2.1 시험조건

UL1699B(‘13)은 300, 500, 650, 900W의 아크 발생을 시험조건으로 AFCI의 시험을 진행한다. 표 1은 아크발생 시의 아크전류, 아크전압, 아크전력 수치를 나타낸 것이다. 아크 발생을 위한 시험전류 및 전압은 규정하고 있지 않다. 반면 UL1699B (’18)는 표 2와 같이 시험조건을 구체적으로 제시하고 있다. 아크 발생을 위한 시험전류 및 전압을 규정하고 있으며, 시험전류 및 전압에 따른 아크 발생 시의 최소아크전류를 요구하고 있다. 또한 전극간격과 이동전극의 속도를 규정하였다.

아크의 전압 및 전류 특성은 전극의 물성 및 전극간격에 영향을 받는다⁽⁹⁾. 만약 DC 아크발생장치에서 구리전극을 사용한다고 가정하면 전극 간 간격이 아크 특성을 변화시키는 유일한 변수가 된다. 그림 2와 같이 아크의 전극간격이 증가함에 따라 전극 양단에 걸리는 아크 전압은 증가한다⁽¹⁰⁾. 아크가 지속하는 동안 동일한 아크 특성을 유지하고, 아크 특성을 빠르게 안정화시키기 위해 전극 간격과 이동전극의 속도를 규정한 것으로 판단된다.

시험은 스트링에서의 직렬아크를 가정한 직렬아크 조건이다. UL1699B(‘13)는 직렬 및 병렬아크시험에 대한 내용을 다루었으나, UL1699(’18)에서는 병렬아크시험에 대한 내용이 삭제되었다.

병렬아크에 대한 시험방법 및 시험조건은 논의가 더 필요한 것으로 보인다. 대신 직렬아크에 대한 중요성이 증가하였다. 실제로 태양광설비에서 화재는 전로의 노화나 시공불량 등의 이유로 커넥터의 접속이 서서히 풀리면서 일어나는 아크가 대부분일 것이다⁽¹¹⁾.

2.2 적합기준

UL1699B(‘13)의 아크검출시험 적합기준은 아크 발생 후 2초 이내 차단, 아크에너지 750J 이내 차단이다. 두 가지 조건을 모두 만족해야 한다. 반면, UL1699B(’18)에서는 아크에너지 750J를 초과하지 않는 것은 동일하나, 차단시간은 아크 발생 후 0.5초 늘어난 2.5초로 0.5초의 여유를 주었다. ‘14년 UL1699B(2013) 기준으로 미국 샌디아국립연구소에서 실시한 아크시험 결과를 보면 아크에너지에 의한 가연물의 평균 연기감지시간은 13초, 최소 연기감지시간은 2.5초였다. 가연물 시료는 폴리머 타입으로 착화에 이르지는 않았다⁽¹²⁾. 이 결과를 바탕으로 차단 시간이 2초에서 2.5초로 변경된 것으로 판단된다.

3.1 모터 컨트롤 시스템

시험을 용이하게 하고, 반복성을 가지며, 아크 특성 변화를 최소화하기 위해서는 전극 이동의 파라미터를 정밀하게 제어해야 한다. 전극간격에 의한 프로파일은 고정 전극에 대한 이동 전극의 거리 및 속도로 정의된다. 만약 간격이 일정하지 않거나 변한다면 아크전압이 변하고 아크의 전기적 특성이 변할 수 있다.

모터 컨트롤 시스템은 그림 4와 같이 모터, 모터 드라이버, 모터 컨트롤러로 구성하였다. 모터는 높은 신뢰성을 가지는 스테퍼 모터인 NEMA 23을 사용하였다. NEMA 23은 브러시 없는 동기식 전기 모터로 최대 200스텝이며, 스텝 앵글은 1.8도이다. 모터 드라이버는 스테퍼 모터용으로 설계된 타입인 DRV8825으로 스텝의 최대 1/32까지 마이크로 스텝핑이 가능하다. 그 결과 한 스텝 당 1/32의 마이크로 스텝 사양으로 360도를 총 6400스텝으로 나누어 정확한 제어가 가능하다. 모터 컨트롤러는 디스플레이 출력을 위해 LCD를 수용하는 custom- designed PCB로 제작되었다.

3.2 전극 시스템

3.3 아크발생회로

그림 7은 아크발생회로를 나타낸 것이다. 아크를 발생시키기 위해서는 먼저 양 전극을 접촉시켜 완전히 폐회로가 되도록 하고 전원을 인가한다. 정해진 간격 및 속도로 이동전극을 움직이면서 전극을 분리시켜 아크를 발생시킨다.

UL1699B(‘18) 시험조건의 시험 최대전류는 8.5A로 DC차단기 및 릴레이 정격전류, 전선 허용전류는 20A 이상으로 선정한다. 아크발생을 위한 DC 전원은 별도의 DC 파워서플라이를 통해 전원을 공급한다. 입․ 출력 단자 및 아크전압 측정단자는 전선연결이 용이하도록 설치하였다. 아크발생 후 설정된 지속시간이 지나면 릴레이를 통해 회로를 끊어 아크를 소호시킨다. DC 아크는 제로크로싱이 없어 일정 간격에서 지속되는 특징이 있기 때문에 아크 소호을 위해 DC 릴레이를 사용하였다. 사용된 모델은 EVHR400A로 최대스위칭전압 1,500V이며, 저항 부하 기준으로 DC750V/300A, DC1,000V/200A, DC1,500V/ 150A의 정격을 가진다. 입력전압은 DC24V이다.

4.1 실험방법

개발한 아크발생장치를 이용하여 그림 9와 같이 아크발생실험 세트를 구성하였다. 실험을 통해 아크 발생 시 나타나는 DC 아크 특성을 확인한다. 실험 세트는 직류전원, 아크발생장치, 저항부하, DC 아크 발생에 따른 전압 전류를 측정하기 위한 오실로스코프로 이루어진다. 직류전원은 ET System 社의 LAB HP 101000(10㎾, 1000V­10A)을 이용하였다. 오실로스코프는 LeCroy 社의 WaveRunner 610Zi(1GHz, 4채널, 20GS/s)를 사용하였다. 전압센서는 (ADP305, 1000V, 100MHz), 전류센서는 (CP030A, 30A, 50MHz)을 두 개를 사용하여 DC성분과 AC성분을 함께 측정하였다. 데이터는 100kS/s 샘플링으로 1초간 취득하였다.

실험은 표 5와 같이 UL1699B(‘18) 아크시험조건을 기반으로 한다. 표 5의 실험조건 1, 2, 3을 통해 UL1699B 시험조건에 따른 최소아크전류를 만족하는지 확인하였다. 실험조건 4를 통해서는 전극간격, 전압, 전류 등 변수 간 관계를 통해 DC 아크특성을 도출한다.

실험순서는 먼저 아크발생장치의 전원스위치를 키고, 0점 조정 버튼을 눌러 전극이 맞닿게 한다. DC 차단기를 On시키고, 직류전원에서 전원을 공급한다. 실험조건에 따른 이동전극 속도, 전극간격을 입력 후 시작 버튼을 눌러 이동전극을 이동시켜 아크를 발생시킨다.

4.2 실험결과

그림 10은 주위온도 26.8℃, 습도 36.5% 상황에서 표 4의 실험조건 1 전압 312V, 전류 3A, 전극속도 2.5m/s, 전극간격 0.8㎜ 아크 발생 시의 상태를 나타낸 것이다. 아크는 성공적으로 발생하였으며, (a)는 0점 상태, (b)는 전극간격이 벌어지면서 DC 아크가 발생하는 상태, (C)는 DC 릴레이가 오픈된 후 아크가 소호된 상태를 나타낸 것이다.

그림 11은 실험 조건 중 하나인 전압 312V, 전류 3A, 전극간격 0.8㎜ 조건에서 획득한 파형이다. I-1는 아크가 생성된 전로에 흐르는 전류, I-2는 I-1의 AC 성분, V는 전극 양단에 걸리는 아크 전압, P는 I-1와 V에 의해 계산된 아크 전력을 나타낸다. 표 5은 표 4의 실험조건 1, 2, 3에 따라 측정된 최소아크전류를 나타낸 것으로 UL1699B(‘18)의 최소아크전류를 만족시켰다.

DC 아크 특성 분석은 아크 발생 시간 동안 얻어진 아크 전압 V, 아크 전류 I 데이터의 평균값을 취하여 변수 간 관계를 도출한다. 그림 12와 그림 13은 표 4의 실험조건 4에 따라 측정된 데이터를 통해 얻어진 결과이다. 그림 12는 전극간격 및 전류 변화에 따른 아크 저항의 변화를 나타낸다. 아크 저항은 낮은 전류에서 높고, 전극간격이 증가함에 따라 함께 증가한다. 실험 결과를 통해 아크저항은 낮은 전류범위 및 전극간격에 영향을 받음을 알 수 있다. 그림 13은 전극 간격을 0.8㎜에서 4.0㎜로 단계적으로 변화시켰을 때 아크 전압과 아크 전류의 관계이다. 실험에서 아크 전류가 증가함에 따라 아크 전압은 감소하며, 아크의 전극간격이 증가함에 따라 전극 양단에 걸리는 전압이 증가한다. 실험에서 보인 결과는 그림 2에 나타난 전압 및 전류의 관계와 같은 경향을 보인다. 이러한 현상은 아크 전류가 증가함에 따라 아크가 안정화 되어 아크의 플라즈마 영역의 전기적 저항이 감소하고, 아크 저항 감소에 따라 전극 양단의 전압이 감소하는 것으로 풀이된다.