유사 아크 변별 알고리즘에 관한 연구

Ⅰ. 서 론

국내 전기화재 중에서 아크로 인한 화재가 60-70%를 차지하는 것으로 보고되고 있다[1]. 종전에는 아크의 발생 직전에 전원을 차단하여 아크로 인한 화재를 줄이기 위한 연구가 진행되고 있으나 아크의 임의성과 불규칙성 때문에 아크 신호를 검출하는데 많은 어려움이 발견되고 있다.

아크를 분석하기 위해서는 현재는 주로 고전압 송전 시 발생되는 아크 모델을 활용하고 있지만, 낮은 전압과 전류를 사용하는 가정용 전원에 이 모델을 적용하기에는 전압 및 전류 의 크기가 낮은 아크를 감지해 내는데 많은 문제가 발견 되고 있다[2]-[8].

초기에는 아크를 검출하기 위하여 아크 신호의 전압과 그것의 주파수 특성을 이용하는 연구가 진행되었다[3][6][9]-[11]. 그러나 주파수 특성 분석 방법은 아크의 주파수 특성이 광대역으로 분포되어 있기 때문에 고조파 또는 주파수 제한 대역에서 아크를 구별해 내는 것이 어렵다.

본 논문에서는 아크의 누락 및 검출 오류를 줄이기 위해, 아크의 불규칙성과 비주기성을 이용하여 아크와 유사한 성분을 일정 펄스폭으로 제한하고 주기성분을 제거하는 검출 알고리즘을 제안하고자 한다. 또한 이를 시스템으로 제작하여 그 효용성을 검증하고자 한다. 측정은 표준부하로서 저항부하와 디머 부하를 사용하여 아크 상황을 발생시켜 시스템에서 아크 검출을 확인한다.

Ⅱ. 아크 특성

2.1 저항 부하에 대한 아크 특성

그림 1은 저항 부하의 전류파형과 아크가 발생했을 때의 파형을 시간 축과 주파수 축으로 나타내고 있다. 그림 1(a)에서 아크가 발생했을 때 숄더(Shoulder)가 뚜렷하게 나타나고 있음을 알 수 있다. 종래에는 스펙트럼 분석을 통한 아크 신호를 검출하는 방법을 제안하고 있으나[3][6][10][11], 그림 1(b)와 같이 아크가 없는 파형에 비하여 아크가 포함된 신호의 스펙트럼은 전 대역에 걸쳐 전력레벨이 상승하고 있으며, 고조파 성분에서도 특이점이 나타나지 않으므로 특정 스펙트럼 상에서 아크를 판별하는 것은 매우 어렵다.

Fig. 1.

Signal waveform for arc signal

2.2 디머 부하에 대한 아크 특성

그림 2는 디머의 점호각이 60°일 때 디머 부하의 파형과 아크가 발생했을 때의 파형을 비교한 파형을 나타내고 있다. 그림 2(a)의 파형으로부터 알 수 있듯이 디머 부하 파형과 저항부하 파형과 매우 유사하기 때문에 디머의 점호각이 60°에서 불연속점이 나타나는 지점을 숄더로 오인하여 아크로 판정할 소지가 있다.

Fig. 2.

Waveform for dimmer(60° firing angle) load signal and arc signal

그림 2(b)로부터 디머 부하의 주파수 특성에 비하여 아크가 포함된 디머 부하의 주파수 특성은 전대역에서 레벨이 상승하는 특성 외에는 특이점을 발견할 수 없기 때문에 주파수 특성으로는 아크를 변별해 내기는 어렵다.

그림 3은 디머의 점호각이 120°일 때 디머 부하 파형과 아크가 발생했을 때의 파형을 나타내고 있다. 그림 3(a)에서 알 수 있듯이 디머 부하 파형이 임펄스 파형과 유사한 모양을 나타내고 있다. 이 경우 다른 디머 부하보다 쉽게 단락이 발생된다. 따라서 곳곳에서 디머 부하 파형을 잃게 되며, 순수 아크만이 보이지만, 숄더 현상으로 구분되지 않는다.

Fig. 3.

Waveform for dimmer(120° firing angle) load signal and arc signal

그림 3(b)의 스펙트럼을 분석하면 시간 축에서의 주기적 파형이 임펄스 형태를 취함에 따라 주파수 축에서도 임펄스 형태의 특성을 나타내고 있다.

결국 이들의 결과로부터 알 수 있듯이 디머의 점호각을 달리했을 때 불연속점이 나타나는 지점이 달라지는 것 외에는 순수 저항부하에서의 불연속점과 유사하므로 아크로 오인될 가능성이 높기 때문에 판정에서 배제해야 한다. 또한 그림 3(b)에서 알 수 있듯이 주파수 축에서 아크를 판별하는 것은 불가능하다.

Ⅲ. 아크 검출기 설계

3.1 제안된 아크 검출 알고리즘

그림 4는 아크 전류에 나타나는 숄더 현상을 포함하는 비주기적 불연속점을 검출하는 알고리즘이다. 아크 검출기의 입력은 60Hz 기본파 외에 전류에 포함된 임펄스 성 신호와 아크 발생 시에 나타나는 전류의 불연속 성분들을 디지털 신호 처리한 신호를 포함한다. 아크를 검출하기 위해 다음과 같은 절차를 수행한다.

step 1. 입력신호는 일정 시간 주기 T를 변수로 윈도우잉(Windowing)하여 관찰한다.

step 2. 입력 신호 중 부하신호 이외의 이상 성분들은 디지털 펄스폭 PW의 변화로 나타난다. 마이크 로프로세서는 펄스폭이 설정된 변수 값 범위 내에 있는 경우 아크 가능성이 높은 신호로 판단하고, 그렇지 않은 신호는 무시한다.

step 3. 아크 가능성이 높은 신호 중에서 불연속점 펄스에 대해 주기성을 관찰하여 비주기성 펄스만 선택한다.

step 4. 전기회로에서 노이즈 레벨이 높아지면 아크 검출 시 오동작의 원인이 되므로, 아크는 일정 레벨 이상에서만 그 신호가 검출하도록 한다.

step 5. 최종 검출된 신호를 아크로 판정하고 즉시 회로를 차단한다.

Fig. 4.

Proposed algorithm for arc detection and trip signal generation

디머 부하는 교류전원의 일부 주기적 파형을 이용하므로 아크로 인한 불연속점과 유사한 특성을 가지고 있다. 펄스간의 시간간격을 카운트하여 그 간격이 일정한 신호를 배제함으로써 유사아크 신호들이 발생되어도 반응하지 않도록 설계하였다.

3.2 아크 검출기의 동작 특성

그림 5는 아크 발생기의 출력을 디지털 신호로 변환시켜 원격으로 데이터를 전송시키기 위한 하드웨어이다.

Fig. 5.

Board for detection and transmission of arc signal

표 1은 아크 검출기의 사양이다. 60Hz 부하파형에 포함된 아크 신호만을 출력시켜 그 신호의 기울기 변화로부터 아크 신호를 판단하기 위하여 고역통과필터(HPF)회로를 적용하였다. 저역통과필터(LPF)는 마이크로프로세서의 아크 검출 알고리듬의 동기를 맞추기 위해 60Hz 교류 파형의 제로-크로싱(Zero-crossing)을 이용하기 위해 사용하였다.

Table 1.

Arc detector specifications

측정에 사용하는 부하는 표준부하로서 저항부하와 디머 부하를 사용하였다. 저항부하는 44Ω를 사용하였고, 디머 부하는 220V/300W용 전구 2개를 연결하여 디머의 점호각을 60°, 90°, 120°로 조정하여 측정하였다. 원격에서 데이터를 수집하기 위해 아크 검출기에 탑재되어 있는 Redpitaya StepLab 통신모듈을 사용하여 모니터링 서버에 데이터를 전송하였다.

3.2.1 저항 부하에 대한 아크 검출

병렬 저항부하에 220V 교류전원을 인가하여 부하전류와 아크 신호를 측정하였다.

그림 6에서 ①은 아크가 생성된 파형이다. ②는 불규칙파형과 불연속파형을 펄스로 추출하였다. ③은 제안된 알고리즘의 step-2와 step-3 과정을 거쳐 검출한 아크 펄스 파형이다.

Fig. 6.

Arc current waveform at resistor load

아크는 모든 시간 축에서 랜덤하게 존재하지만 그림 6과 같이 전류 파형에서 숄더 형태로 나타나기 때문에 부하의 특성으로 나타나는 파형이 숄더와 유사하다고 해서 아크로 오인하여 불필요하게 차단기가 동작하는 경우가 발생해 왔다. 실험에서는 아크가 미세하게 발생하는 경우 식별하기 어렵기 때문에 아크 발생기로부터 아크가 많이 발생할 때를 순간적으로 캡쳐하는 방법을 이용하여 측정하였다.

3.2.2 디머 부하에 대한 아크 검출

아크 검출기의 동작 실험은 300W 백열전구 2개를 사용한 디머 장치의 유사 아크 오류 검출 여부를 실험하였다.

그림 7은 디머 부하에 아크가 발생하였을 때 부하 전류의 파형이다. ②와 같이 모든 불연속점이 검출되고 있으며. ③에서 주기적 불연속점을 배제한 나머지 펄스를 검출함으로써 아크 검출이 정상적으로 이루어진 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 7.

Arc current waveform at dimmer load

그림 8에서 ①은 아크를 발생시킨 상태에서 전원 스위치를 동작시켜 부하 전류가 급격히 흐르면서 아크가 발생하는 순간부터 아크가 검출되는 시간을 측정한 것이다. ②와 같이 스위치가 ON이 되는 순간부터 아크로 인한 전류의 불연속점이 검출되었고, 이를 제안한 알고리즘을 수행한 결과 ③과 같이 아크로 판정하는데 평균 2.2초가 걸렸다.

Fig. 8.

Arc detection speed measurement at resistor load

그림 9①, 그림 10①, 그림 11①은 디머 부하의 점호각이 각각 60°, 90°, 120°일 때의 파형을 보여준다. 각 그림의 ②와 같이 디머 부하로 인한 불연속 파형을 펄스로 추출하고 있으며, 제안한 알고리즘을 수행한 결과 각 그림의 ③과 같이 아크가 발생하지 않았음을 보여주고 있다.

Fig. 9.

Current waveform at dimmer load (60° firing angle)

Fig. 10.

Current waveform at dimmer load (90° firing angle)

Fig. 11.

Current waveform at dimmer load (120° firing angle)

그림 12는 저항부하와 디머 부하가 동시에 가동될 때의 아크 검출기 파형이다. 마찬가지로 부하의 불연속점을 검출하고 있지만 아크로 판정하지 않고 있음을 알 수 있다.

Fig. 12.

Current waveform for resistor load and dimmer load

그림 13은 디머 부하에서 아크를 발생시켰을 때 아크 검출기에서 디머의 주기성 숄더는 배제하고 아크만 검출하고 있음을 보여주고 있다.

Fig. 13.

Arc detection process at dimmer load

국내의 아크 경보기의 시험 인정기준 FIS-015에 “경보기는 감시회로 단자에 연결된 간극이 0.1㎜인 아크발생전극에 연결된 저항부하에 5A의 전류를 흘려 0.5초간 지속적으로 아크를 발생시키는 경우 아크발생 시부터 5초 이내에 경보를 발하여야 한다.”고 기술되어 있다[12].

본 논문에서 시험 제작한 결과는 5A∼6A의 전류를 소모하는 부하에서 아크를 지속적으로 발생시키는 경우 아크 발생 시부터 평균 2초 이내에 아크를 검출하여 FIS-015 시험인증 기준에 적합한 것으로 확인되었다.

Ⅳ. 결 론

아크는 전기화재의 중요한 원인이다. 그러나 아크의 속성 상 불규칙하고 예측하기 어렵기 때문에 이 신호를 검출하기 어려운 것으로 알려져 있다.

본 논문에서는 아크의 불규칙성과 불연속점의 발생 특성을 관찰하여 그들의 주기 성분을 제거하고 지정된 범위의 신호를 검출함으로써 유사 아크의 검출을 방지할 수 있는 알고리즘을 제안하였다.

알고리즘을 탑재한 아크 검출기를 제작하여 저항 부하와 디머 부하에 대해 아크 검출 특성을 측정하였다. 저항부하의 경우 제안된 알고리즘은 숄더 특성만으로 판정하는 기존의 방법에서 발생할 수 있는 판정오류는 나타나지 않았다.

디머 부하에서는 디머의 점호각을 조절할 때 불연속점이 발생 시점의 주기성 때문에 아크와 유사한 특징이 나타난다. 제안된 알고리즘을 적용하여 펄스를 카운트하는 과정 중에 주기성 펄스들은 무시함으로써 유사 아크 신호들을 검출하지 않음을 보였다.

본 논문의 결과로부터 저항부하는 물론 디머 부하에서도 탁월하게 아크 검출 성능을 확인하였으며, 아크를 검출하기 시작하여 평균 2.2초 이내 아크로 판정함으로써 FIS-015 아크 차단기의 인정기준을 충족하고 있음을 확인하였다.

본 논문의 결과는 현장에서 아직 이러한 장치가 적용되지 않는 문제점들을 보완하고, 이를 정책에 반영하여 제도화하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 제도화에 의해 설치 의무화가 시행되면 목조건축물 또는 노후 상가 등의 화재 예방에 기여할 것으로 사료된다.

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