[논문]직렬 아크사고 경보시스템 개발을 위한 회로 토플로지 설계에 관한 연구

정민상; 곽동걸; 최정규; 김경섭; 박영직

[국내논문] 직렬 아크사고 경보시스템 개발을 위한 회로 토플로지 설계에 관한 연구
A Study on Circuit Topology Design for Alarm System Development of Series Arc Fault 원문보기

정민상 (강원대학교) , 곽동걸 (강원대학교) , 최정규 (강원대학교) , 김경섭 (강원대학교) , 박영직 ((주)서광이에스)

Most of fires are electric fires and 78.65% of those fires are caused by electric arc fault. This series arc fault can be caused not only by decrepit wire, pressed wire or contact badness etc. anywhere we use electricity. There are signs of heat release and flame discharge before the arc fire accident happens. This paper proposes a circuit topology for alarm system of series arc fault. We also verify the qualification of system through various arc fault simulator.

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문제 정의

현재 직접적인 화재의 원인이 되는 직렬아크 사고에 대한 예방은 실질적인 방법이 없으며, 이는 화재현황으로도 알 수 있는 부분이다. 이에 본 논문에서는 아크 발생 시 경보를 통하여 재산과 인명을 보호할 수 있도록 회로 설계를 하였으며, 그 성능이 실험결과와 같이 검증되었다. 제안한 시스 템은 디지털 소자와 반도체 스위칭소자 그리고 마이컴 등 응답성과 신뢰성이 우수한 소자로 구성이 가능하였고, 소형, 경량, 저가로 제작이 가능함으로 용이하게 사용될 것으로 고려된다.
이는 전기화재의 대부분이 아크(단락)에 의해 발생하는 것으로써, 이에 대한 연구개발의 필요성이 증대된다. 이에 본 논문에서는 접촉불량, 절연열화, 압착 손상, 트래킹 사고 등에서 나타나는 직렬 아크사고에 대한 아크를 감지하고 경보를 울리는 시스템을 개발하여, 전기 화재의 피해를 줄이고자 한다.

제안 방법

또한 전원이 차단될 경우 정전으로 인한 혼란 및 재산피해가 발생할 수 있으며, 기계 특성상 누전차단기를 사용할 수 없는 전기용접기, 전기로 등을 사용하는 장소도 있으므로 아크 발생시 경보시스템을 시설하여 안전을 확보하는 것이 바람 직하다. 본 연구에서 제안하는 아크사고 경보시스템은 안전관리자가 상주하는 1,000KVA 이상 전력사용처는 전원부에 시설하여 안전관리자가 사고를 인식할 수 있도록 하고, 상주 관리자가 없는 현장은 로컬 분전반 또는 사용자가 인지하기 좋은 장 소에 시설하여 전기화재를 줄이고자 한다.
제안한 경보시스템은 직렬아크 사고 발생 시 하이패스필터를 통하여 10kHz 이상의 트래킹 아크전류 고주파 신호를 통과 시키고 이 신호를 일정크기로 증폭한다. 증폭된 신호는 지연회로부에서 지정된 30도 뒤진 정현파 신호와 연산부에서 논리곱 (AND논리)로 연산된다.

대상 데이터

그림 3은 직렬아크 사고를 검출하고 경보를 알리기 위한 제안한 경보시스템의 회로 토폴로지 블록도를 나타낸다. 본 회로는 전원부, 하이패스 필터부, 증폭기부, 지연회로부, 연산부, 카 운터부, 경보송출부로 구성된다.

데이터처리

제안한 경보시스템의 실용성을 입증하기 위하여 아크사고 발생 시뮬레이터를 통하여 실측을 분석하였다. 그림 4는 제안 한 경보시스템의 직렬아크 사고 발생 시 경보동작을 나타내는 동작파형이다.

성능/효과

그림 1은 2015년도 국민안전처 국가정보센터의 발화요인별 화재현황 분석표이다. 분석표에서와 같이 아크(단락)사고의 발생률이 78.65%로 누전, 지락, 과부하 등 기타 사고와 대비하여 월등히 높은 것을 알 수 있다. 이로 인한 인명의 피해 또한 약 4.
그림 4는 제안 한 경보시스템의 직렬아크 사고 발생 시 경보동작을 나타내는 동작파형이다. 제안한 경보시스템은 직렬아크 사고 발생 후 약 300ms에서 경보신호를 송출하는 동작성능을 보였으며, 여러 차례의 동작성능 실험에서 우수한 동작특성을 보였다

후속연구

제안한 시스 템은 디지털 소자와 반도체 스위칭소자 그리고 마이컴 등 응답성과 신뢰성이 우수한 소자로 구성이 가능하였고, 소형, 경량, 저가로 제작이 가능함으로 용이하게 사용될 것으로 고려된다. 그리고 본 시스템은 전기사고에 대하여 광범위하게 적용될 수 있을 것이며, 전기사고에 대한 사전 경보시스템을 통하여 인명과 재산을 보호 할 수 있을 것으로 기대된다. 향후 본 경보시스템에 IoT를 활용하여 경보 발생 시 관리자 또는 사용자의 모바일 폰의 앱을 통하여 즉각 통보할 수 있도록 설계할 계획이다.
이에 본 논문에서는 아크 발생 시 경보를 통하여 재산과 인명을 보호할 수 있도록 회로 설계를 하였으며, 그 성능이 실험결과와 같이 검증되었다. 제안한 시스 템은 디지털 소자와 반도체 스위칭소자 그리고 마이컴 등 응답성과 신뢰성이 우수한 소자로 구성이 가능하였고, 소형, 경량, 저가로 제작이 가능함으로 용이하게 사용될 것으로 고려된다. 그리고 본 시스템은 전기사고에 대하여 광범위하게 적용될 수 있을 것이며, 전기사고에 대한 사전 경보시스템을 통하여 인명과 재산을 보호 할 수 있을 것으로 기대된다.
그리고 본 시스템은 전기사고에 대하여 광범위하게 적용될 수 있을 것이며, 전기사고에 대한 사전 경보시스템을 통하여 인명과 재산을 보호 할 수 있을 것으로 기대된다. 향후 본 경보시스템에 IoT를 활용하여 경보 발생 시 관리자 또는 사용자의 모바일 폰의 앱을 통하여 즉각 통보할 수 있도록 설계할 계획이다.

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