1. 서 론

아크 혹은 아크방전은 비전도성 매체(공기 등)를 통해 전류를 발생시키는 가스 절연 파괴 현상으로 절연 매체 사이에서 반복적으로 번쩍이는 방전 현상이다. 여러 가지 전기적 요인으로 인해서 발생하는 아크는 부분적인 고온으로 인해 높은 열과 에너지를 발생시켜서 화재 및 폭발사고를 유발한다⁽¹⁾. 이를 예방하기 위해 필수적으로 아크 검출이 필요하다. 2021년 기준 국내 원인별 화재 발생 현황에 따르면 전체 화재 발생 사고 중 전기적 요인이 9,472(26.1%)건으로 확인되었다. 전기적 요인에 의한 화재 중, 82.1%가 아크에 의한 화재사건이다. 이처럼 아크에 의한 화재 사고는 전기적 화재 요인 중 많은 비중을 차지하고 있다. 그림 1은 2021년 한국전기안전공사 전기재해 통계를 나타낸 것이다. 기존에 사용하고 있는 퓨즈 혹은 MCB와 같은 보호 장치는 과전류로 인한 화재를 차단해주는 기능만 존재하고, 아크를 차단해주진 않는다. 외국에서는 2013년 국제 표준인 IEC 62606 AFDD(Arc Fault Detect Device)가 제정되어 전 세계적으로 보급이 확대되었다. 독일, 영국, 프랑스 등 유럽 국가 및 중국에서 시험 표준 및 설치 기준 마련과 함께 아크 차단기 설치의무제도를 시행하고 있다.

그림. 1. 2021년 한국전기안전공사 전기재해 통계

Fig. 1. 2021 Korea Electrical Safety Corporation Electrical Accident Statistics

따라서 본 연구에서는 부하의 전류를 일반 전류 센서로 검출하고, HFCT 및 LC 대역통과필터(BPF, Band-Pass Filter)를 사용하여 백그라운드 노이즈의 간섭을 받지 않는 주파수 대역의 RF Power 성분을 증폭하여 검출한다. 이후, RF Power 성분을 RF 증폭기를 통해 전압으로 변환한 RSSI(Received Signal Strength Indicator)값을 출력한다. 이를 통해, 직렬 아크 검출 알고리즘을 이용하여 아크를 판별한 이후 차단 신호를 생성한다.

2. 본 론

그림 2은 제안된 저항 및 사이리스터 부하 아크 검출 회로도이다. 전원부는 AC 220[Vrms] 60Hz를 사용하여 각 부하에 전원을 공급한다. 이때 부하의 종류는 저항 부하, 사이리스터 부하 등을 동작시킨다. 부하가 동작할 때, 정상 상태의 전류 파형은 전류 센서로 검출한다. 아크가 발생할 때의 고주파 신호 검출은 HFCT를 통해서 검출한다.

그림. 2. 저항 및 사이리스터 부하 아크 검출 회로도

Fig. 2. Resistance & Thyristor Load Arc Detection Circuit

2.1 Arc Current Characteristics and Noise Characteristics

아크 전류의 특성은 직렬 아크 발생 시, 정상 상태에서 흐르던 부하 전류의 크기는 소폭 감소하고, 전류의 값이 0인 숄더 부분(Shoulder)이 발생하는 특징을 가진다⁽⁸⁾⁽⁹⁾. 또한, 아크 발생 시 고조파 및 고주파 성분이 정상 상태보다 크게 증가한다^(10)(11). 이러한 고조파 및 고주파 성분의 증가는 수십 Hz ~ 수백 MHz 혹은 1GHz 까지의 영역에서도 증가할 수 있다⁽¹²⁾. 그림 3, 4은 저항 부하의 직렬 아크 전류 파형과 정상 상태 및 아크 상태 노이즈 주파수 스펙트럼이다.

그림. 3. 저항 부하 정상 및 아크 상태 전류

Fig. 3. Steady and Arc Current Wave of Resistance Load

그림. 4. 아크 노이즈 주파수 스펙트럼

Fig. 4. Arc noise frequency spectrum

2.2 Title

RIGOL사의 Frequency Spectrum Analyzer DSA832E를 통해 저항 부하의 정상 상태 및 아크 상태에서의 RF Power를 측정하였다. 측정 대역폭은 0~200MHz 범위로 설정하였다. 그림 5는 저항 부하의 정상 상태에서의 RF Power이다. 저항 부하는 정상 상태시 전 영역에서 –70dBm ~ -60dBm의 RF Power가 측정되었다. 그림 6은 저항 부하 아크 상태에서의 RF Power이다. 아크 상태에서는 100MHz 영역까지의 RF Power가 –35dBm 까지 증가한다.

그림. 5. 저항 부하의 정상 상태 RF Power

Fig. 5. Normal State RF Power of Resistance Load

그림. 6. 저항 부하의 아크 상태 RF Power

Fig. 6. Arc State RF Power of Resistance Load

정상 상태의 전류 파형이 저항 부하 아크 상태와 유사한 경향을 나타내는 사이리스터 부하에 대해서도 정상 상태 및 아크 상태의 주파수 스펙트럼도 측정하였다. 그림 7은 사이리스터 부하의 정상 상태에서의 RF Power이다. 사이리스터 부하의 정상 상태는 20MHz 영역까지의 RF Power가 –70dBm ~ -50dBm으로 측정되고, 그 외의 영역은 –70dBm ~ -60dBm의 RF Power가 측정된다. 그림 8은 사이리스터 부하의 아크 상태에서의 RF Power이다. 아크 상태에서는 140MHz 영역까지의 RF Power가 –30dBm까지 증가한다.

그림. 7. 사이리스터 부하의 정상 상태 RF Power

Fig. 7. Normal State RF Power of Thyristor Load

그림. 8. 사이리스터 부하의 아크 상태 RF Power

Fig. 8. Arc State RF Power of Thyristor Load

2.3 Algorithm for Series Arc Detection

그림 9는 수신전파감도를 이용한 직렬 아크 검출 알고리즘이다. 먼저 부하 전류 및 RSSI를 검출하고 dI/dt 전류 도함수와 dRSSI/dt 도함수를 계산한다. 직렬 아크 검출을 위해 Reset Time을 0.5초로 설정한다. 직렬 아크 검출은 dI/dt 값이 일정 기준 값을 초과할 때까지 활성화되지 않는다. 먼저, dI/dt의 절대값을 G₆와 비교하여 아크 발생을 감지하고, dI/dt의 절대값이 G₆를 초과하면 Arc Detect Flag 신호가 ON이 되어 아크 발생 후보 구간이라고 표시한다. RSSI > G₂ 이면 부하 전류가 아크 전류로 해석되고 발생 횟수를 카운트 한다. 이후, dRSSI/dt > G₃이고, dRSSI/dt의 절대값이 특정 기준값 G₄를 넘어가고, dI/dt의 절대값이 G₆ 이상을 넘어가면 Detect Stack이 1씩 증가한다. 이후, Detect Stack이 특정 횟수 쌓이게 되면, 아크를 차단하기 위해 Shut Down 동작을 실시하도록 한다.

그림. 9. 직렬 아크 검출 알고리즘

Fig. 9. Serial Arc Detection Algorithm

2.4 RSSI & LC Band-Pass Filter

RSSI는 수신된 신호의 현재 전력 측정값을 의미한다. RF 증폭기를 통해 RF Power 성분이 포함된 수신 신호를 전압으로 변환하여 출력한다. 증폭기 내부에는 캐스케이드 증폭단이 존재하는데, 각 단 캐스케이드 증폭단의 출력을 합하여 입력전력에 비례한 DC 전압을 출력하게 된다.

(1)

$P_{RF\in}=\dfrac{V_{out}}{V_{SLOPE}}+P_{I N T}$

(2)

$V_{out}=V_{SLOPE}(P_{RF\in}- P_{I N T})$

수식(1)에서 사용한 변수는 RF 입력전력(dBm)을 의미하는 PRFin이며 PINT는 0V 인터셉트 포인트(dBm)을 의미하고, VSLOPE은 검출기의 기울기(mV/dBm)을 의미한다. 수식(2)는 증폭기 출력 전압에 대한 수식을 나타낸다. RF 증폭기 내부 캐스케이드 증폭단의 회로는 그림 10과 같이 구성된다.

그림. 10. RF 증폭기 캐스케이드 증폭단의 구성도

Fig. 10. RF Amp Cascade Amplifier Circuit

또한, 저항 부하 및 사이리스터 부하의 아크 상태 시 증가하는 RF Power를 Background Noise의 간섭을 받지 않는 영역에서 추출하기 위해, LC BPF를 설계하여 100MHz 영역의 RF Power를 추출하고, RF 증폭기에 입력하여 RSSI 전압으로 출력하였다. 그림 11은 BPF의 구성이고, 그림 12는 Pspice 시뮬레이션 프로그램을 이용한 BPF의 ‘주파수-전압 이득 보드 선도’를 나타낸 것이다. BPF의 파라미터는 표 1과 같다. 수식(3)은 LC BPF의 입출력 관계를 나타낸 수식이다. Ramp는 RF 증폭기 내부 입력 저항을 나타낸 것이다. (Ramp = 2 [kΩ])

그림. 11. LC 밴드패스필터 회로 구성도

Fig. 11. LC BPF filter Circuit

(3)

$V_{out}=\dfrac{\dfrac{R_{amp}\times jw L_{1}}{R_{amp}+jw L_{1}}}{\dfrac{1}{jw C_{1}}+\dfrac{1}{jw C_{2}}+\dfrac{R_{amp}\times jw L_{1}}{R_{amp}+jw L_{1}}}\times V_{i n}$

표 1. LC 밴드패스필터 파라미터

Table 1. LC BPF filter parameter

Parameter	Value
Filter Inductance : L1	330 [nH]
Filter Capacitance : C1	15 [pF]
Filter Capacitance : C2	13 [pF]

그림. 12. LC 밴드패스필터의 주파수-이득 보드선도

Fig. 12. Frequency-Voltage Gain Bode Plotter of LC Band-Pass Filter

3. Experimental Results

3.1 Experimental Components

저항 및 사이리스터 부하에 대한 직렬 아크 발생 경우의 알고리즘 동작을 확인하기 위해 아크 제너레이터를 통해 정상 상태 운영 도중 아크를 발생시켜 실험을 진행하였다. 또한, 부하 변동 상황 시 전류의 크기가 소폭 감소하는 상황을 아크로 판별하는지 확인하기 위해 저항 및 사이리스터 부하에 대하여 부하 변동 실험을 진행하였다. 그림 13(a)는 아크 사고를 모의하기 위해 전극 사이의 거리를 슬라이딩 블록을 통해 수동으로 조절할 수 있도록 하여 아크를 발생시키는 구리-탄소 전극 아크 제너레이터이다. 두 전극은 구리봉과 탄소봉으로 탈부착이 가능하다. 구리봉은 고정전극, 탄소봉은 이동전극에 해당된다. 그림 13(b)는 사이리스터 부하 회로, 그림 13(c)는 실험에서 사용한 1 [kW], 100 [Ω] 저항 부하이다. 표 2는 실험에 사용된 저항 부하 및 사이리스터 부하 회로도의 파라미터이다.

그림. 13. 직렬 아크 실험 구성 요소 (a) 아크 제너레이터 (b) 사이리스터 부하 (c) 저항 부하

Fig. 13. Serial Arc Experiment Components (a) Arc Generator (b) Thyristor Load (c) Resistance Load

표 2. 실험 파라미터

Table 2. Experimental parameter

Parameter	Value
Grid Voltage : Vgrid	220 [Vrms]
Load Resistance : R1	100 [Ω]
Load Resistance : R2	20 [Ω]
Thyristor Phase	20°, -20°

3.2 Experimental Result of Resistance Load

그림 14은 저항 부하에 AC 전원을 계통으로 인가한 정상 상태 및 아크 상태 실험 회로 구성이고, 그림 15는 저항 부하 변동 실험을 위한 회로 구성이다. 그림 16은 저항 부하를 이용한 실험결과이다. 각각의 파형들은 부하 전류, RSSI, Detect Stack, Shutdown 신호를 나타낸다. 그림 16(a)는 저항 부하의 정상 상태 및 아크 상태 실험 결과 파형이다. 저항 부하의 정상 상태 운영 도중, 아크 제너레이터를 통해 직렬 아크를 발생시켰다. 아크 발생 시 부하 전류가 정상 상태의 부하 전류보다 소폭 감소하고 영전류 구간의 숄더 부분이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 아크가 발생한 구간에서 전류의 미분치가 상승하여 Arc Detect Flag가 1로 상승함으로써 아크 발생 후보 지점으로 선정한다. 아크가 발생하여 고주파 노이즈가 발생하기 때문에, 100MHz 성분의 RF 입력신호를 증폭기에 입력하여 RSSI가 발생한다. RSSI의 미분치 및 미분치의 절댓값을 계산하여 일정 기준치를 초과하면, Detect Stack이 1씩 중첩된다. 최종적으로 Detect Stack이 8회 중첩되면, 아크를 차단하기 위한 ShutDown 신호가 발생하게 된다. 아크가 발생한 구간과 동시에 RSSI가 발생하여 Detect Stack이 중첩되고 ShutDown 신호가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 본 실험에서 CH4의 ShutDown 신호는 실제로 MCB 차단기에 ShutDown 신호를 인가한 것이 아닌, DSP28335의 DA 신호(Digital to Analog signal)를 출력한 것이다. 그림 16(b)는 저항 부하 변동 시의 실험 결과이다. 아크 발생 시 전류값이 소폭 감소하는 현상이 있는데, 부하 변동시 발생하는 전류값 소폭 감소 현상을 아크로 판단하고 차단하는지 확인하기 위해 실험을 진행하였다. 전류의 값이 소폭 감소하는 현상만 존재할 뿐, 고주파 노이즈가 발생하지 않기 때문에 RSSI가 발생하지 않게 된다. RSSI가 발생하지 않기 때문에 이에 대한 미분치 및 미분치에 대한 절대값이 일정 기준치를 초과하지 않아서 Detect Stack이 중첩되지 않게 된다. 그로 인해 ShutDown 신호도 발생하지 않는다. 이처럼 부하 변동시의 상황을 아크 상태로 오인하지 않고, 정상 운영하는 상태를 확인할 수 있다.

그림. 14. 저항 부하 아크 실험 회로도

Fig. 14. Resistance Load Arc Experimental Circuit

그림. 15. 저항 부하 변동 실험 회로도

Fig. 15. Resistance Load Variation Experimental Circuit

그림. 16. 저항 부하를 이용한 실험 결과 (a) 아크 상태 (b) 부하 변동 상태

Fig. 16. Experimental result of Resistance Load (a) Arc State (b) Load Variation

3.3 Experimental Result of Thyristor Load

그림 17은 사이리스터 부하에 AC 전원을 계통으로 인가한 정상 상태 및 아크 상태 실험 회로 구성이고, 그림 18는 사이리스터 부하 변동 실험을 위한 회로 구성이다. 그림 19는 사이리스터 부하를 이용한 실험결과이다. 각각의 파형들은 부하 전류, RSSI, Detect Stack, Shutdown 신호를 나타낸다. 그림 19(a)는 사이리스터 부하의 정상 상태 및 아크 상태 실험 결과 파형이다. 사이리스터 부하는 정상 전류의 파형에서 영전류 구간이 존재하기 때문에, 아크가 발생하지 않아도 전류의 미분치가 상승하여 Arc Detect Flag가 1로 상승한다. 하지만, 정상 상태에서 Arc Detect Flag가 1로 상승하여도, 아크로 인한 고주파 노이즈가 발생하지 않기 때문에 RSSI가 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다. 정상 상태 운영 도중, 아크를 발생시켜 고주파 노이즈가 발생하기 때문에 RSSI가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 RSSI의 미분치 및 미분치의 절대값을 계산하여 일정 기준치를 초과하면, Detect Stack이 1씩 중첩된다. Detect Stack이 8회 중첩이 완료되면, 아크를 차단하기 위한 ShutDown 신호가 발생하게 된다. 그림 19(b)는 사이리스터 부하 변동 시의 실험 결과이다. 전류의 값이 소폭 감소하는 현상만 존재할 뿐 고주파 노이즈가 발생하지 않기 때문에 RSSI가 발생하지 않게 된다. RSSI가 발생하지 않기 때문에 이에 대한 미분치 및 미분치에 대한 절대값이 일정 기준치를 초과하지 않아서 Detect Stack이 중첩되지 않게 된다. 그로 인해 ShutDown 신호도 발생하지 않는다. 사이리스터 부하도 저항 부하와 마찬가지로 부하 변동의 상태를 아크 상태로 오인하지 않고, 정상 운영하는 것을 확인할 수 있다.

그림. 17. 사이리스터 부하 아크 실험 회로도

Fig. 17. Thyristor Load Arc Experimental Circuit

그림. 18. 사이리스터 부하 변동 실험 회로도

Fig. 18. Thyristor Load Variation Experimental Circuit

그림. 19. 사이리스터 부하를 이용한 실험 결과 (a) 아크 상태 (b) 부하 변동 상태

Fig. 19. Experimental result of Thyristor Load (a) Arc State (b) Load Variation

4. Conclusion

본 논문에서는 저항 부하 및 사이리스터 부하의 직렬 아크 발생 시 증가하는 RF Power 성분을 백그라운드 노이즈의 간섭을 벗어난 영역에서 추출하여 RSSI 전압값으로 변환하고, 이를 통해 아크를 검출하였다.

기존 아크 검출 기법인 전류 파형 분석 방법 및 고조파 분석 방법은 Dimming Lamp에 사용되는 사이리스터 부하와 같은 일부 비선형 부하에서 아크를 검출하기 어렵다는 문제점이 존재했다. 그러나, 고주파 분석 방법을 통해 비선형 부하에서도 아크 검출이 가능한 것을 실험을 통해 검증하였다. 또한, 부하 변동과 같은 전류 변화에도 아크 검출 알고리즘이 오동작하지 않는 것을 실험을 통해 확인하였다.