KR20090095215A - 비선형 부하에서의 아크 검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비선형 부하를 포함하는 전기회로에 있어서 직렬아크를 검출하는 장치에 관한 것으로서, 전원선으로부터 검출된 전압신호에 포함된 고주파 성분만을 통과시키는 고역통과 필터; 상기 고역통과 필터를 통과한 신호의 위상을 시프트하는 위상천이부; 및 상기 고역통과 필터를 통과한 신호에서 상기 위상천이부를 통과한 신호를 감하여 아크 신호를 검출하는 프로세서;를 포함하여 이루어지며, 비선형 부하에서 발생하는 아크를 이와 유사한 정상적인 전기적 신호와 구별하여 검출할 수 있도록 함으로써 아크 발생시에만 회로를 차단할 수 있도록 하여 빈번한 회로 차단에 따른 사용자의 불편을 해소할 수 있다.

아크, 직렬아크, 검출, 비선형 부하, 조광기, 위상천이.

Description

비선형 부하에서의 아크 검출장치{Apparatus for detecting arc in nonlinear load}

본 발명은 전기회로에 있어서 직렬아크를 검출하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비선형 부하에서 직렬아크의 발생 여부를 정확히 판단함으로써 아크에 의한 전기화재 등의 손상을 방지하기 위한 장치에 관한 것이다.

전기회로에서의 아크(arc)는 일반적으로 차단된 도체의 두 종단들 사이, 부하를 공급하는 2개의 도체들 사이, 또는 도체와 접지 사이에서 이온화된 가스를 통하는 전류로서 정의되며, 전기회로에서 고장전류의 경로에 따라 크게 직렬아크(도 1(a))와 병렬아크(도 1(b))로 나눌 수 있다. 직렬아크는 노화된 전선을 잡아당기거나 콘센트의 접속이 느슨하게 고정된 경우 또는 금속성 물체에 전선이 찢겨진 경우 및 잦은 진동에 의해 전선의 소선이 일부 절단된 경우와 같이 단일 도체의 불완전한 연결부위에서 발생한다. 이는 도 1(a)와 같이 부하와 전기적으로 직렬연결이기 때문에 아크전류가 부하에 의해 제한되므로 병렬아크에 비해 에너지 레벨이 작은 특징이 있다.

직렬아크 전류는 수학식 1에서와 같이 부하전류와 같기 때문에 기존의 차단 기의 보호 레벨 범위 내에서 흐르며, 일부 아크와 유사한 부하로 인하여 정상상태로 오인되는 경우가 많아서 아크고장 발생시 신속한 제거가 매우 어렵다.

직렬아크를 검출하기 위한 종래의 방법으로 전원선으로부터 검출된 전압신호를 고역통과 필터에 통과시킨 후 마이크로프로세서를 이용하여 통과한 고주파 신호의 크기를 분석하는 것이 있다.

그런데 위상제어 조광부하와 같은 비선형 부하에서는 정상상태에서도 고주파 성분이 발생하게 되는데, 이러한 경우 종래의 방법을 사용하게 되면 정상상태임에도 직렬아크가 발생하고 있다고 잘못 판단하게 되어 정상적인 상태에서도 회로를 차단해 버리는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 비선형 부하에서 발생하는 신호와 아크를 구별하여 아크가 발생한 경우에만 회로를 차단하도록 하여 직렬아크 고장을 신뢰성 있게 검출할 수 있는 개선된 아크 검출장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 아크 검출장치는, 전원선으로부터 검출된 전압신호에 포함된 고주파 성분만을 통과시키는 고역통과 필터; 상기 고역통과 필터를 통과한 신호의 위상을 시프트하는 위상천이부; 및 상기 고역통과 필터를 통과한 신호에서 상기 위상천이부를 통과한 신호를 감하여 아크 신호를 검출하는 프로세서;를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 아크 검출장치는 비선형 부하에서 발생하는 아크를 이와 유사한 정상적인 전기적 신호와 구별하여 검출할 수 있도록 함으로써 아크 발생시에만 회로를 차단할 수 있도록 하여 빈번한 회로 차단에 따른 사용자의 불편을 해소할 수 있는 효과를 가진다.

이하 본 발명의 구체적인 내용을 출원인이 수행한 실험을 통하여 설명한다.

본 실험의 목적은 각종 부하에서 직렬아크가 발생했을 때 정상상태와 아크상 태의 전기적 특성의 차이를 분석하고, 그 결과로부터 직렬아크의 검출방법을 도출하고자 하는 것이다.

1. 아크신호 검출장치의 구성

실험을 위하여 제작한 아크신호 검출장치는 도 2와 같이 고역통과 필터, 대역통과 필터 및 신호 정형회로로 구성된다. 전원선으로부터 검출된 전압신호는 고역통과 필터회로에 의해 전원주파수 성분이 제거되고 아크 발생에 의한 고유의 고주파 신호만을 통과시킨다. 대역통과 필터회로는 옥내배선의 길이, 선로 임피던스 등을 고려하여 중심주파수를 3~9kHz의 범위로 선정하였다. 또한 신호 정형회로는 후단에 DAQ 또는 마이크로프로세서를 이용하여 아크의 크기, 발생주기 등을 분석하기 위해 적용하였다.

2. 실험계의 구성

실험계는 도 3과 같이 AC 220V 전원에 부하를 연결하고 전원과 부하사이에 아크 발생장치를 직렬로 연결하여 구성하였다. 본 실험은 옥내배선에서 직렬아크의 발생을 검출하는 것이므로, 부하로는 전열기, 진공청소기 및 조광제어 백열전구를 대상으로 실험하였다.

저항성 부하인 전열기의 정상상태와 직렬아크 발생시 전원전압과 고역통과필터의 출력 파형 및 주파수 스펙트럼의 경우, 정상상태에서는 전원전압은 정현파 그대로이며, 필터 출력에는 인지할 만한 신호가 검출되지 않는다.

임의적으로 직렬아크를 발생시켰을 때는 전원전압에는 차이가 없으나, 필터출력에는 직렬아크시 급변하는 전류에 의해 아크방전 펄스가 검출되고, 신호의 크 기와 발생 위상은 일정한 규칙이 없이 무작위로 나타난다.

진공청소기가 인버터에 의해 제어되어도 정상상태에서는 진공청소기 내부의 전원필터로 고주파 성분이 검출되지 않았다. 그러나 직렬아크 상태에서는 저항성 부하에서와는 달리 전원전압에 더 많은 고주파 성분이 포함되어 있었으며, 필터 출력전압의 크기도 100V 이상 나타났다. 이는 인버터 제어와 직렬아크에 의한 전류변화가 중첩되어 나타나는 현상으로 해석된다. 필터 출력전압의 주파수 스펙트럼은 3kHz, 8kHz 및 18~20kHz에 주로 분포하고 있다. 전열부하는 필터의 출력전압만을 측정하여도 직렬아크의 발생을 감지하는데 문제가 없다. 그러나 직렬아크 검출시 오동작 또는 정상상태에서도 고주파 성분을 발생시키는 부하가 있으며, 대표적인 것이 위상제어 조광부하이다.

따라서 본 발명에서는 위상제어방식의 조광기(Dimmer)로 직렬 제어되는 백열전구를 대상으로 정상 및 아크상태를 실험하여 특징을 분석하고, 전열기 및 진공청소기의 결과와 비교하여 직렬아크의 검출기법을 제시하고자 한다.

도 4는 정상 및 직렬아크 상태에서 조광기에 의해 위상제어되는 백열전구의 파형이다. 조광기의 위상각은 전류의 변화율이 가장 큰 위상 즉, HPF의 출력전압이 가장 크게 나타나는 위상으로 고정하였으며, 이때의 전압, 전류, 필터의 출력 및 주파수 스펙트럼을 분석하였다.

부하전류의 급격한 변화로 동 위상에서 필터 출력이 나타나고 있음에도 전원전압에는 어떠한 영향이 보이지 않으며, 필터의 출력전압은 일정한 주기로 나타나고 있다. 이와 같이 백열전구가 정상상태에서 전류변화가 큰 위상각에서 제어될 때, 필터의 출력전압이 전열기의 직렬아크 상태에서 나타나는 전압과 유사함을 알 수 있다. 즉, 전등부하가 위상제어로 조광되고 있는 경우, 필터의 출력 전압의 크기로 직렬아크의 발생을 판단하면 정상상태임에도 불구하고 부하에서 직렬아크가 발생하고 있다고 오판할 수 있다.

동일한 위상제어 조건에서 조광부하의 직렬아크 모의시에는 도 4(b)와 같이 정상상태와 비교하여 필터의 출력전압에 고주파 성분이 현저히 증가하였을 뿐만 아니라, 전원전압에서도 많은 고주파 성분이 관측된다. 또한 주파수 스펙트럼 분석결과에서는 정상상태와 비교하여 구분되는 특징은 없었다.

이상의 실험결과로부터, 직렬아크의 검출은 전원전압의 주파수 분석이나 전원선에 병렬로 고역통과필터를 설치함으로써 고주파 성분만을 검출하여 정상상태와 직렬아크상태를 구분할 수 있음을 알 수 있다. 그러나 위상제어부하가 동작중일 경우에는 정상상태에서도 직렬아크가 발생하고 있다고 오판할 수 있다. 이러한 경우는 고역통과필터로 전원전압에 포함된 고주파 성분만을 검출하고, 주파수 분석과 펄스의 주기성을 비교하면 비선형 부하에서도 신뢰성 있는 판단이 가능하다.

3. 아크 판별 알고리즘

고역통과필터를 이용하여 전원전압에 포함된 아크의 고주파 성분을 검출하는 방법은 회로의 구성을 단순화 할 수 있는 장점이 있지만 실제 정상적인 부하특성이 아크와 유사한 고주파 성분을 포함한다면 부하의 전기적 신호와 아크방전 신호를 구분하기가 어렵다.

본 발명에서는 직렬아크의 검출 신뢰도를 향상시키기 위해 위상천이법을 적 용하였으며, 기본적인 원리는 도 5에 나타난 바와 같이 신호에 전기적 혹은 기계적인 방법으로 위상 차이를 발생시켜 신호를 분리시키는 것으로서, 예를 들어 인덕터나 캐패시터와 같은 집중소자를 이용하여 전기적으로 위상차이를 발생시키거나 선로의 길이를 바꿈으로써 위상 차이를 발생시킬 수 있다.

비선형 부하에 의해 발생한 고주파 성분은 아크 발생에 의한 무질서한 방전신호와는 달리 일정한 주기와 반복성을 갖는다. 따라서 아크신호가 혼합되어 있는 부하전압 신호와 위상을 천이시킨 신호를 서로 소거하면 주기적인 신호성분은 상쇄되고 무작위로 발생한 아크신호만 남는다. 이 방법은 아크신호가 서로 위상이 겹치지 않는다면 최대 2배의 신호를 얻을 수 있는 장점도 있다.

본 발명에서는 위상천이법의 적용 가능성을 확인하기 위하여, 오실로스코프로 측정한 신호를 PC로 전송하였으며 수학식 2를 이용하여 연산한 뒤 아크신호만을 도출하였다.

본 발명에서는 조광기에 의해 제어되는 백열전구 부하에 대하여 정상상태와 아크상태를 구분할 수 있는 방법을 제시하였다. 이 방법을 이 발명에서는 위상천이법이라고 정의하였으며, 이는 고역통과 필터회로를 통하여 검출된 신호와 위상천이회로를 이용하여 한 주기만큼 shift한 뒤 서로 소거시키면 위상제어를 통하여 발생 하는 주기적인 성분이 제거되고 직렬아크 발생 시 무질서하게 나타나는 아크신호만을 검출하는 것이다.

도 6(a)는 도 4에서 측정한 필터 출력전압에 대하여 DSO(digital storage oscilloscope)를 통하여 취득한 데이터를 PC로 전송하여 위상천이법을 적용한 예를 나타낸 것이다.

직렬아크가 발생하지 않은 정상상태의 출력이지만 위상제어에 의해 전압이 차단되는 순간마다 고역통과 필터회로를 통하여 고주파 펄스전압이 발생하고 있으며, 그 크기 및 발생빈도가 전압의 주기마다 일정한 패턴을 이루고 있다. 따라서 위상천이법을 적용하면 그림에서와 같이 주기적으로 일정하게 발생하는 전압성분은 서로 상쇄되므로 필터의 출력전압이 감소된 것을 확인할 수 있다.

도 6(b)는 아크발생장치를 이용하여 임의적으로 직렬아크를 발생했을 때를 나타낸 것이다. 위상제어에 의해 필터의 출력은 일정한 주기적인 성분뿐만 아니라 직렬아크 발생에 따른 산발적인 아크신호도 함께 검출되었다. 도 6에서와 같이 위상천이법을 적용하자 필터의 출력은 주기적인 성분은 감소되고 직렬아크에 의한 무작위의 고주파 성분은 서로 더해져 증가되었다.

이와 같이 정상상태시 발생하는 주기적인 고역통과 필터회로의 출력에 위상천이법을 적용하여 조광기에 의해 제어되는 비선형 부하에서도 직렬아크 발생 유무 판별이 가능하게 되었다.

도 1은 전기회로에서 아크의 종류를 나타내는 도면.

도 2는 아크신호 검출장치의　구성도.

도 3은 아크 발생 검출을 위한 실험계의 구성도.

도 4는 정상 및 직렬아크 상태에서 조광기에 의해 위상제어되는 백열전구의 파형도.

도 5는 본 발명에서의 위상천이법의 원리를 나타내는 설명도.

도 6은 정상상태와 직렬아크 발생시 본 발명에서의 위상천이법을 적용하여 취득한 파형도.

Claims (1)

1. 일정한 주기와 반복성을 갖는 비선형 부하에서 발생한 고주파 성분과 무작위로 발생한 아크 성분이 혼합되어 있는 신호에서 위상을 천이시킨 신호를 소거하여 아크 신호만을 검출하는 장치로서,

   전원선으로부터 검출된 전압신호에 포함된 고주파 성분만을 통과시키는 고역통과 필터;

   상기 고역통과 필터를 통과한 신호의 위상을 시프트하는 위상천이부; 및

   상기 고역통과 필터를 통과한 신호에서 상기 위상천이부를 통과한 신호를 감하여 아크 신호를 검출하는 프로세서;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 비선형 부하에서의 아크 검출장치.

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