저전압 직렬 아크에서 부하 역률 특성에 따른 전기 아크의 동적 거동에 관한 연구

Dynamic Behavior of Electric Arc in Low-Voltage Series Arc Faults on the Basis of Load Power Factor Characteristics

본 연구는 저전압 직렬 아크에서 부하 역률 특성이 전기 아크 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 고역률, 저역률 부하 조건에서 직렬 아크 전압과 전류 파형을 100회 누적 평균하여 컨덕턴스 G(t) 및 도함수 dG(t)/dt를 도출하고, 이를 바탕으로 캐시-마이어 하이브리드 모델의 주요 파라미터(캐시전압 Uc, 마이어 전력 Pm, 아크 시정수 θh, 전환 컨덕턴스 Gt)를 비선형 최소제곱법으로 구하였다. 주요 파라미터 분석 결과, 아크 생성 구간에서 저역률 부하는 더 높은 마이어 전력(Pm)과 전환 컨덕턴스(Gt)를 나타내어, 고역률 부하에 비해 폭발적으로 점화되어 짧은 시간에 강한 에너지를 방출하는 아크 특성을 보였다. 반면, 아크 소멸 구간에서는 고역률 부하가 더 높은 Pm과 더 긴 아크 시정 수(θh)를 보여, 저역률 부하보다 아크 소멸에 대한 저항이 크고 지속적으로 열을 축적하는 특성을 나타냈다. 이러한 주요 파라미터들의 결과는 다양한 부하 조건에서 전기 아크 화재의 정량적 위험 평가 및 차단 기술 개발에 필요한 중요한 자료로 활용될 수 있다.

This study investigates the effect of the load power factor (PF) on the electrical arc characteristics of low-voltage series arcs. The arc voltage and current waveforms are measured under high- and low-power-factor load conditions, with 100 sweeps averaged to derive the conductance G(t) and its time derivative dG(t)/dt. Based on these data, key parameters of the Cassie–Mayr hybrid model—including the Cassie voltage (Uc), Mayr power (Pm), arc time constant (θh), and transition conductance (Gt)—are estimated using nonlinear least squares optimization. The analysis reveals that in the arc generation phase, low-power-factor loads are associated with higher values of Pm and Gt, indicating more explosive arc initiation with more rapid energy release when compared to those observed under stable and gradual heat accumulation and high-power-factor conditions. Conversely, during the arc extinction phase, high-power-factor loads are associated with a better Pm and longer θh, reflecting stronger resistance to arc extinction and a tendency to sustain heat over time. Overall, these results provide essential data for the quantitative assessment of electrical arc risks, and they serve as a foundation for the development of arc fault detection and interruption technologies.