[논문]가정용 부하에서 발생하는 아크의 FFT 분석

권완성; 최수경; 반충환; 방선배; 김종민; 최규하

[국내논문] 가정용 부하에서 발생하는 아크의 FFT 분석
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권완성 (건국대학교) , 최수경 (건국대학교) , 반충환 (건국대학교) , 방선배 (한국전기안전공사) , 김종민 (한국전기안전공사) , 최규하 (건국대학교)

현재 아크로 인한 전기화재를 예방하기 위한 방법으로 아크차단기(AFCI)가 제품으로 출시되고 있으며, 이에 적용되는 아크검출 알고리즘 개발이 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 가정용 부하에서 발생할 수 있는 직렬아크를 모의발생장치를 사용하여 시험하고 그 아크를 검출하기 위한 알고리즘의 하나인 FFT 분석을 통하여 검출의 가능성 및 타당성을 확인하였다.

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문제 정의

이를 위해서는 아크의 정량적인 정의나 모든 경우에 적용될 수 있는 모델이 필요하나 실제로 아크는 예측이 불가능하고 또한 동일한 아크를 반복적으로 발생시키는 것은 불가능에 가깝다. 따라서 본 논문에서는 아크차단기의 시험기준인 UL1699에 정의된 시험장치 및 시험방법 등을 기반으로 하여 일반적인 아크를 발생시키고 그 데이터를 이용하여 주파수 영역에서의 해석을 통해 전기화재를 예방하기 위한 방법으로서의 가능성을 확인하였다.

제안 방법

AFCI의 성능시험 중 동작억제시험(Operation inhibition test)에 적용되는 장치로서 아래의 그림과 같이 구리로 된 고정전극과 탄소-흑연으로 된 이동전극으로 구성되었으며, 전원측에 고정전극, 부하측에 이동전극을 직렬로 연결하고 양 전극을 완전히 접촉시켜 폐회로가 되도록 하고 전원을 인가한 뒤에 이동전극을 고정전극으로부터 서서히 분리시켜 그 사이에 아크가 발생하도록 하였다^[3].
가정용 부하에 의해서 발생하는 아크의 파형을 알아보기 위해 일반 가정에서 사용되는 냉장고와 텔레비전을 부하측에 적용하여 아크를 발생시켰고 그 전류의 파형은 그림 3과 같이 나타났다. 그림에서 알 수 있듯이 두 가지 부하 모두 전체적으로 정상적인 파형에 비해 왜곡이 발생하였고, 냉장고의 경우 전류가 0이 되는 부분에서 0 또는 극히 작은 전류가 지속되는 현상을 발견할 수 있다.
본 논문에서는 가정용 부하를 적용하여 UL1699에 정의된 방법에 따라 아크를 발생시키고 FFT 분석을 통해 아크 발생 시 고조파가 변화를 살펴보았다. 제한적인 부하에서의 특성이긴 하지만 아크가 발생하면 짝수 고조파의 크기가 증가되는 것을 알 수 있었다.

대상 데이터

UL1699에 정의된 아크발생장치를 적용하고 실제 가정에서 사용되는 부하를 이용하여, 각 부하에서 일어날 수 있는 아크를 확인하기 위해 아래와 같이 모의시험 하였다.

이론/모형

냉장고와 텔레비전에서 나타나는 아크의 데이터를 Psim의 Simview 프로그램에 적용하였고, 정상전류 및 아크전류 각각의 FFT는 그림 4와 같이 나타났다. 또한 각 부하의 고조파 그림 XX와 같이 변화되는 것을 확인할 수 있다.

성능/효과

본 논문에서는 가정용 부하를 적용하여 UL1699에 정의된 방법에 따라 아크를 발생시키고 FFT 분석을 통해 아크 발생 시 고조파가 변화를 살펴보았다. 제한적인 부하에서의 특성이긴 하지만 아크가 발생하면 짝수 고조파의 크기가 증가되는 것을 알 수 있었다. 위의 방법은 적용하여 가정용 부하 등에서 사용되는 아크차단장치의 검출 알고리즘에 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

아크는 크기나 형태를 정량화하는 것이 어렵기 때문에 모든 상황에서 아크를 판단할 수 있도록 하는 것이 아크검출 알고리즘의 핵심이라고 할 수 있다. 따라서 추후 본 논문에서 적용된 직렬아크 뿐만 아니라 병렬 및 접지아크 등과 같은 추가적인 분석이 필요할 것이다.
제한적인 부하에서의 특성이긴 하지만 아크가 발생하면 짝수 고조파의 크기가 증가되는 것을 알 수 있었다. 위의 방법은 적용하여 가정용 부하 등에서 사용되는 아크차단장치의 검출 알고리즘에 적용될 수 있을 것으로 판단된다. 아크는 크기나 형태를 정량화하는 것이 어렵기 때문에 모든 상황에서 아크를 판단할 수 있도록 하는 것이 아크검출 알고리즘의 핵심이라고 할 수 있다.

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