λ°μ°½μ£Ό
(Chang-Ju Park)
1iD
κΉμ¬μ°½
(Jae-chang Kim)
1iD
μ μ¬μ€
(Jae-Yoon Jeong)
1iD
κ³½μμ
(Sangshin Kwak)
β iD
-
(School of Electrical and Electronic Engineering, Chung-Ang University, Korea.)
Copyright Β© The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Series AC Arc, Parallel AC Arc, Shouldering Effect, Fast Fourier Transform, Arc Detection
1. μ λ‘
μ κΈ° νμ¬μ μ¬λ¬ μμΈ μ€ νλλ μν¬μ΄λ€. μ λ₯κ° νλ₯΄λ μ λ‘κ° μ΄λ ν μμΈμ μν΄ μμλλ©΄ μ λ‘ μ¬μ΄μ κ°(gap)μ΄ λ°μνκ² λλλ°, μ΄ κ°
μ¬μ΄μ 곡기μ μ μ°μ΄ νκ΄΄λλ©΄μ λΉκ³Ό μ΄μ΄ λ°©μΆλλ νμμ μν¬λΌκ³ νλ€. μν¬μ μν΄ λ°μν λΆκ½μ μμ°μ μΌλ‘ μνΈλλ κ²½μ°λ μμ§λ§ νμ¬λ‘ μ΄μ΄μ Έ
μ¬μ° λ° μΈλͺ
νΌν΄λ₯Ό λ°μμν€κΈ°λ νλ€. μν¬λ ν¬κ² μ§λ ¬ μν¬μ λ³λ ¬ μν¬λ‘ λΆλ₯λλ€. μ§λ ¬ μν¬λ λ¨μΌ μ λ‘ μ¦, μ μκ° κ°μ μ λ‘μμ λ°μνλ
μν¬μ΄κ³ λ³λ ¬ μν¬λ μ μκ° λ€λ₯Έ λ μ λ‘ μ¬μ΄μμ λ°μνλ μν¬μ΄λ€. μ§λ ¬ μν¬λ ν μ λ‘κ° λμ΄μ§λ©΄μ λ°μνκ³ λ³λ ¬ μν¬λ μ μκ° λ€λ₯Έ λ μ λ‘
μ¬μ΄μ μ μ°μ΄ μ½ν΄μ Έμ λ°μνλ€. κ΅λ₯ μ λ‘μμ λ°μνλ μ§λ ¬ μν¬λ λ³λ ¬ μν¬μλ λ¬λ¦¬ μ μλ¨μμμ μ κΈ°μ νΉμ±μ΄ λΆνμ λ³λμΌλ‘ μΈν μ κΈ°μ νΉμ±κ³Ό
λΉμ·νμ¬ κΈ°μ‘΄μ μ¬κ³ κ°μ§ μ₯λΉλ‘λ κ°μ§κ° μ΄λ ΅λ€. μ΄λ¬ν μ§λ ¬ μν¬λ₯Ό ν¨κ³Όμ μΌλ‘ κ°μ§νκΈ° μν΄ λ§μ μ°κ΅¬κ° μ§νλμλ€. λνμ μΈ λ°©λ²μΌλ‘λ κ³ μ‘°ν
νν°λ₯Ό ν΅κ³Όμν¨ μ λ₯λ₯Ό μ΄μ©ν λ°©λ²(1), Chirp Zeta Transformμ μ΄μ©ν μ λ₯μ κΈ°λ³Έν μ±λΆ λΆμμ ν΅ν λ°©λ²(2), μ λ₯ μμμ non-stationary μ±λΆμ μ΄μ©ν λ°©λ²(3), μ λ₯μ Wavelet Transformμ μ΄μ©ν λ°©λ²(4-5), 3μ°¨ κ³ μ‘°ν μ±λΆμ μ΄μ©ν λ°©λ² (6), μν¬ μ μκ³Ό μ λ₯μ νΉμ±μ μ΄μ©ν λ°©λ²(7-11), High-Pass Filter (HPF)λ₯Ό ν΅κ³Όμν¨ μ λ₯λ‘λΆν° μ»μ non-stationary μ£Όνμ μ±λΆμ μ΄μ©ν λ°©λ²(12), μ λ₯μ Root-mean-square (RMS)λ₯Ό μ΄μ©ν λ°©λ²(13), κ·Έλ¦¬κ³ ν΅κ³μ νΉμ±μ μ΄μ©ν λ°©λ² (14) λ±μ΄ μλ€. λν μκ° μμμμμ 3κ°μ§ νλΌλ―Έν°μΈ Maximum slip difference (MSP), μμ κ΅μ°¨ κ΅¬κ° (zero crossing
period: ZCP), κ·Έλ¦¬κ³ maximum Euclidean distance (MED)μ μ£Όνμ μμ μ 보λ₯Ό machine learning κΈ°λ²μΌλ‘
νΌν©νμ¬ μν¬λ₯Ό κ°μ§νλ λ
Όλ¬Έλ μ μλμλ€ (17-19). νμ§λ§, κ΅λ₯ μν¬ κ²μΆμ λν μ°κ΅¬λ μ§λ ¬ μν¬ κ²μΆ λΆμΌμλ§ μ§μ€λμ΄ μκ³ , κ΅λ₯ λ³λ ¬ μν¬ λ°μμ κ²μΆνλ κΈ°λ²λ€μ λν μ°κ΅¬λ κ±°μ μ§νλμ§
μκ³ μλ€. λ°λΌμ, λ³Έ λ
Όλ¬Έμμλ κ΅λ₯ μ§λ ¬ μν¬μ λμμ, κ΅λ₯ λ³λ ¬ μν¬ λ°μμ μ λ ₯μ λ‘μμ μ λ₯ λ³νμ λν΄ κ³ μ°°νκ³ μ΄λ€μ κ²μΆν μ μλ
κΈ°λ²μ 보μΈλ€.
λ³Έ λ
Όλ¬Έμμλ μ§λ ¬ μν¬μ λ³λ ¬ μν¬ λ°μ μ μ λ‘ μ λ₯μ λ³ν νΉμ±μ λΉκ΅ λΆμνλ€. μ§λ ¬ μν¬ λ° λ³λ ¬ μν¬ λ°μ μ, κ΅λ₯ μ λ‘μ νλ₯΄λ μ λ₯λ₯Ό
μ λ₯ ν¬κΈ°μ μ λ₯ νν μΈ‘λ©΄μμ λΆμνλ€. κ΅λ₯ μ λ‘ μμ μ§λ ¬ μν¬ λ°μ μ μ λ‘μ νλ₯΄λ μ λ₯λ, ν¬κΈ°μμμ λ³λ보λ€λ νν ννμμ λ νΉμ΄ν
λ³νλ₯Ό λ°μμν΄μ μ€νμ ν΅νμ¬ νμΈνλ€. νΉν, μλλ§ (shouldering) ν¨κ³Όμ μνμ¬ μν¬ μ λ₯ μμ λΆκ·Όμμ μ λ₯ ν¬κΈ°κ° 0μΌλ‘ μλ ΄νλ
νμμ΄ λ°μνκ³ , μ΄λ‘ μΈνμ¬ μ λ‘ μ λ₯ ννκ° λ§μ κ³ μ‘°νλ₯Ό ν¬ν¨νλ μ곑λ λΉμ νν ννλ₯Ό κ°μ§κ² λ¨μ μ€νμ μΌλ‘ 보μΈλ€. λν, λ³λ ¬ μν¬μ
κ²½μ°, μ μκ³Ό λ³λ ¬ μν¬ κ²½λ‘λ₯Ό ν΅νμ¬ μ§λ ¬ μν¬κ° λ°μνλ μ리μ λμΌνκΈ° λλ¬Έμ λ³λ ¬ μν¬ κ²½λ‘ μμ μ λ₯κ° μλλ§ ν¨κ³Όλ₯Ό κ°μ§λ μ§λ ¬ μν¬ μ λ₯
ννκ³Ό μ μ¬ν¨μ μ€νμ μΌλ‘ 보μΈλ€. μ΄λ¬ν λ³λ ¬ μν¬ κ²½λ‘ μμ μμ±λλ μν¬ μ λ₯λ‘ μΈνμ¬, κ΅λ₯ μ λ‘ μμ νλ₯΄λ μ λ‘ μ λ₯ μμ μ νν ννκ°
μλ λ€μμ κ³ μ‘°ν μ±λΆμ κ°μ§λ μ곑λ μ λ₯ ννλ‘ λ°λκ² λλ€. λ³Έ λ
Όλ¬Έμμλ, μ§λ ¬ κ΅λ₯ μν¬ λ° λ³λ ¬ κ΅λ₯ μν¬ λ°μ μμ λ€μμ κ³ μ‘°νλ₯Ό
ν¬ν¨νλ μ곑λ μ λ‘ μ λ₯λ₯Ό μ΄μ©νμ¬, μκ° μμκ³Ό μ£Όνμ μμμμ μ§λ ¬ κ΅λ₯ μν¬ λ°μ μ¬λΆλ₯Ό κ²μΆνκ³ κ° κΈ°λ²λ€μ μν μ±λ₯μ λΉκ΅ λΆμνλ€.
2. μ§λ ¬ λ° λ³λ ¬ κ΅λ₯ μν¬
κ΅λ₯ μ λ ₯ μμ€ν
μμ λ°μν μ μλ μν¬λ μν¬ λ°μμ μμΉμ λ°λΌ μ§λ ¬ μν¬ (Series arc)μ λ³λ ¬ μν¬ (Parallel arc)λ‘ λΆλ₯ν
μ μλ€. κ·Έλ¦Ό 1μ μν¬ λ°μ μμΉμ λ°λ₯Έ κ΅λ₯ μν¬μ μ’
λ₯λ₯Ό λνλΈλ€. κ·Έλ¦Ό 1μμ ννλμ΄ μλ―μ΄ μ λ₯κ° νλ₯΄λ λ¨μΌ μ λ‘μ μμμ μν΄ λ°μνλ μν¬λ₯Ό μ§λ ¬ μν¬λΌκ³ νκ³ μ μκ° λ€λ₯Έ λ μ λ‘ μ¬μ΄μ μ μ°μ΄ νκ΄΄λμ΄ μ κΈ°μ
κ²½λ‘κ° νμ±λλ©΄μ λ°μνλ μν¬λ₯Ό λ³λ ¬ μν¬λΌκ³ νλ€. κ·Έλ¦Ό 1κ³Ό κ°μ μ§λ ¬ μν¬μ λ³λ ¬ μν¬μ μ κΈ°μ νΉμ±μ λΆμνκΈ° μν΄ κ·Έλ¦Ό 2μ κ°μ΄ μ€ννλ‘λλ₯Ό ꡬμ±νλ€.
κ·Έλ¦Ό. 1. μν¬ λ°μ μμΉμ λ°λ₯Έ κ΅λ₯ μν¬μ μ’
λ₯
Fig. 1. Types of AC arcs according to the location of arcing
κ·Έλ¦Ό 2(a)λ μ§λ ¬ μν¬λ₯Ό λ°μμν€κΈ° μν νλ‘λ μ΄κ³
κ·Έλ¦Ό 2(b)λ λ³λ ¬ μν¬λ₯Ό λ°μμν€κΈ° μν νλ‘λμ΄λ€.
κ·Έλ¦Ό 2μμ vsλ μ μ μ μ, isλ μ λ‘ μ λ₯, varcλ μν¬ μ μ, iarcλ μν¬ μ λ₯, vloadλ λΆν μ μ, iloadλ λΆν μ λ₯, 그리κ³
Rlimitλ μ ν μ νμ μλ―Ένλ€. μ§λ ¬ μν¬λ₯Ό λ°μμν€κΈ° μν΄μ
κ·Έλ¦Ό 2(a)μ κ°μ΄ μ€ν μ
μ
μ ꡬμ±νκ³ μν¬ λ°μκΈ°μ μν¬ λ΄μ μ μ΄ν μνλ‘ λλ€. κ·Έ ν μ μ μ μμ μΈκ°νμ¬ μ λ‘ μ λ₯κ° νλ₯΄κ² λλ©΄ μν¬ λ°μκΈ°μ μν¬
λ΄μ λΆλ¦¬μν¨λ€. λΆμ΄ μλ μν¬ λ΄μ΄ λΆλ¦¬λλ©΄μ μ§λ ¬ μν¬κ° λ°μνκ² λλ€.
ννΈ λ³λ ¬ μν¬λ₯Ό λ°μμν€κΈ° μν΄μ κ·Έλ¦Ό 2(b)μ κ°μ΄ νλ‘λ₯Ό ꡬμ±νκ³ μν¬ λ°μκΈ°μ μν¬ λ΄μ λΆλ¦¬λ μνλ‘ λλ€. κ·Έ ν μ μ μ μμ μΈκ°νμ¬ λΆν μ λ₯κ° νλ₯΄κ² λλ©΄ μν¬ λ°μκΈ°μ μν¬ λ΄μ
κ°κΉκ² μμΉμν¨λ€. λ©λ¦¬ λ¨μ΄μ Έ μλ μν¬ λ΄μ΄ κ°κΉμμ§λ©΄ λ³λ ¬ μν¬κ° λ°μνκ² λλ€. μ¬κΈ°μ μ ν μ νμ΄ μλ€λ©΄ λ§€μ° ν° μ λ₯κ° νλ₯΄κΈ° λλ¬Έμ μ ν
μ νμ ν¬κΈ°λ₯Ό μ μ νκ² λ§μΆ°μ€λ€. κ΅λ₯ μ κΈ° μμ€ν
μμ μ§λ ¬ μν¬κ° λ°μν κ²½μ°, μ λ‘ μμ μ§λ ¬λ‘ μνΌλμ€κ° μ½μ
λ κ²κ³Ό κ°μ ν¨κ³Όκ° λ°μνλ€.
λ°λΌμ μ§λ ¬ μν¬ μλ¨ μ μμ΄ μ¦κ°νκ³ μ΄μ λ°λΌ λΆν μλ¨ μ μμ κ°μνλ€. λν μ§λ ¬λ‘ μ½μ
λ μνΌλμ€ ν¨κ³Όλ‘ μΈν΄ μ λ‘ μμ μ λ₯ ν¬κΈ°κ° κ°μνκ³
μ§λ ¬ μν¬μ μν μ λ ₯ μμ€λ‘ μΈν΄ λΆνμ μ λ¬λλ μ λ ₯μ΄ κ°μνκ² λλ€. ννΈ λ³λ ¬ μν¬κ° λ°μνλ©΄ λΆν μ λ₯μΈμ μλ‘μ΄ κ²½λ‘λ‘ μν¬ μ λ₯κ° νλ₯΄κΈ°
λλ¬Έμ μ λ‘ μ λ₯μ ν¬κΈ°κ° μ¦κ°νκ² λλ€.
κ·Έλ¦Ό. 2. κ΅λ₯ μν¬ μ€ν νλ‘λ (a) μ§λ ¬ μν¬ (b) λ³λ ¬ μν¬ (c) μν¬ λ°μκΈ°
Fig. 2. AC arc experiment schematic (a) series arc (b) parallel arc (c) arc generator
2.1 μ§λ ¬ μν¬μ νΉμ±
μ§λ ¬ μν¬ λ°μ΄ν° μμ§μ μν΄ κ·Έλ¦Ό 2μ (a)μ κ°μ΄ ꡬμ±ν μ€ν μ
μ
μμ κ·Έλ¦Ό (c)μ κ°μ΄ μ μλ μν¬ λ°μκΈ°κ° μ¬μ©νμ¬ μ€νμ μ§ννλ€. μ¬μ©λ μν¬ λ°μκΈ°λ μ€ν
λͺ¨ν°λ₯Ό μ΄μ©ν΄
μν¬ λ΄μ μ λ° μ μ΄ ν μ μλλ‘ μ μνλ€. μν¬ λ°μ΄ν° μΈ‘μ μ μ¬μ©ν μ€μ€λ‘μ€μ½νμ λͺ¨λΈλͺ
μ Tektronix μ¬μ MSO3054μ΄λ©°, μ λ₯ νλ‘λΈμ
μ°¨λ μ μ νλ‘λΈλ λμΌν νμ¬μ TCPA300μ P5200Aλ₯Ό μ¬μ©νμλ€. μ§λ ¬ μν¬ λ°μ΄ν°λ μ λ‘ μ λ₯μ νΌν¬μΉκ° 3 A, 5 A, κ·Έλ¦¬κ³ 8
A μΈ κ²½μ°μ μμ§νκ³ κ° λΆν μ λ₯λ₯Ό λ§λ€κΈ° μν΄ μ¬μ©λ λΆν μ νμ 100 Ξ©, 60 Ξ©, κ·Έλ¦¬κ³ 37.5 Ξ©μ΄λ€. λν μ§λ ¬ μν¬ λ°μ μ μν¬
λ΄μ λΆλ¦¬λλ μλλ λͺ¨λ λΆν 쑰건μμ 1 mm/sλ‘ κ³ μ νμλ€.
κ·Έλ¦Ό. 3. λΆνμ μ’
λ₯μ λ°λ₯Έ μ§λ ¬ μν¬ λ°μ νλ‘λ (a) μ ν λΆν (b) PFC λΆν
Fig. 3. Circuit diagram of series arc generation according to load type (a) Resistive
load (b) PFC load
μ ν λΆνμ PFC λΆνμμ μ§λ ¬ μν¬κ° λ°μν λ μ΄λ€ μ°¨μ΄μ μ΄ μλμ§ μμ보기 μν΄
κ·Έλ¦Ό 3κ³Ό κ°μ΄ κ° λΆνλ³λ‘ μ§λ ¬ μν¬ λ°μ μ€ν μ
μ
μ ꡬμ±νλ€.
κ·Έλ¦Ό 3μ (a)λ μ ν λΆνμμμ μ§λ ¬ μν¬ λ°μ μ
μ
νλ‘λμ΄κ³
κ·Έλ¦Ό 3μ (b)λ PFC λΆνμμμ μ§λ ¬ μν¬ λ°μ μ
μ
νλ‘λλ₯Ό λνλΈλ€.
κ·Έλ¦Ό 4λ λΆν μ’
λ₯μ λ°λ₯Έ μ§λ ¬ μν¬ μ€ν κ²°κ³Όλ₯Ό 보μ¬μ€λ€.
κ·Έλ¦Ό 4μ (a)μ μ ν λΆνλ₯Ό κ°μ§λ λ¨μ κ΅λ₯ μ λ‘ μμμ μ§λ ¬ μν¬κ° λ°μνμ λμ μ€ν ννμ λνλΈλ€. μ§λ ¬ μν¬λ₯Ό λ°μμν€κΈ° μν΄ μ μμΌλ‘ μμ©
κ³ν΅ μ μμΈ 220 V/60 Hzλ₯Ό μ¬μ©νμμΌλ©° λΆνλ μμ μ ν λΆνλ‘ 60 Ξ©λ₯Ό μ¬μ©νμ¬ μ λ‘ μ λ₯μ νΌν¬μΉκ° 5 Aκ° λλλ‘ νλ€. κ·Έλ¦Ό 4(a)μ κ²½μ°λ κ·Έλ¦Ό 2(a)μ κ°μ λ¨μ κ΅λ₯ μ λ‘μ΄κΈ° λλ¬Έμ μ λ‘ μ λ₯κ° κ³§ μν¬ μ λ₯κ° λλ€. κ·Έλ¦Ό 4(a)μ μ λ‘ μ λ₯μ μ μ μ μμ λΉκ΅λ₯Ό ν΅ν΄ μ§λ ¬ μν¬κ° λ°μν μμ€ν
μ λΆνκ° μ νλΆνμ΄λ―λ‘ μ§λ ¬ μν¬ λ°μ μ νμ μ λ‘ μ λ₯ ννμ λΆν μ μ ννκ°
λμΌν¨μ μ μ μλ€. κ·Έλ¦Ό 4(a)λ₯Ό ν΅ν΄ μ μμνμμ μ ννμ ννμ΄λ λΆν μ μμ ννμ΄ μ§λ ¬ μν¬κ° λ°μνμ μκ³‘μ΄ λ°μν κ²μ μ μ μλ€. μ§λ ¬ μν¬ λ°μ νμ λΆν μ μμ
ν¬κΈ°κ° 0 μΈ κ΅¬κ°μ κΈΈμ΄κ° λ κΈΈμ΄μ‘μΌλ©° λΆν μ μμ ν¬κΈ° λν κ°μνλ€. μ΄μ λ§μ°¬κ°μ§λ‘ μ λ‘ μ λ₯μ ν¬κΈ°κ° 0 μΈ κ΅¬κ°μ΄ μν¬ λ°μ νμ μ¦κ°νμκ³
κΈ°λ³Έν μ±λΆμ ν¬κΈ° λν κ°μνμλ€. μ΄μ²λΌ ν¬κΈ°κ° 0 μΈ κ΅¬κ°μ΄ κΈΈμ΄μ§λ νμμ μλλ§ νμμ΄λΌκ³ νλ€. λν κ·Έλ¦Ό 4(a)λ₯Ό ν΅ν΄ μν¬ λ°μ μ μλ ν¬κΈ°κ° 0 μ΄μλ μν¬ μ μμ΄ μ§λ ¬ μν¬κ° λ°μν¨μ λ°λΌ κ³ μ‘°ν μ±λΆμ 보μ΄λ κ²μ μ μ μλ€. κ·Έλ¦Ό 4(b)μ PFC νλ‘λ₯Ό λΆνλ‘ κ°μ§λ λ¨μ κ΅λ₯ μ λ‘ μμμ μ§λ ¬ μν¬ λ°μ μμ μ€ν ννμ΄λ€. κ·Έλ¦Ό 4(a)μ κ·Έλ¦Ό 4(b)μ μ λ‘ μ λ₯λ μν¬ λ°μ μ μ μ¬ν ννμ μ곑μ 보μΈλ€. νμ§λ§ κ·Έλ¦Ό 4(a)μ κ·Έλ¦Ό 4(b)μ λΆν μ μμ μν¬ λ°μ μ λ€λ₯Έ ννλ₯Ό 보μΈλ€. μ΄λ¬ν μ΄μ λ PFC νλ‘μ ν° μ
λ ₯ μνΌλμ€λ‘ μΈνμ¬ μν¬ λ°μ κ΅¬κ° λμ λΆν μ μμ ν° λ³λμ΄
μκΈ° λλ¬Έμ΄λ€. λ°λΌμ κ΅λ₯ μ λ‘ μμ μ§λ ¬ μν¬ κ²μΆμ μν΄μλ κ΅λ₯ μ λ‘ μμ μ λ₯λ₯Ό κ²μΆ μΈμλ‘ μ¬μ©νλ κ²μ΄ νλΉνλ€.
κ·Έλ¦Ό. 4. λΆνμ μ’
λ₯μ λ°λ₯Έ μ§λ ¬ μν¬ μ€ν κ²°κ³Ό (a) μ ν λΆν (b) PFC λΆν
Fig. 4. Series arc test results according to load type (a) resistive load (b) PFC
load
κ·Έλ¦Ό. 5. μ§λ ¬ μν¬ μ νμ μ λ‘ μ λ₯μ ννκ³Ό μ£Όνμ μ€ννΈλΌ (a) μ§λ ¬ μν¬ μ νμ μ λ‘ μ λ₯ νν (b) μ§λ ¬ μν¬ λ°μ μ μ μ λ‘ μ λ₯μ
Fast Fourier transform (FFT) κ²°κ³Ό (c) μ§λ ¬ μν¬ λ°μ νμ μ λ‘ μ λ₯μ FFT κ²°κ³Ό
Fig. 5. Waveform and frequency spectrum of line current before and after series arcing
(a) Line current waveform before and after series arcing (b) Fast Fourier transform
(FFT) result of line current before series arcing (c) FFT result of line current after
series arcing
κ·Έλ¦Ό 5μ μ§λ ¬ μν¬ μ νμ μ λ‘ μ λ₯μ ννκ³Ό μ£Όνμ μ€ννΈλΌμ 보μ¬μ€λ€.
κ·Έλ¦Ό 5(a)λ μκ° μμμμ λ³Έ μ§λ ¬ μν¬ μ νμ μ λ‘ μ λ₯ ννμ λνλΈλ€. λν
κ·Έλ¦Ό 5(b)μ
κ·Έλ¦Ό 5(c)λ κ°κ° μ§λ ¬ μν¬ λ°μ μ μ μ λ‘ μ λ₯μ FFT κ²°κ³Όμ μ§λ ¬ μν¬ λ°μ νμ μ λ‘ μ λ₯μ FFT κ²°κ³Όλ₯Ό 보μ¬μ€λ€.
κ·Έλ¦Ό 5(a)λ‘λΆν° μ§λ ¬ μν¬ λ°μ νμ μ λ‘ μ λ₯μ μλλ§ νμμ΄ λ°μνλ κ²μ μ μ μλ€. λν μ§λ ¬ μν¬ λ°μ μ νμ FFT κ²°κ³ΌμΈ
κ·Έλ¦Ό 5 (b)μ (c)λ₯Ό ν΅ν΄ μ§λ ¬ μν¬ λ°μ ν 0 Hzμμ 3 kHz μ¬μ΄μ κ³ μ£Όνμ μ±λΆμ΄ μ¦κ°ν κ²μ μ μ μλ€.
κ·Έλ¦Ό 5μ κ²°κ³Όλ₯Ό κΈ°λ°μΌλ‘ κ΅λ₯ μμ€ν
μμ λ°μνλ μ§λ ¬ μν¬λ₯Ό κ°μ§νκΈ° μν΄ μκ° μμμμλ μλλ§ νμμ μ¬μ©ν μ μκ³ μ£Όνμ μμμμλ 0 Hzμμ
3 kHz λμμ ν¬κΈ°λ₯Ό νμ©ν μ μλ€.
2.2 λ³λ ¬ μν¬μ νΉμ±
λ³λ ¬ μν¬ λ°μ΄ν°λ₯Ό μμ§νκΈ° μν΄ κ·Έλ¦Ό 2(b)μ κ°μ΄ μ€ν μ
μ
μ ꡬμ±νλ€. λ³λ ¬ μν¬ λ°μ΄ν°λ₯Ό μ»κΈ° μν΄ μ¬μ©λ μ€μ€λ‘μ€μ½ν, μ λ₯ νλ‘λΈ, κ·Έλ¦¬κ³ μ°¨λ νλ‘λΈλ μ§λ ¬ μν¬ λ°μ΄ν°λ₯Ό μ»κΈ° μν΄
μ¬μ©λ κ²κ³Ό λμΌνλ€. λ³λ ¬ μν¬ λ°μ΄ν°λ λΆν μ λ₯μ νΌν¬μΉκ° 3 A μΌ λ μμ§νλ€. λν λ€μν μν¬ μ λ₯ ν¬κΈ°μμμ λ°μ΄ν° μμ§μ μν΄ 3
μ’
λ₯(1 A, 3 A, κ·Έλ¦¬κ³ 5 A)μ μν¬ μ λ₯μμ λ³λ ¬ μν¬λ₯Ό λ°μμμΌ°λ€. μ΄λ₯Ό μν΄ λΆν μ νμ 100 Ξ©μ μ¬μ©νκ³ μν¬ μ λ₯λ₯Ό 1 A,
3 A, κ·Έλ¦¬κ³ 5 Aλ‘ λ§λ€κΈ° μν΄ μ ν μ νμ κ°κ° 300 Ξ©, 100 Ξ©, κ·Έλ¦¬κ³ 60 Ξ©μ μ¬μ©νλ€. λ³λ ¬ μν¬λ₯Ό λ°μμν€κΈ° μν΄μ μμ μΈκΈνλλ‘
λ¨μ΄μ Έ μλ μν¬ λ΄μ κ°κΉκ² μμΉμν¨λ€. μ΄λμ μν¬ λ΄μ΄ μμ§μ΄λ μλλ 1 mm/sλ‘ μ€μ νλ€.
κ·Έλ¦Ό. 6. μν¬ μ λ₯ 5 Aμμ λ³λ ¬ μν¬ λ°μ μ μ μ λ° μ λ₯ μ€ν νν
Fig. 6. Voltage and current experimental waveform for parallel arcing at arc current
5 A
κ·Έλ¦Ό 6μ μν¬ μ λ₯ 5 Aμμ λ³λ ¬ μν¬ λ°μ μ μ μ λ° μ λ₯ ννμ΄λ€. μ μμ μμ© κ³ν΅ μ μμΈ 220 V/60 Hzλ₯Ό μ¬μ©νμμΌλ©° λΆνλ μμ μ νλΆνλ‘
100 Ξ©λ₯Ό μ¬μ©νλ€. λν μ ν μ νμ 60 Ξ©μ μ¬μ©νμ¬ μν¬ μ λ₯ ν¬κΈ°κ° 5 Aκ° λλλ‘ νλ€.
κ·Έλ¦Ό 6μ ν΅ν΄ μ μ μνμμλ μν¬ λ°μκΈ°λ₯Ό ν΅ν΄ μ λ₯κ° νλ₯΄μ§ μκΈ° λλ¬Έμ μν¬ μ λ₯κ° 0μ΄ λλ€. νμ§λ§ μν¬ λ°μκΈ°μ μν¬ λ΄ κ°κ²©μ΄ μ’μμ§λ©΄μ μν¬
μ λ₯κ° νλ₯΄κ² λκ³ κ·Έμ λ°λΌ λ³λ ¬ μν¬κ° λ°μνλ€. λ³λ ¬ μν¬κ° λ°μν¨μ λ°λΌ μν¬ μ λ₯μμλ μ§λ ¬ μν¬μ μ μ¬ν ννμΈ μλλ§ νμμ΄ λνλλ€.
λν μ λ‘ μ λ₯μ κ²½μ° κΈ°μ‘΄μ μ νν λΆν μ λ₯μ μν¬ μ λ₯κ° ν©μ³μ§ ννμ μ λ₯λ₯Ό λ³΄μ¬ μ νν ννκ° μλ λ€μμ κ³ μ‘°ν μ±λΆμ κ°μ§λ€. λΆν μ λ₯μ
κ²½μ° μ μ μ μμ΄ μ곑λμ§ μκΈ° λλ¬Έμ μν¬ λ°μκ³Ό κ΄κ³μμ΄ μ νν μ λ₯μ ννλ₯Ό λνλΈλ€.
κ·Έλ¦Ό 7λ λΆν μ λ₯κ° 3 A μΌ λ μν¬ μ λ₯ ν¬κΈ°μ λ°λ₯Έ λ³λ ¬ μν¬μ μν¬ λ°μ μ νμ FFT κ²°κ³Όλ₯Ό 보μ¬μ€λ€.
κ·Έλ¦Ό 7μ ν΅ν΄ μν¬ μ λ₯ ν¬κΈ°μ μκ΄μμ΄ λ³λ ¬ μν¬ λ°μ νμ 0 Hzμμ 3 kHz λμμ μ£Όνμκ° μ¦κ°νλ κ²μ μ μ μλ€. λ³λ ¬ μν¬ λ°μ μ μ κΈ°μ
νΉμ±μ μ°κ΅¬νκΈ° μν΄ λ³λ ¬ μν¬ λ°μ μ νλ‘μ κ° λΆλΆμ ννμ μ΄ν΄λ³΄μλ€.
κ·Έλ¦Ό 7μ ν΅ν΄ λ³λ ¬ μν¬ λ°μ μ μ λ‘ μ λ₯, μν¬ μ μ, μν¬ μ λ₯μμ 0 Hzμμ 3 kHz λμμ μ£Όνμκ° μ¦κ°νλ κ²μ νμΈνλ€. νμ§λ§ μν¬ μ μκ³Ό
μν¬ μ λ₯μ κ²½μ° λ³λ ¬ μν¬κ° λ°μνλ μμΉλ νΉμ ν μ μκΈ° λλ¬Έμ λ³λ ¬ μν¬ λ°μμ κ°μ§νκΈ° μν΄ μ¬μ©ν νλΌλ―Έν°λ‘ λΆμ μ νλ€. λ°λΌμ μ λ‘ μ λ₯λ₯Ό
μ΄μ©ν΄ λ³λ ¬ μν¬λ₯Ό νλ³νλ κ²μ΄ λ λ°λμ§νλ€.
κ·Έλ¦Ό. 7. μν¬ μ λ₯ ν¬κΈ°μ λ°λ₯Έ λ³λ ¬ μν¬ λ°μ μ νμ μ λ‘ μ λ₯ μ£Όνμ μ€ννΈλΌ (a) λ³λ ¬ μν¬ λ°μ μ μ μ λ‘ μ λ₯μ FFT κ²°κ³Ό(μν¬ μ λ₯
1 A) (b) λ³λ ¬ μν¬ λ°μ νμ μ λ‘ μ λ₯μ FFT κ²°κ³Ό(μν¬ μ λ₯ 1 A) (c) λ³λ ¬ μν¬ λ°μ μ μ μ λ‘ μ λ₯μ FFT κ²°κ³Ό(μν¬ μ λ₯
3 A) (d) λ³λ ¬ μν¬ λ°μ νμ μ λ‘ μ λ₯μ FFT κ²°κ³Ό(μν¬ μ λ₯ 3 A) (e) λ³λ ¬ μν¬ λ°μ μ μ μ λ‘ μ λ₯μ FFT κ²°κ³Ό(μν¬ μ λ₯
5 A) (f) λ³λ ¬ μν¬ λ°μ νμ μ λ‘ μ λ₯μ FFT κ²°κ³Ό(μν¬ μ λ₯ 5 A)
Fig. 7. Line current frequency spectrum before and after parallel arc generation according
to the magnitude of arc current (a) FFT result of line current before parallel arcing
(arc current 1 A) (b) FFT result of line current after parallel arcing (arc current
1 A) (c) FFT result of line current before parallel arcing (arc current 3 A) (d) FFT
result of line current after parallel arcing (arc current 3 A) (e) FFT result of line
current before parallel arcing (arc Current 5 A) (f) FFT result of line current after
parallel arcing (arc current 5 A)
3. μ§λ ¬ μν¬ κ°μ§ λ°©λ²
3.1 ZCPλ₯Ό μ΄μ©ν κ²μΆ κΈ°λ²
μμ μΈκΈν λ°μ κ°μ΄ μ§λ ¬ μν¬ λ°μ μ μκ° μμμμμ νΉμ§μ μ λ‘ μ λ₯μμ μλλ§ νμμΌλ‘ μΈν΄ μ λ‘ μ λ₯μ ν¬κΈ°κ° 0μΈ κ΅¬κ°μ΄ μ¦κ°νκ² λλ€.
μ΄ κ΅¬κ°μ μμ κ΅μ°¨ ꡬκ°(Zero Crossing Period: ZCP)λΌκ³ νκ³ , μ΄ κ΅¬κ°μ μ΄μ©ν μ§λ ¬ μν¬ κ²μΆμ΄ κ°λ₯νλ€(17-19).
κ·Έλ¦Ό. 8. ZCPλ₯Ό ν΅ν μ§λ ¬ μν¬ κ²μΆ μκ³ λ¦¬μ¦
Fig. 8. Serial Arc Detection Algorithm via ZCP
κ·Έλ¦Ό 8λ ZCPλ₯Ό ν΅ν μ§λ ¬ μν¬ κ°μ§ μκ³ λ¦¬μ¦μ νλ¦λλ₯Ό 보μ¬μ€λ€.
κ·Έλ¦Ό 8μμ tzcpλ μ λ‘ μ λ₯μ ZCPλ₯Ό μλ―Ένκ³ Tthλ μν¬ λ°μμ νλ¨νκΈ° μν ZCPμ λ¬Έν± κ°μ λνλΈλ€. ZCPλ₯Ό ν΅ν μ§λ ¬ μν¬ κ°μ§ μκ³ λ¦¬μ¦μμλ
λ¨Όμ μ λ‘ μ λ₯μ λ
Έμ΄μ¦ μ±λΆμ μ κ±°νκΈ° μν΄ μ΄λ νκ· (Moving average)μ μ¬μ©νλ€. μ΄λ νκ· μ ꡬκ°μ μμ§μ΄λ©° κ³μ°νλ νκ· μΌλ‘ μ¬λ¬
λ°μ΄ν° λΆμ κΈ°λ² μ€ νλμ΄λ€. μ΄λ νκ· μ ꡬκ°μ κΈΈμ΄μ§μλ‘ μ‘μμ νν°λ§ ν¨κ³Όκ° μ¦κ°νλ€. μ΄λ νκ· μ κ΄ν μμμ
μ(1)κ³Ό κ°λ€.
μ(1)μμ is(n)μ nλ²μ§Έ μμ μ μ λ‘ μ λ₯λ₯Ό μλ―Ένλ€. λ³Έ λ
Όλ¬Έμμλ 20κ°μ μ λ₯ λ°μ΄ν°λ₯Ό μ΄μ©ν΄ μ΄λνκ· μ κ³μ°νλ€. λ€μ λ§ν΄ νμ¬μ μ λ₯ λ°μ΄ν°
νλμ κ³Όκ±°μ μ λ₯ λ°μ΄ν° 19κ°λ‘ μ΄λ νκ· μ κ³μ°νλ€. λ°λΌμ
μ(1)μ N κ°μ 20μ μ¬μ©νλ€.
κ·Έλ¦Ό. 9. μ§λ ¬ μν¬ λ°μ μ μ λ‘ μ λ₯μ νν (a) μ λ‘ μ λ₯ (b) μ΄λ νκ· μ μ μ©ν μ λ‘ μ λ₯
Fig. 9. Waveform of line current when series arc occurs (a) Line current (b) Line
current with moving average applied
κ·Έλ¦Ό. 10. μ λ‘ μ λ₯ 8 Aμμ ZCPλ₯Ό μ΄μ©ν μ§λ ¬ μν¬ κ²μΆ (a) μ λ‘ μ λ₯ (b) μ΄λνκ· μ μ μ©ν μ λ‘ μ λ₯ (c) ZCP (d) μ§λ ¬
μν¬ κ²μΆ μ¬λΆ
Fig. 10. Series arc detection using ZCP at line current 8 A (a) Line current (b) Line
current with moving average applied (c) ZCP (d) Series arc detection
ν 1. ZCPλ₯Ό μ΄μ©ν μ λ‘ μ λ₯ ν¬κΈ° λ³ μ§λ ¬ μν¬ κ²μΆμ μμλ μκ°
Table 1. Time taken for series arc detection by line current size using ZCP
Current magnitude (A)
|
Arc detection time (ms)
|
3
|
10
|
5
|
30
|
8
|
30
|
κ·Έλ¦Ό 9λ
κ·Έλ¦Ό 2(a)μ νλ‘λμμ λΆν μ νμ 30 Ξ©μΌλ‘ μ€μ νμ¬ μ»μ μ§λ ¬ μν¬ λ°μ μ μ λ‘ μ λ₯ ννμ λνλΈλ€.
κ·Έλ¦Ό 9(a)λ μ λ‘ μ λ₯ ννμ μλ―Ένκ³
κ·Έλ¦Ό 9(b)λ μ λ‘ μ λ₯μ μ΄λ νκ· μ μ μ©ν κ²°κ³Όλ₯Ό 보μ¬μ€λ€.
κ·Έλ¦Ό 9μ ν΅ν΄ μ λ‘ μ λ₯λ νΌν¬μΉ 10 AμΈ κ²μ μ μ μλ€. λν μ§λ ¬ μν¬κ° μ§νλλ λμ ννμ΄ μ곑λμ΄ μλλ§ νμμ΄ λ°μνλ κ²μ μ μ μμΌλ©°,
μ½ 50 ms λμ μν¬κ° μ§μλ ν μν¬κ° μνΈλ¨μ νμΈν μ μλ€.
κ·Έλ¦Ό 9μ (b)λ‘λΆν° μ λ‘ μ λ₯μ μ΄λ νκ· μ μ μ©νλ©΄ λ
Έμ΄μ¦ μ±λΆμ΄ κ°μνλ κ²μ νμΈν μ μλ€. λ³Έ μκ³ λ¦¬μ¦μμλ ZCPλ₯Ό μΈ‘μ νκΈ° μν΄ Ath,upκ³Ό
Ath,downμ μ¬μ©νκ³ , μ΄ λ Ath,upλ μ λ‘ μ λ₯μ νΌν¬μΉμ 0.1λ°° κ°μ΄κ³ Ath,downλ Ath,upμ μμλ₯Ό μ·¨ν κ°μ΄λ€. μ λ‘
μ λ₯κ° Ath,upκ³Ό Ath,down μ¬μ΄μ μ‘΄μ¬νλ μκ°μ μΈ‘μ νμ¬ κ·Έ μκ°μ tzcpλΌκ³ μ μνλ€. μΈ‘μ ν tzcpκ° λ―Έλ¦¬ μ ν λ¬Έν± κ°μΈ Tthλ₯Ό
λ μ£ΌκΈ° μ°μμΌλ‘ λκ² λλ©΄ μ§λ ¬ μν¬κ° λ°μνλ€κ³ νλ¨νλ€. μ¬κΈ°μ Tthλ 0.2 msλ‘ μ€μ νλ€.
κ·Έλ¦Ό 10λ μ λ‘ μ λ₯κ° 8 AμΌ λ, ZCP μκ³ λ¦¬μ¦μ μ΄μ©νμ¬ μ§λ ¬ μν¬λ₯Ό κ²μΆν λͺ¨μ΅μ΄λ€. λΆνμ νμΌλ‘ 37.5 Ξ©μ μ¬μ©νμ¬ μ λ‘ μ λ₯μ ν¬κΈ°κ° 8
Aκ° λλλ‘ μ€μ νμλ€.
κ·Έλ¦Ό 10μ (a), (b), (c), κ·Έλ¦¬κ³ (d)λ κ°κ° μ λ‘ μ λ₯, μ λ‘ μ λ₯λ₯Ό μ΄λ νκ· ν κ²°κ³Ό, ZCP, κ·Έλ¦¬κ³ μ§λ ¬ μν¬ κ°μ§ μ¬λΆλ₯Ό λνλΈλ€.
κ·Έλ¦Ό 10μ ν΅ν΄ μ§λ ¬ μν¬λ 3μ£ΌκΈ°μΈ μ½ 50 ms λμ μ§μλμκ³ κ·Έ ν μνΈλμλ€. λν
κ·Έλ¦Ό 10(d)λ₯Ό ν΅ν΄ ZCPλ₯Ό μ΄μ©ν μκ³ λ¦¬μ¦μ΄ μ§λ ¬ μν¬λ₯Ό 2ν κ²μΆνμμΌλ©° κ²μΆκΉμ§ μμλ μκ°μ 30 msμμ μ μ μλ€.
ν 1μ
κ·Έλ¦Ό 8μ ZCP μκ³ λ¦¬μ¦μ΄ μ§λ ¬ μν¬λ₯Ό κ²μΆνλλ° κ±Έλ¦¬λ μκ°μ μ λ‘ μ λ₯ ν¬κΈ°μ λ°λΌ μ 리ν νμ΄λ€. μ§λ ¬ μν¬ κ²μΆμ μν λ¬Έν± κ°μ ν μ£ΌκΈ° μ λ₯
μ΅λκ°μ 1/10μΌλ‘ μ μ νμκΈ° λλ¬Έμ μ λ₯μ ν¬κΈ°κ° μμλ λΉ λ₯Έ κ²μΆ μ±λ₯μ 보μ¬μ£Όλ κ²μ νμΈν μ μλ€.
3.2 μ£Όνμ νκ· μ μ΄μ©ν κ²μΆ κΈ°λ²
κ·Έλ¦Ό 7μ ν΅ν΄ μΈκΈνλ―μ΄, μ§λ ¬ μν¬κ° λ°μνλ©΄ μ λ‘ μ λ₯, μν¬ μ μ, κ·Έλ¦¬κ³ μν¬ μ λ₯μ κ³ μ£Όν μ±λΆμ΄ λ°μνκ² λλ€. νμ§λ§ μν¬ μ μκ³Ό μν¬ μ λ₯μ
κ²½μ° μν¬ λ°μ μμΉλ₯Ό νΉμ ν μ μκΈ° λλ¬Έμ μ§λ ¬ μν¬λ₯Ό κ²μΆνλλ° μ¬μ©ν μ μλ€. λ°λΌμ μ§λ ¬ μν¬ λ°μ κ°μ§λ₯Ό μν΄ μ λ‘ μ λ₯λ₯Ό μ¬μ©νλ€.
κΈ°μ‘΄μ κ΅λ₯ μ§λ ¬ μν¬ κ°μ§ μκ³ λ¦¬μ¦μμ μ£Όνμ μμμ μ¬μ©ν μ°κ΅¬μμλ 3μ°¨ κ³ μ‘°ν λ±μ νΉμ μ£Όνμ μ±λΆμ μ΄μ©ν΄ μν¬ λ°μμ νλ³νλ€. [6,
17-19] λν, κΈ°μ‘΄ μ§λ₯ μ§λ ¬ μν¬ κ°μ§ μκ³ λ¦¬μ¦μμλ κ°λ³ μ£Όνμ μ±λΆμ΄ μλ, νΉμ λμμ μ£Όνμ μ±λΆλ€μ ν©μ°νκ³ μ΄λ€μ νκ· μ μ΄μ©ν
μν¬ κ°μ§ κΈ°λ²λ€μ΄ μ±κ³΅μ μΌλ‘ μ μ©λμλ€. (15) λ°λΌμ, λ³Έ λ
Όλ¬Έμμλ κ΅λ₯ μ§λ ¬ μν¬ κ°μ§λ₯Ό μνμ¬, κ°λ³ μ£Όνμ μ±λΆλ§μ μ΄μ©νλ λ°©μμ΄ μλ, νΉμ λμμ μ λ₯ μ£Όνμ μ±λΆλ€μ ν©μ°νμ¬ νκ· μ
μ μ©νλ λ°©μμ μ΄μ©ν κ΅λ₯ μν¬ κ°μ§ κΈ°λ²λ€κ³Ό κ·Έ μ±λ₯μ 보μΈλ€. νΉμ μ£Όνμ λμμ ν¬κΈ°λ₯Ό μ΄μ©νκΈ° μν΄μ Fast Fourier transform
(FFT)μ νμ©νλ€. μ£Όνμ λΆμμ μν΄ μ΄λ€ λ°μ΄ν°μ FFTλ₯Ό μννκ² λλ©΄ FFTμ μ¬λ¬ νλΌλ―Έν°μ μν΄ FFTλ₯Ό ν΅ν΄ λ³Ό μ μλ μ΅λ μ£Όνμ
λ° ν΄μλκ° μ ν΄μ§λ€. FFTλ₯Ό ν΅ν΄ λ³Ό μ μλ μ΅λ μ£Όνμλ λμ΄ν΄μ€νΈ μνλ§ μ΄λ‘ μ μν΄ μνλ§ μ£Όνμμ μ λ° κ°μ΄λ€(16). λν FFTλ₯Ό ν΅ν΄ λ³Ό μ μλ μ£Όνμ ν΄μλ κ°μ μνλ§ μλμ νλμ FFT κ²°κ³Όλ₯Ό μ»κΈ° μν΄ μ¬μ©λλ λ°μ΄ν° μμ μν΄ κ²°μ λλ€. μ(2)λ FFT ν΄μλ κ³μ°λ²μ λνλΈλ€. μ(2)μμ Sampling rateλ λΆμνλ €λ λ°μ΄ν°κ° μμ§λλλ° μ¬μ©λ μνλ§ μλλ₯Ό μλ―Ένκ³ Jλ νλμ FFT κ²°κ³Ό κ°μ μ»λλ° μ¬μ©λ λ°μ΄ν° μλ₯Ό
λνλΈλ€.
λ³Έ λ
Όλ¬Έμμ μ§λ ¬ μν¬ λ°μ΄ν°λ₯Ό μμ§ν λ μ¬μ©λ μνλ§ μλλ 250 kHzμ΄λ€. λν 4165κ°μ μ λ₯ λ°μ΄ν°λ₯Ό μ¬μ©νμ¬ FFT κ²°κ³Ό κ°μ μ»κΈ°
λλ¬Έμ μ£Όνμ ν΄μλλ μ½ 60 Hzκ° λλ€.
κ·Έλ¦Ό 5μμ μ μ μλ―μ΄ μ§λ ¬ μν¬ λ°μ μ 0 Hzμμ 3 kHz λμμ μ£Όνμ μ±λΆμ΄ μ¦κ°νλ€. λ³Έ λ
Όλ¬Έμμλ μ£Όνμλ₯Ό μ΄μ©ν΄ μ§λ ¬ μν¬λ₯Ό κ°μ§νκΈ°
μν΄ 1 kHzμμ 3 kHz λμμ μ£Όνμ μ±λΆμ μ¬μ©νλ€. 0 Hzκ° μλ 1 kHz λμμ μ£Όνμ μ±λΆλΆν° μ¬μ©νλ μ΄μ λ μ§λ₯ μ±λΆμ μν₯μ
μ€μ΄κΈ° μν΄μμ΄λ€. FFTλ₯Ό μννκ² λλ©΄ 1ν Kμ΄ ννμ λ°°μ΄λ‘ κ²°κ³Ό κ°μ μ»μ μ μλλ° μ²« λ²μ§Έ μ΄μ 0 Hzμμμ ν¬κΈ°λ₯Ό μλ―Ένκ³ λ λ²μ§Έ
μ΄μ FFT ν΄μλμ ν΄λΉνλ μ£Όνμμμμ ν¬κΈ°λ₯Ό λνλΈλ€. λ°λΌμ 1 kHz λμμ ν΄λΉνλ μ΄ λ²νΈλ 18λ²μ§Έ (60 * 17 = 1020 Hz)κ°
λκ³ 3 kHμ ν΄λΉνλ μ΄ λ²νΈλ 51 λ²μ§Έ (60 * 50 = 3000 Hz)κ° λλ€. FFT κ²°κ³Όλ₯Ό ν΅ν΄ μ»μ μ£Όνμ λ³ ν¬κΈ°λ‘
(15)μμ μ¬μ©ν νΉμ μ£Όνμ λμμ Root-mean-square (RMS)μ ꡬνλ©΄ λ€μ
(3)κ³Ό κ°λ€.
μ(3)μμ
IFreqAvgλ μ λ‘ μ λ₯ μ£Όνμ μ±λΆ μ€ 1 kHzλΆν° 3 kHz λμμ RMS κ°μ μλ―Ένλ€. λν
IFreq(k)λ
FFT κ²°κ³Όλ‘ μ»μ νλ ¬μ kλ²μ§Έ μ΄κ°μ λνλΈλ€.
κ·Έλ¦Ό 11μ μ λ‘ μ λ₯μ μ£Όνμ λμμ μ΄μ©ν μ§λ ¬ μν¬ κ°μ§ μκ³ λ¦¬μ¦μ νλ¦λλ₯Ό λνλΈλ€.
κ·Έλ¦Ό 11μμ
Ithλ μ§λ ¬ μν¬ κ°μ§λ₯Ό μν
μ(3)μ μ£Όνμ λμ RMSμ λ¬Έν± κ°μ μλ―Ένλ€.
κ·Έλ¦Ό 12λ μ λ‘ μ λ₯κ° 5 A μΌ λμ μ£Όνμ λμμ μ΄μ©ν μ§λ ¬ μν¬ κ²μΆ κ²°κ³Όλ₯Ό λνλΈλ€.
κ·Έλ¦Ό 12μ ννμ μ»κΈ° μν΄ μ¬μ©λ λΆν μ νμ ν¬κΈ°λ 60 Ξ©μ΄λ€.
κ·Έλ¦Ό 12 (a), (b), κ·Έλ¦¬κ³ (c) λ κ°κ° μ λ‘ μ λ₯,
IFreqAvg, κ·Έλ¦¬κ³ μ§λ ¬ μν¬ κ²μΆ κ²°κ³Όλ₯Ό λνλΈλ€.
κ·Έλ¦Ό 12μ (b)λ₯Ό ν΅ν΄ μ§λ ¬ μν¬κ° λ°μνλ©΄
IFreqAvgκ° μ¦κ°νλ κ²μ μ μ μλ€. λν μ λ‘ μ λ₯κ° 3 AμΈ κ²½μ°μ λΉκ΅νμ λ μ§λ ¬
μν¬ λ°μ ν μ¦κ°νλ
IFreqAvgμ ν¬κΈ°κ° λ ν° κ²μ νμΈν μ μλ€. κ·Έμ λ°λΌ μ§λ ¬ μν¬κ° κ°μ§λλλ° κ±Έλ¦¬λ μκ°μ μ½ 30
msμΈ κ²μ
κ·Έλ¦Ό 12(c)λ₯Ό ν΅ν΄ μ μ μλ€.
ν 2λ μ λ‘ μ λ₯ ν¬κΈ°μ λ°λ₯Έ μ£Όνμ λμμ μ΄μ©ν μ§λ ¬ μν¬ μκ³ λ¦¬μ¦μ μν¬ κ²μΆ μκ°μ μ 리ν νμ΄λ€.
ν 2λ₯Ό ν΅ν΄ μ λ‘ μ λ₯μ ν¬κΈ°κ° ν΄μλ‘ μν¬ κ°μ§ μκ°μ΄ λΉ¨λΌμ§λ κ²μ μ μ μλ€. μ΄λ¬ν μ΄μ λ μ λ‘ μ λ₯μ ν¬κΈ°κ° ν΄μλ‘ μ§λ ¬ μν¬ λ°μ νμ μ¦κ°νλ
κ³ μ£Όν μ±λΆμ ν¬κΈ°κ° 컀μ§κΈ° λλ¬Έμ΄λ€.
κ·Έλ¦Ό. 11. μ λ‘ μ λ₯μ μ£Όνμ λμμ μ΄μ©ν μ§λ ¬ μν¬ κ°μ§ μκ³ λ¦¬μ¦ νλ¦λ
Fig. 11. Flowchart of series arc detection algorithm using frequency band of line
current
κ·Έλ¦Ό. 12. μ λ‘ μ λ₯μ ν¬κΈ°κ° 5 A μΌ λμ μ£Όνμ λμμ μ΄μ©ν μ§λ ¬ μν¬ κ²μΆ κ²°κ³Ό (a) μ λ‘ μ λ₯ (b) IFreqAvg (c)
μ§λ ¬ μν¬ κ²μΆ κ²°κ³Ό
Fig. 12. Series arc detection result using frequency band when the line current is
5 A (a) Line current (b) (c) Series arc detection result
ν 2. μ λ‘ μ λ₯ ν¬κΈ°μ λ°λ₯Έ μ£Όνμ λμμ μ΄μ©ν μ§λ ¬ μν¬ μκ³ λ¦¬μ¦μ μν¬ κ²μΆ μκ°
Table 2. Arc detection time of series arc algorithm using frequency band according
to line current size
Current magnitude (A)
|
Arc detection time (ms)
|
3
|
70
|
5
|
30
|
8
|
30
|
4. λ³λ ¬ μν¬ κ°μ§ λ°©λ²
κ΅λ₯ μν¬ κ²μΆμ λν μ°κ΅¬λ μ§λ ¬ μν¬ κ²μΆ λΆμΌμλ§ μ§μ€λμ΄ μκ³ , κ΅λ₯ λ³λ ¬ μν¬ λ°μμ κ²μΆνλ κΈ°λ²λ€μ λν μ°κ΅¬λ κ±°μ μ§νλμ§ μμμΌλ―λ‘,
λ³Έ λ
Όλ¬Έμμλ κ΅λ₯ μ§λ ¬ μν¬μ λμμ, κ΅λ₯ λ³λ ¬ μν¬ λ°μμμλ μ λ ₯μ λ‘μμ μ λ₯ λ³νμ μν΄ κ΅λ₯ λ³λ ¬ μν¬λ₯Ό κ²μΆν μ μλ κΈ°λ²μ 보μΈλ€.
λ³λ ¬ μν¬μ κ²½μ° μμ μΈκΈν λ°μ κ°μ΄ κ·Έλ¦Ό 2(b) νλ‘λμ μ λ‘ μ λ₯λ₯Ό μ΄μ©ν΄ κ°μ§νλ€. μ§λ ¬ μν¬μ λμΌνκ² 1 kHzλΆν° 3 kHz λμμ μ£Όνμλ₯Ό μ΄μ©ν΄ μ(3)μ IFreqAvgμ ꡬνλ€. λ°λΌμ λ³λ ¬ μν¬ κ°μ§ μκ³ λ¦¬μ¦μ νλ¦λλ κ·Έλ¦Ό 11κ³Ό λμΌνλ€.
κ·Έλ¦Ό. 13. λΆν μ λ₯ 3 A, μν¬ μ λ₯ 5 Aμμ μ£Όνμ λμμ μ΄μ©ν λ³λ ¬ μν¬ κ²μΆ κ²°κ³Ό (a) μ λ‘ μ λ₯ (b) IFreqAvg
(c) λ³λ ¬ μν¬ κ²μΆ κ²°κ³Ό
Fig. 13. Parallel arc detection result using frequency band at load current 3 A and
arc current 5 A (a) Line current (b) (c) Parallel arc detection result
ν 3. μν¬ μ λ₯ ν¬κΈ°μ λ°λ₯Έ μ£Όνμ λμμ μ΄μ©ν λ³λ ¬ μν¬ κ²μΆ μκ°
Table 3. Parallel arc detection time using the frequency band according to the size
of the arc current
Current magnitude (A)
|
Arc detection time (ms)
|
1
|
15
|
3
|
15
|
5
|
15
|
κ·Έλ¦Ό 13λ λΆν μ λ₯ 3 A, μν¬ μ λ₯ 5 A 쑰건μμ λ³λ ¬ μν¬κ° λ°μ νμ λ μ£Όνμ λμμ μ΄μ©νμ¬ λ³λ ¬ μν¬λ₯Ό κ²μΆν κ²°κ³Όλ₯Ό λ³΄μ¬ μ€λ€.
κ·Έλ¦Ό 13 (a), (b), κ·Έλ¦¬κ³ (c)λ κ°κ° μ λ‘ μ λ₯,
IFreqAvg, κ·Έλ¦¬κ³ λ³λ ¬ μν¬ κ²μΆ κ²°κ³Όλ₯Ό λνλΈλ€. μν¬ μ λ₯λ₯Ό 5 Aλ‘ μ€μ νκΈ°
μν΄ μ ν μ νμ 60 Ξ©μ μ¬μ©νλ€.
κ·Έλ¦Ό 13(a)λ₯Ό ν΅ν΄ λ³λ ¬ μν¬κ° μ½ 30 ms λμ λ°μνκ³ κ·Έ νμ μνΈλλ κ²μ μ μ μλ€. λν
κ·Έλ¦Ό 13 (b)μ (c)λ₯Ό ν΅ν΄ μν¬ λ°μ ν 15ms νμ μ£Όνμ λμμ μ΄μ©ν λ³λ ¬ μν¬ κ°μ§ μκ³ λ¦¬μ¦μ΄ λ³λ ¬ μν¬λ₯Ό κ°μ§νλ κ²μ νμΈν μ μλ€.
ν 3μ μν¬ μ λ₯ ν¬κΈ°μ λ°λ₯Έ μ£Όνμ λμμ μ΄μ©ν λ³λ ¬ μν¬ κ°μ§ μκ³ λ¦¬μ¦μ λ³λ ¬ μν¬ κ²μΆ μκ°μ 보μ¬μ€λ€.
ν 3μ ν΅ν΄ λ³λ ¬ μν¬μ μ λ₯ ν¬κΈ°μ κ΄κ³μμ΄ λ³λ ¬ μν¬λ₯Ό λΉ λ₯΄κ² κ²μΆν¨μ νμΈν μ μλ€. λ€λ§, λ³λ ¬ μν¬ μ λ₯μ ν¬κΈ°κ° μμμ§μλ‘ μ£Όνμ λμμ
ν¬κΈ°κ° μ μμνμ μ°¨μ΄κ° μ κΈ° λλ¬Έμ λ¬Έν± κ° μ€μ μ λ€μ μ΄λ €μμ΄ μλ€.
5. κ²° λ‘
λ³Έ λ
Όλ¬Έμμλ μ§λ ¬ μν¬ λ° λ³λ ¬ μν¬ λ°μ μ, κ΅λ₯ μ λ‘μ νλ₯΄λ μ λ₯λ₯Ό μ λ₯ ν¬κΈ°μ μ λ₯ νν μΈ‘λ©΄μμ λΆμνλ€. κ΅λ₯ μν¬ κ²μΆμ λν μ°κ΅¬λ
μ§λ ¬ μν¬ κ²μΆ λΆμΌμλ§ μ§μ€λμ΄ μκ³ , κ΅λ₯ λ³λ ¬ μν¬ λ°μμ κ²μΆνλ κΈ°λ²λ€μ λν μ°κ΅¬λ κ±°μ μ§νλμ§ μμλ° λ°ν΄, λ³Έ λ
Όλ¬Έμμλ κ΅λ₯ μ§λ ¬
μν¬μ λμμ, κ΅λ₯ λ³λ ¬ μν¬ λ°μμμλ μ λ ₯μ λ‘μμ μ λ₯ λ³νλ₯Ό κ³ μ°°νκ³ μ΄λ₯Ό ν΅νμ¬ κ΅λ₯ λ³λ ¬ μν¬λ₯Ό κ²μΆν μ μλ κΈ°λ²μ 보μλ€. κ΅λ₯ μ λ‘
μμ μ§λ ¬ μν¬ λ°μ μ μ λ‘μ νλ₯΄λ μ λ₯λ, ν¬κΈ°μμμ λ³λ보λ€λ νν ννμμ λ νΉμ΄ν λ³νλ₯Ό λ°μμν΄μ μ€νμ ν΅νμ¬ νμΈνλ€. λν, λ³λ ¬
μν¬μ κ²½μ°, λ³λ ¬ μν¬ κ²½λ‘ μμ μμ±λλ μλλ§ νμμ κ°μ§λ μν¬ μ λ₯λ‘ μΈνμ¬, κ΅λ₯ μ λ‘ μμ νλ₯΄λ μ λ‘ μ λ₯ μμ μ νν ννκ° μλ
λ€μμ κ³ μ‘°ν μ±λΆμ κ°μ§λ μ곑λ μ λ₯ ννλ‘ λ°λκ² λ¨μ μ€νμ μΌλ‘ 보μλ€. μ§λ ¬ κ΅λ₯ μν¬ λ° λ³λ ¬ κ΅λ₯ μν¬ λ°μ μ, μκ° μμκ³Ό μ£Όνμ
μμμμ μ§λ ¬ κ΅λ₯ μν¬ λ°μ μ¬λΆλ₯Ό κ²μΆνκ³ κ° κΈ°λ²λ€μ μν μ±λ₯μ λΉκ΅ λΆμν κ²°κ³Ό, μ λ‘ μ λ₯ ν¬κΈ°κ° μμ μ§λ ¬ μν¬μ κ²½μ°λ μκ° μμμμμ
κ²μΆμ΄ μ£Όνμ μμμμμ κ²μΆλ³΄λ€ λ ν¨κ³Όμ μ΄μλ€. λ°λ©΄, μ λ‘ μ λ₯ ν¬κΈ°κ° ν° κ²½μ°μλ, μκ° μμκ³Ό μ£Όνμ μμμμ μ§λ ¬ μν¬ κ²μΆ μ±λ₯μ μ μ¬νλ€.
ννΈ, λ³λ ¬ μν¬ λ°μ μμλ, μ§λ ¬ μν¬ λ°μλ³΄λ€ λ λͺ
νν μ λ‘ μ λ₯ λ³νκ° κ°μ§λκ³ μ΄λ₯Ό μ΄μ©νμ¬ μ£Όνμ μμμμμ λ³λ ¬ μν¬ κ²μΆμ΄ μ§λ ¬ μν¬
κ²μΆλ³΄λ€ λ μ©μ΄ν¨μ μ€νμ μΌλ‘ 보μλ€.
Acknowledgements
λ³Έ μ°κ΅¬λ μ λΆ(κ³ΌνκΈ°μ μ 보ν΅μ λΆ)μ μ¬μμΌλ‘ νκ΅μ°κ΅¬μ¬λ¨ (No. 2020R1A2C1013413) λ° νκ΅μ λ ₯곡μ¬μ 2021λ
μ°©μ κΈ°μ΄μ°κ΅¬κ°λ°
κ³Όμ μ°κ΅¬λΉ(κ³Όμ λ²νΈ : R21XA01-3)μ μν΄ μ§μλμμΌλ©°, κ΄κ³λΆμ²μ κ°μ¬λ립λλ€.
References
G. Bao, R. Jiang, X. Gao, 2019, Novel Series Arc Fault Detector Using High-Frequency
Coupling Analysis and Multi-Indicator Algorithm, in IEEE Access, Vol. 7, pp. 92161-92170

G. Artale, A. Cataliotti, V. Cosentino, D. Di Cara, S. Nuccio, G. Tinè, May 2017,
Arc Fault Detection Method Based on CZT Low-Frequency Harmonic Current Analysis, in
IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 66, No. 5, pp. 888-896

S. A. Saleh, A. S. Aljankawey, R. Errouissi, M. A. Rahman, May-June 2016, Phase-Based
Digital Protection for Arc Flash Faults, in IEEE Transactions on Industry Applications,
Vol. 52, No. 3, pp. 2110-2121

S. A. Saleh, M. A. Rahman, April 2005, Modeling and protection of a three-phase power
transformer using wavelet packet transform, in IEEE Transactions on Power Delivery,
Vol. 20, No. 2, pp. 1273-1282

Chul-Hwan Kim, Hyun Kim, Young-Hun Ko, Sung-Hyun Byun, R. K. Aggarwal, A. T. Johns,
Oct 2002, A novel fault-detection technique of high-impedance arcing faults in transmission
lines using the wavelet transform, in IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 17,
No. 4, pp. 921-929

J. Lim, T. Runolfsson, Jan 2007, Improvement of the Voltage Difference Method to Detect
Arcing Faults Within Unfused Grounded-Wye 22.9-kV Shunt Capacitor Bank, in IEEE Transactions
on Power Delivery, Vol. 22, No. 1, pp. 95-100

Z. M. Radojevic, V. V. Terzija, N. B. Djuric, Jan 2000, Numerical algorithm for overhead
lines arcing faults detection and distance and directional protection, in IEEE Transactions
on Power Delivery, Vol. 15, No. 1, pp. 31-37

B. Wang, J. Geng, X. Dong, July 2018, High-Impedance Fault Detection Based on Nonlinear
VoltageβCurrent Characteristic Profile Identification, in IEEE Transactions on Smart
Grid, Vol. 9, No. 4, pp. 3783-3791

M. B. Djuric, Z. M. Radojevic, V. V. Terzija, Jan 1999, Time domain solution of fault
distance estimation and arcing faults detection on overhead lines, in IEEE Transactions
on Power Delivery, Vol. 14, No. 1, pp. 60-67

C. J. Lee, J. B. Park, J. R. Shin, Z. M. Radojevie, Aug 2006, A new two-terminal numerical
algorithm for fault location, distance protection, and arcing fault recognition, in
IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 21, No. 3, pp. 1460-1462

B. D. Russell, C. L. Benner, April 1995, Arcing fault detection for distribution feeders:
security assessment in long term field trials, in IEEE Transactions on Power Delivery,
Vol. 10, No. 2, pp. 676-683

S. A. Saleh, M. E. Valdes, C. S. Mardegan, B. Alsayid, Sept-Oct 2019, The State-of-the-Art
Methods for Digital Detection and Identification of Arcing Current Faults, in IEEE
Transactions on Industry Applications, Vol. 55, No. 5, pp. 4536-4550

W. Charytoniuk, Wei-Jen Lee, Mo-Shing Chen, J. Cultrera, Theodore Maffetone, Nov-Dec
2000, Arcing fault detection in underground distribution networks-feasibility study,
in IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 36, No. 6, pp. 1756-1761

N. Qu, J. Wang, J. Liu, Oct 2019, An Arc Fault Detection Method Based on Current Amplitude
Spectrum and Sparse Representation, in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,
Vol. 68, No. 10, pp. 3785-3792

J. Gu, D. Lai, J. Wang, J. Huang, M. Yang, May-June 2019, Design of a DC Series Arc
Fault Detector for Photovoltaic System Protection, in IEEE Transactions on Industry
Applications, Vol. 55, No. 3, pp. 2464-2471

C. Park, 2021, Research on series and parallel arc detection technology on AC line,
M. S. Thesis, Chung-ang University

S. Kim, W. Kwon, B. Byen, J. Lim, S. Bang, G. Choe, 2010, A Study on Fast Detecting
Technique of Series Arc in the AC Load, Proceeding of Korean Institute of Power Electronics

W. Kwon, S. Choi, S. Bang, C. Kim, G. Choe, July 2009, Series Arc Wave Analysis and
Detection Algorithm, Proceeding of Korean Institute of Power Electronics

J. Jiang, Z. Wen, M. Zhao, Y. Bie, C. Li, M. Tan, C. Zhang, 2019, Series arc detection
and complex load recognition based on principal component analysis and support vector
machine, IEEE Access, Vol. 7, pp. 47221-47229

μ μμκ°
Chang-cu Park received the B.S degree and the M.S. degree in electrical and electronics
engineering from Kwangwoon University and Chung-Ang University, Seoul, South Korea,
in 2019 and 2021, respectively.
Jae-Chang Kim received the B.S. degree in electrical and electronics engineering from
Chung-Ang University, Seoul, South Korea, in 2017, where he is currently pursuing
the combined M.S. and Ph.D. degrees in electrical and electronics engineering.
His research interests include control and analysis for two-level, multilevel, and
matrix converters.
μ μ¬μ€(Jae-Yoon Jeong)
Jae-Yoon Jeong received the B.S. degree in Physics from Chung-Ang University, Seoul,
South Korea, in 2021, where he is currently pursuing the M.S. degree in electrical
and electronics engineering.
Sang-Shin Kwak received the Ph.D. degree in electrical engineering from Texas A&M
University, College Station, TX, USA, in 2005.
From 1999 to 2000, he was a Research Engineer with LG Electronics, Changwon, South
Korea.
From 2005 to 2007, he was a Senior Engineer with Samsung SDI R&D Center, Yongin, South
Korea.
From 2007 to 2010, he was an Assistant Professor with Daegu University, Gyeongsan,
South Korea.
Since 2010, he has been with Chung- Ang University, Seoul, South Korea, where he is
currently a Professor.
His current research interests include the design, modeling, control, and analysis
of power converters for electric vehicles and renewable energy systems as well as
the prognosis and fault tolerant control of power electronics systems.