저압 배선계통에서 직렬아크의 검출과 판별에 관한 연구

Abstract

Although research institutes and industrial manufactures have made great efforts to prevent electrical fires in low-voltage wiring system, it still accounts for a large part of fire accidents. Especially, the series arc, which can not be protected by the existing circuit breaker and leakage current circuit breaker, is investigated in attempts to achieve better detection algorithm and the interruption technology. However, the related techniques have not been adopted in Korea. Therefore, this thesis dealt with the detection method, characteristics and analysis algorithm of series arc that can cause the electrical fires.

An arc generator was designed according to UL1699 and electrodes were selected as cord-cord, cord-terminal, and outlet-plug to simulate the actual incomplete connections in an indoor wiring system. The series arc current was detected using a wide band current transformer with a frequency range of 1Hz–20MHz. Signals were acquired using a digital storage oscilloscope with a sampling rate of 5GS/s and a bandwidth of 1GHz, and using a data acquisition unit with a sampling rate of 100MS/s and a bandwidth of 50MHz. The arc detection and analysis algorithms were developed based on LabVIEW program.

The detected arc current signal was analyzed by the discrete wavelet transform. By calculating the correlation coefficient between the signal arc pulses and the wavelets, db13 was selected as the optimal mother wavelet. The arc signals in 6 sinusoidal cycles were further decomposed into 8 levels using the multi-resolution analysis method to analyze the signal frequency range. From the results, arc signals were distributed in the detail components D5, D6, D7, and D8, corresponding to the frequency range of 2.4kHz–39kHz(-3dB), based on which the optimal arc detection band-pass filter(BPF) was designed.

The BPF was used to analyze the arc signal energy and phase distribution. It was confirmed that the signal energy of an arc condition was more than 30 times of that of normal condition without arc discharge. In addition, the arc signal in the heater load distributed in 0°∼120° and 150°∼270°, and distributed in 0°∼90° and 180°∼240° in the computer load. In the refrigerator and air conditioner, most arc signal distributed in 0°∼120° as well as 210°∼300°, and 30°∼180° as well as 210°∼360°, respectively.

After analyzing the arc pulse count and arc signal energy, it was confirmed that the signal energy of an arc condition was more than 30 times of that of normal condition and the arc occurred at least twice in 6 sinusoidal cycles. Therefore, the arc discrimination algorithm was developed by LabVIEW program. From the case studies, the proposed algorithm could identify arcs accurately. Results from this thesis is expected to be applied in the low-voltage wiring system for preventing arc-caused electrical fires.|전기화재 예방을 위한 학계 및 산업계의 다양한 노력에도 불구하고 저압 배선계통에서 아크에 의한 전기화재는 높은 비율을 차지하고 있으며, 많은 인명 및 재산 피해가 발생하고 있다. 특히 직렬아크는 현재의 누전 및 배선용 차단기로는 보호가 불가능하기 때문에, 전 세계적으로 검출 알고리즘과 차단기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 국내의 경우 아크 차단 기술의 상용화는 미미한 실정이다. 따라서, 본 논문에서는 전기화재의 주요 원인이 되는 직렬아크의 특성, 검출 방법 및 분석 알고리즘 등에 대한 연구를 수행하였다.

직렬아크에 의한 화재사례의 분석을 통해 대표적으로 화재가 발생하는 결함으로 전선-전선, 전선-단자 및 콘센트-플러그 접속부를 선정하였으며, UL1699 및 IEC62606에 규정된 아크발생장치를 제작하여 아크발생을 모의하였다. 1Hz∼20MHz 대역의 광대역 변류기, 오실로스코프(샘플링 속도 : 5GS/s, 주파수대역 : 1GHz) 및 DAQ(샘플링 속도 : 100MS/s, 주파수대역 : 50MHz)를 통해 측정하였으며, LabVIEW 기반의 알고리즘을 설계하여 분석에 적용하였다.

아크 전류의 분석에는 이산 웨이블렛 변환을 적용하였으며, 검출된 아크 펄스와 웨이블렛 모함수의 상관계수 계산을 통해, db13을 최적의 웨이블렛 모함수로 선정하였다. 부하별, 결함별로 발생하는 아크 신호의 이산 웨이블렛 분석을 통해 D5, D6, D7 및 D8 대역을 최적의 주파수 대역으로 선정하고, 2.4kHz∼39kHz(-3dB)인 대역통과필터를 설계 및 제작하였다.

부하별 아크 신호의 특성 분석을 위해 아크 신호의 에너지와 방전 위상 을 측정하였다. 신호 에너지는 정상 동작시보다 아크가 발생할 경우, 전열기는 30배 이상, 컴퓨터와 선풍기는 90배 이상, LED 등기구는 8,000배 이상 증가하는 것으로 분석되었다.

방전 위상의 경우, 전기히터 사용 시 대부분 0°∼120°와 150°∼270°에서 방전이 발생하였으며, 컴퓨터 부하는 0°∼90°와 180°∼240°, 냉장고 부하는 30°∼120°와 210°∼300°에서 발생하였다. 에어컨의 경우 0°∼30°와 180°∼210°를 제외한 부분에서 고르게 발생함으로서, 부하에 따라 직렬아크 방전이 발생하는 위상 분포가 달라지는 특성을 도출하였으며, 이는 아크가 발생하는 선로의 추정에 적용이 가능하다.

단위 구간별(100ms) 아크 펄스 수와 신호 에너지의 크기를 비교하여 직렬아크 상태와 정상 상태를 판별하는 알고리즘을 LabVIEW 기반으로 개발하였으며, 최소 아크 펄스 폭은 2㎲로 선정하였다. 설계한 대역통과필터와 알고리즘의 선로 적용 시험 및 오작동 시험과 선로 임피던스의 영향 분석을 통해, 저압 배선계통에 직렬아크 발생을 오동작 없이 판별함을 검증하였으며, 제안된 검출 및 판별 방법은 전기화재 예방을 위한 방법으로 적용이 가능할 것으로 판단된다.