압을 인가하여 간헐적인 연속적인 스파크를 발생시켰다. 또한 침 전극 사이에 젖은 종이, 젖은 목재 등을 삽입하여 이에 대한 신호 특성을 분석하였으며 단락에 대한 영향을 평가하기 위하여 한류 리액턴스를 이용한 단락시험을 병행하였다.
전기화재의 발화 현상 중에 하나인 스파크 신호의 특성을 파악하기 위해서 공기 중에서의 절연파괴, 젖은 종이와 젖은 목재에서의 연 면 방전 그리고 한류 리액턴스를 이용한 단락시험 둥 스파크가 발생할 수 있는 여러 가지 상황에 따라 특징적인 전압, 전류 파형을 측정. 분석하였다.
슬라이닥스 를 통하여 서서히 증가된 1차 측 전압은 2차 측에 고전압을 발생시키고 방전 개시전압 이상이 되면 침 전극 부근에서 간헐적인, 연속적인 스파크가 발 생한다. 측정된 전압, 전류 파형을 오실로스코프 내의 FFT 기능을 이용하여 전대역에 걸친 주파수 별 크기로 변환하였으며, 이를 비교. 분석하여, 상용주파수와 구별되는 고주파 대역을 결정하였다.

성능/효과

1) 최대 15[kV]의 2차 전압 출력을 갖는 고전 압 변압기와 3[mm] 간격에 침전 극을 이용하여 인위적으로 스파크를 발생시켰으며, 고주파 전압 파형을 FFT에 의한 분석 결과 공기 중에서의 방전은 1~ 5[kHz]의 주파수 성분이 우세하였다,
1.8[kV] 이상의 전압에서 종이의 표면을 따라 연 면 방전이 발생하였으며, 방전이 지속됨에 따라 스파크 발생 부분에 부분적인 발화가 되면서 점차 방전 개시전압이 높아졌다. 또한 FFT 분석에 의하여 얻어진 주파수와 각 주파수별 전압의 크기를 보면 초기에는 다소 높은 주파수 성분이 우세하게 나타나다가 부분적인 발화가 진행되면서 점차 공기 중에서의 방전과 유사한 형태를 보였다.
2) 침 전극 사이에 젖은 종이와 젖은 목재를 삽입하여 인위적으로 연 면 방전을 발생시켰으며, 고주파 전압 파형을 FFT에 의한 분석 결과 젖은 종이에서는 8~15[kHzL 젖은 목재에서는 6~19[kHz]의 주파수 성분이 우세하였다.
3) 한류 리액턴스를 이용한 단락시험에서는 스위치를 on 하는 순간에 1회의 스파크가 발생하였으며 고주파 전압 파형을 FFT에 의한 분석 결과 4~9[kH기의 주파수 성분이 우세하였다.
또한 초기에는 비교적 낮은 전압에서 방전이 발생하였으나, 방전이 지속되고 목재 곳곳에서 발화가 진행되면서 점차 방전 개시 전압이 상승하였다. FFT 분석에 의하여 얻어진 주파수와 각 주파수별 전압의 크기를 보면 약 8.5[kHz] 부근의 주파수 성분이 우세하게 나타났으며 이보다 높은 주파수 성분도 상당수 관찰되었다. 수 차례의 반복적인 실험을 통하여 젖은 목재에서의 방전은 6 ~ 19[kHz]의 주파수 성분이 우세함을 알 수 있었다.
8[kV] 이상의 전압에서 종이의 표면을 따라 연 면 방전이 발생하였으며, 방전이 지속됨에 따라 스파크 발생 부분에 부분적인 발화가 되면서 점차 방전 개시전압이 높아졌다. 또한 FFT 분석에 의하여 얻어진 주파수와 각 주파수별 전압의 크기를 보면 초기에는 다소 높은 주파수 성분이 우세하게 나타나다가 부분적인 발화가 진행되면서 점차 공기 중에서의 방전과 유사한 형태를 보였다.
수 차례의 반복적인 실험을 통하여 12.5[kH기 부근의 주파수 성분이 대부분을 차지하였고, 젖은 종이를 통하여 연 면 방전이 발생하였을 때에는 8 ~ 15[kHz]의 주파수 성분이 우세함을 알 수 있었다.
4[kHz] 부근의 주파수 성분이 대부분을 차지했으며 크기는 작지만 이보다 높은 주파수 성분이 부분적으로 관찰되었다. 수 차례의 반복적인 실험을 통하여 단락 시 발생하는 스파크의 고주파 전압은 4 ~ 9[kHz] 대역의 주파수 성분이 우세함을 알 수 있었다.
5[kHz] 부근의 주파수 성분이 우세하게 나타났으며 이보다 높은 주파수 성분도 상당수 관찰되었다. 수 차례의 반복적인 실험을 통하여 젖은 목재에서의 방전은 6 ~ 19[kHz]의 주파수 성분이 우세함을 알 수 있었다.
스파크 발생에 의한 고주파 전압 파형의 주파수별 특징을 보면 대략 6.4[kHz] 부근의 주파수 성분이 대부분을 차지했으며 크기는 작지만 이보다 높은 주파수 성분이 부분적으로 관찰되었다. 수 차례의 반복적인 실험을 통하여 단락 시 발생하는 스파크의 고주파 전압은 4 ~ 9[kHz] 대역의 주파수 성분이 우세함을 알 수 있었다.
스파크 발생에 의한 고주파 전압은 2.6[kH기 부근의 주파수 성분이 대부분을 차지하며, 수차 례의 실험을 통하여 대략 1 ~ 디kH기 대역의 주파수 성분이 우세함을 알 수 있었다,

후속연구

전기화재란 전기에 의한 발열, 방전이 원인이 되어 발생되는 화재의 총칭을 말하며, 발생 별 발 화현 상 중에 상당수가 스파크(spark)에 의한 것으로 보고되고 있다.[1] 따라서 전원선의 노화, 파손으로 인한 절연파괴나 주위 물체와의 접촉으로 인한 단락 사고를 사전에 검출하여 화재로 진행될 수 있는 상황을 파악할 수 있다면 전기로 인한 화재를 현저히 감소시킬 수 있을 것이다.
전기화재의 발화 원인이 되는 스파크는 여러 가지 상황에 따라서 상용주파수와 구별되는 고주파 신호 특성을 나타낸다. 그러므로 이에 상웅하는 적절한 대역필터를 사용하여 고주파 신호를 검출한다면 스파크의 발생을 감지하여 화재로 이어질 수 있는 상황에 대처할 수 있을 것이다.
스파크 발생 시 고주파 전압, 전류의 검출 방법을 이용한다면 전기화재로 진행될 수 있는 상황을 사전에 예측할 수 있을 것이다. 따라서 수 [kHz] 의 고주파 전압 올 검출할 수 있도록 간단한 수동소자로 구성된 대역 통과 필터를 적용한다면 경제성 및 타당성이 있는 전기화재 예측시스템의 구성이 가능할 것이다.
스파크 발생 시 고주파 전압, 전류의 검출 방법을 이용한다면 전기화재로 진행될 수 있는 상황을 사전에 예측할 수 있을 것이다. 따라서 수 [kHz] 의 고주파 전압 올 검출할 수 있도록 간단한 수동소자로 구성된 대역 통과 필터를 적용한다면 경제성 및 타당성이 있는 전기화재 예측시스템의 구성이 가능할 것이다.

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