전기시설의 직렬 아크파형 검출 시스템에 관한 연구

A Study on the Serial Arc wave Detection System in Electric Facilities

아크 발생이 전기화재의 주된 원인으로 알려져 있으며, 이와 관련하여 아크발생을 검출하고자 다양한 연구가 이루어지고 있다. 또한 아크검출을 위한 다양한 연구들을 통하여 제품이 출시되고 있으나 기존의 누전차단기에 비하여 가격이 비싸고, 사용상에 오류, 무엇보다도 아직까지 법제화가 뒷받침되지 않아 아크차단기의 설치가 미비한 상태이다. 본 연구에서는 가정 또는 공장에 설치되어 있는 저압 분전반에 부가적인 간단한 설비를 부착하여 아크를 감지할 수 있는 시스템에 대하여 연구하였다. 아크발생을 위하여 UL1699 아크-결함 회로차단기 규격에 따라 아크발생기를 제작하고 일반 분전반과 동일한 모의실험장치를 구성하여 아크 감지센서는 배선용 차단기 뒷단에 설치, 누설 전류 감지센서는 누전차단기 뒷단에 설치하여 아크와 누설 전류를 동시에 측정할 수 있는 시스템을 구성하여 실험하였다. 아크 감지센서는 현장에서 많이 사용되는 CT센서를 사용하여 2kW급 DC부하를 연결하여 아크감지 실험을 수행하였으며, 아크의 특성상 예상되지 않는 상태에서 무작위로 임의의 시간에서 발생하기 때문에 이를 감지하기 위하여 메인 MCU에서 연속적인 측정이 가능하도록 인터럽트를 설정하고 실시간으로 연속적인 데이트를 읽고 분석하기 위한 알고리즘을 적용하였다. 또한 교류인 상용전원에서 발생되는 아크전류의 한주기를 정확히 측정하기 위하여 ADC의 입력 범위를 넘지 않도록 증폭기를 적용하고 CT측에 존재하는 고조파 노이즈를 차단하기 위한 저역통과필터를 적용하여 시스템을 설계하였다. 설계된 시스템을 통하여 아크발생시 검출결과는 1초 이내로 정확히 인지하고 사용자에게 통보가 가능하도록 양방향 앱과 연동될 수 있도록 하여 화재를 예방하기 위한 시스템을 구현하였다. 주요 결과로서 기존의 연구에서 진행되었던 방법들과 비교하여 후처리단계인 주파수변환 등의 절차 없이 측정된 아크파형을 메인 MCU에 미리 만들어진 내장함수와 비교하여 실시간으로 아크를 감지하고 사용자에게 통보하거나 전원을 차단함으로서 화재를 예방할 수 있는 적용 가능한 시스템을 설계하고 가능성을 확인하였다. 또한 기존의 저압 분전반 설비에 간단하게 설치가 가능하도록 설계되어 있어 향후 전기열화 내지 아크발생에 대한 충분한 원인분석을 위한 데이터베이스 구축 및 신뢰성이 확보된 시스템 연구에 기여할 것으로 사료된다.