KR20240047560A

KR20240047560A - 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치

Info

Publication number: KR20240047560A
Application number: KR1020220126735A
Authority: KR
Inventors: 조성철
Original assignee: 조성철
Priority date: 2022-10-05
Filing date: 2022-10-05
Publication date: 2024-04-12

Abstract

본 발명에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치는 전원시스템의 종류에 따라 직류전원시스템과 교류전원시스템으로 구분하고, 구분된 전원시스템 별로 전원시스템의 특성에 따라 아크 사고 기준값을 자동으로 설정하는 아크 사고 기준값 설정 모듈, 아크 사고를 검출하기 위한 유효주파수 범위를 설정하고, 상기 유효주파수 범위를 복수의 분할주파수 구간으로 분할하는 주파수구간 분할 모듈, 상기 분할주파수 구간별로 전력 스펙트럼밀도를 계산하고, 상기 분할주파수 구간별로 상기 전력 스펙트럼밀도의 평균값인 평균전력 스펙트럼밀도를 도출하는 아크에너지 계산 모듈, 그리고 상기 분할주파수 구간별 상기 평균전력 스펙트럼밀도를 상기 아크 사고 기준값 설정 모듈에서 자동으로 설정된 상기 아크 사고 기준값과 비교하여 비정상적인 아크를 검출하는 비정상 비정상 아크 검출 모듈을 포함한다. 이를 통해서, 본 발명은 아크 사고의 오검출과 미검출 조건을 최소화하고, 아크 검출기의 검출 성공률을 증가시켜 아크 사고를 효과적으로 검출하고 차단할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치{ABNORMAL ARC DETECTING DEVICE TO IMPROVE A RELIABILITY OF ABNORMAL ARC DETECTION}

본 발명은 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치 및 이를 이용한 비정상 아크 검출 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전원시스템에는 220V의 전압을 이용하여 동작되는 다양한 부하가 직병렬로 연결되어 있다. 그리고, 정상 상태인 경우에는 안전하게 전기를 사용할 수 있지만, 여러가지 원인으로 인해서 다양한 사고가 발생하게 된다.

특히, 보호가 필요한 사고는 단락사고, 지락사고, 아크 사고가 가장 대표적이다. 단락사고와 지락사고의 경우 차단기와 같은 보호장비로 사고에 대비하고 있지만, 아크 사고의 경우 그 대책에 대한 신뢰성이 부족한 상황이다.

이러한 아크 사고는 전로의 손상이나 노화, 커넥터의 느슨해짐 등으로 인해 발생한다. 아크 사고가 발생하면 신속하게 조치하지 않을 경우 아크에서 발생하는 높은 에너지로 인해 화재 사고가 발생할 수 있다. 또한, 이로 인해 심각한 인명 및 재산피해를 일으킬 수 있기 때문에, 아크 사고에 대한 대책이 필요하다.

재래시장에서의 화재는 꾸준히 발생하고 있다. 또한, 최근에는 태양광 발전 시스템에서도 화재사고가 발생하고 있다. 해당 화재의 원인은 전기사고에 의한 화재이며 특히, 아크에 의한 원인으로 나타나고 있다.

이러한 아크 사고에 대한 대책으로 아크 검출기를 통해 아크를 검출할 수 있으며, 지금까지 아크를 검출하는 다양한 방법이 제안되었다. 예를 들어, 대표적인 방법으로는 광센서를 이용하는 방법, 온도센서를 이용하는 방법, 압력의 변화를 감지하는 방법, 음향신호를 감지하는 방법, 전기신호를 감지하는 방법 등이 있다.

그 중에서도 분기된 영역의 전원시스템 내에서의 아크 사고를 감지하는 방법으로는 전기신호를 감지하는 방법이 제일 효과적이다. 전기신호를 감지하는 방법은 전원시스템의 전압 혹은 전류를 측정하여 해당 신호의 변화에 기반을 둔 검출법이다.

하지만 기존의 방법들은 아크 사고를 검출함에 있어 신뢰성 문제로 인하여 현장에 적용되는데 많은 문제점과 한계를 갖고 있다. 이에 따라 아크 사고를 검출하는데 있어서 오검출 혹은 미검출 비율을 최소화하고, 아크 검출에 대한 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있는 아크 검출 방법 및 장치가 요구되고 있는 실정이다.

또한, 기존의 방법들이 사용하고 있는 아크 사고 검출기 혹은 아크 차단기의 경우 아크 사고 검출에 대한 오검출 및 미검출 확률이 매우 높아 아크 차단기 동작의 신뢰성이 상대적으로 낮은 것이 사실이다.

예를 들어, 전원시스템에 연결된 기기 내부의 반도체 소자 혹은 단순 동작 스위치 등의 동작에 의해서 아크 사고가 아님에도 아크 사고로 검출되는 것이 오검출이며, 아크 사고가 발생했음에도 아크 사고로 검출하지 못하는 것이 미검출이다.

기존의 아크차단기는 다양한 방법으로 아크 사고를 검출하고 있으며, 가장 많이 사용하고 있는 것이 주파수 대역의 전력스펙트럼밀도(PSD)를 이용하여 아크 사고를 검출하고 있다.

하지만, 기존의 방법들은 전원시스템에 연결되는 대부분의 부하들, 예를 들어 PC, TV, 냉장고, LED조명 등은 AC전압을 DC전압으로 변경하는 반도체 소자들을 사용하고 있어서 아크 사고 특성과 유사한 PSD 특성이 보이거나, 유효주파수 범위에서 높은 PSD 특성이 나타나 오검출 확률이 상승하게 된다.

또한, 기존의 방법들은 아크차단기가 설치된 분전반에서 부하까지 연결되는 전원선의 길이가 길어지는 경우 또는 끝단에 위치한 부하 인근에서 발생하는 아크 사고의 경우 아크 사고가 발생하여도 아크 사고를 감지하지 못하는 미검출 확률이 상승하게 된다.

특히, 태양광발전소의 경우 인버터에 의한 PSD 특성은 정상상태의 PSD 크기를 증가시키는 효과가 나타나기 때문에 이를 고려하여 아크 사고를 검출하는 방법 혹은 알고리즘이 필요한 실정이다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명은 AC전원시스템 혹은 태양광발전시스템과 같은 DC전원시스템에서 발생할 수 있는 아크 사고를 구별하되, SMPS, 인버터 등과 같은 스위칭 소자를 포함하는 부하, 혹은 스위치, 차단기 등에 의해 발생하는 전기신호와 아크 사고 신호를 효과적으로 구별하여, 아크 사고가 아닌 경우를 아크 사고로 감지하는 오검출을 최소화할 수 있는 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치 및 비정상 아크 검출 방법을 제안하고자 한다.

본 발명의 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치는 전원시스템의 종류에 따라 직류전원시스템과 교류전원시스템으로 구분하고, 구분된 전원시스템 별로 전원시스템의 특성에 따라 아크 사고 기준값을 자동으로 설정하는 아크 사고 기준값 설정 모듈, 아크 사고를 검출하기 위한 유효주파수 범위를 설정하고, 상기 유효주파수 범위를 복수의 분할주파수 구간으로 분할하는 주파수구간 분할 모듈, 상기 분할주파수 구간별로 전력 스펙트럼밀도를 계산하고, 상기 분할주파수 구간별로 상기 전력 스펙트럼밀도의 평균값인 평균전력 스펙트럼밀도를 도출하는 아크에너지 계산 모듈, 그리고 상기 분할주파수 구간별 상기 평균전력 스펙트럼밀도를 상기 아크 사고 기준값 설정 모듈에서 자동으로 설정된 상기 아크 사고 기준값과 비교하여 비정상적인 아크를 검출하는 비정상 비정상 아크 검출 모듈을 포함한다.

상기 아크 사고 기준값 설정 모듈은, 상기 전원시스템의 종류, 상기 전원시스템에 포함된 부하의 개수, 아크 검출기 혹은 차단기가 설치되는 전원시스템 내에서의 전원선 길이, 상기 전원시스템에 연결되는 부하의 종류에 따라서 상기 아크 사고 기준값을 자동으로 설정하는 아크 사고 기준값 설정부를 포함할 수 있다.

상기 아크 사고 기준값 설정부는, 상기 전원시스템이 태양광발전소의 경우 상기 태양광발전소의 발전용량, 상기 태양광발전소에 포함된 인버터의 종류, ESS용 배터리의 설치 유무, 또는 케이블의 길이에 따라서 상기 아크 사고 기준값을 자동으로 설정할 수 있다.

상기 아크 사고 기준값 설정 모듈은, 단일 아크 사고 유발소자의 종류와 개수를 분석하고, 상기 단일 아크 사고 유발소자의 단순 동작에 의해 발생되는 단일성 아크의 빈도와 아크에너지를 일, 주, 월별 단위로 분석하여 단일 아크에 대한 정보를 데이터화하는 단일 아크 분석부를 더 포함할 수 있다.

상기 단일 아크 사고 유발소자는, 부하의 동작에 따라 스위치의 켜고 끄고 하는 과정에서 발생하는 단일성 아크를 유발하는 단순 부하를 포함하며, 단일성으로 전기를 사용하기 위해 동작하는 조명용 스위치, AC를 DC로 변경하는 SMPS와 같이 기기 내부에 설치되어 있는 스위칭 반도체 소자를 포함할 수 있다.

상기 전원시스템의 아크 사고 검출 시간과 아크 사고 전류의 상기 평균전력 스펙트럼밀도의 상관 관계를 분석하는 분석 모듈을 더 포함할 수 있다.

상기 분석 모듈은, 상기 전원시스템의 종류에 따라 최적의 상기 아크 사고 검출 시간을 선택하는 측정시간 선택부를 포함할 수 있다.

상기 아크에너지 계산 모듈은, 아크에너지에 따른 화재 사고 발생 가능성에 대한 특성을 기반으로 아크 검출기에서 아크 사고 발생시 아크에너지를 산출할 수 있다.

상기 아크에너지 계산 모듈은, 아크에너지가 설정값 이상이 되는 경우 아크 차단기를 동작하여 아크 사고가 발생한 전원회로를 차단하여 화재를 사전에 예방하는 화재 예방부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 전원시스템의 종류에 따라 직류전원시스템과 교류전원시스템으로 구분하고, 구분된 전원시스템 별로 전원시스템의 특성에 따라 아크 사고 기준값을 자동으로 설정한 후 아크 사고를 검출하기 위한 유효주파수 범위를 설정하고, 유효주파수 범위를 복수의 분할주파수 구간으로 분할하며, 전원시스템의 스위칭 소자에 의해 발생하는 전기신호에 의한 스위칭주파수 대역을 분석하고, 각각의 분할주파수 구간별로 평균전력 스펙트럼밀도를 구해서 아크를 검출함으로써, 아크 사고의 오검출과 미검출 조건을 최소화하고, 아크 검출기의 검출 성공률을 증가시켜 아크 사고를 효과적으로 검출하고 차단할 수 있는 환경을 제공한다.

또한, 본 발명은 단일 아크 사고 유발소자의 종류와 개수를 분석하고, 상기 단일 아크 사고 유발소자의 단순 동작에 의해 발생되는 단일성 아크의 빈도와 아크에너지를 일, 주, 월별 단위로 분석하여 단일 아크에 대한 정보를 데이터화함으로써, 아크 사고의 오검출과 미검출 조건을 최소화할 수 있는 환경을 제공한다.

또한, 본 발명은 아크에너지에 따른 화재 사고 발생 가능성에 대한 특성을 기반으로 아크 검출기에서 아크 사고 발생시 아크에너지를 산출하고, 아크에너지가 설정값 이상이 되는 경우 아크 차단기를 동작하여 아크 사고가 발생한 전원회로를 차단함으로써, 아크 사고로 인한 화재를 사전에 예방할 수 있는 환경을 제공한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전원시스템의 비정상 아크 검출 및 차단 시스템을 간략히 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 한 실예에 따라 전원시스템의 종류에 따라 아크 사고 기준값을 자동으로 설정한 후 전원시스템의 전류신호를 측정하고, 측정된 전류신호를 데이터 처리한 후에 전력 스펙트럼밀도를 계산하여 아크를 검출하는 과정을 간략히 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따라 전원의 종류와 전원별 적용 요소에 따른 아크 사고 기준값을 자동으로 산정하는 예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따라 단일 아크 사고 유발소자의 종류와 개수를 분석하고, 상기 단일 아크 사고 유발소자의 단순 동작에 의해 발생되는 단일성 아크의 빈도와 아크에너지를 일, 주, 월별 단위로 분석하여 단일 아크에 대한 정보를 데이터화하는 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따라 아크 사고에 의한 축적된 아크 에너지와 화재사고 가능성에 대한 예를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실예에 따라 전원시스템의 종류에 따라 아크 사고 기준값을 자동으로 설정한 후 비정상 아크를 검출하는 과정을 간략히 도시한 흐름도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이에 앞서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이제 도 1 내지 도 7을 참고하여 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치 및 비정상 아크 검출 방법에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전원시스템의 비정상 아크 검출 및 차단 시스템을 간략히 도시한 도면이다. 이때, 비정상 아크 검출 및 차단 시스템(10)은 본 발명의 실시예에 따른 설명을 위해 필요한 개략적인 구성만을 도시할 뿐 이러한 구성에 국한되는 것은 아니다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출 및 차단 시스템(10)은 전원시스템(20)에서 발생하는 아크 사고로 인한 화재로 인하여 인명과 재산을 보호하기 위해서 사전에 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)를 통해 비정상적인 아크전류를 검출한다.

여기서, 아크(Arc)는 전원시스템(20)의 전극에서 일부 휘발현상이 수반되며 절연체 사이에서 연속적으로 빛을 발하는 방전현상을 말하며, 정상적인 아크와 비정상적인 아크를 포함한다.

그리고, 정상적인 아크는 전등 스위치나 전동기의 정상적인 동작에서도 발생할 수 있으며, 이는 주위 가연물을 점화 시키지 못하도록 격리되어 있다. 하지만, 비정상적인 아크는 열화된 전선과 배전 계통에서 발생할 수 있으며, 주로 도체간의 공극, 전선의 절연체 등에서 발생하고 전원시스템(20)의 절연을 파괴하여 아크 사고를 유발할 수 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 주파수 분할법을 이용한 비정상 비정상 아크 검출 장치(100)는 전원시스템의 종류에 따라 직류전원시스템과 교류전원시스템으로 구분하고, 구분된 전원시스템 별로 전원시스템의 특성에 따라 아크 사고 기준값을 자동으로 설정할 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 한 실시예에 따른 주파수 분할법을 이용한 비정상 비정상 아크 검출 장치(100)는 상기 전원시스템의 종류, 상기 전원시스템에 포함된 부하의 개수, 아크 검출기 혹은 차단기가 설치되는 전원시스템 내에서의 전원선 길이, 상기 전원시스템에 연결되는 부하의 종류에 따라서 상기 아크 사고 기준값을 자동으로 설정할 수 있다.

따라서, 본 발명의 한 실시예에 따른 주파수 분할법을 이용한 비정상 비정상 아크 검출 장치(100)는 AC전원시스템 혹은 태양광발전시스템과 같은 DC전원시스템에서 발생할 수 있는 아크 사고를 SMPS, 인버터 등과 같은 스위칭 소자를 포함하는 부하, 혹은 스위치, 차단기 등에 의해 발생하는 전기신호와 아크 사고 신호를 효과적으로 구별하여, 아크 사고가 아닌 경우에 아크 사고로 감지하는 오검출을 최소화할 수 있다.

그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 주파수 분할법을 이용한 비정상 비정상 아크 검출 장치(100)는 아크 사고를 검출하기 위한 유효주파수 범위를 설정하고, 상기 유효주파수 범위를 복수의 분할주파수 구간으로 분할할 수 있다.

그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출 장치(100)는 상기 분할주파수 구간별로 전력 스펙트럼밀도 및 상기 전력 스펙트럼밀도의 평균값인 평균전력 스펙트럼밀도를 계산하고, 상기 분할주파수 구간별 상기 평균전력 스펙트럼밀도를 아크 사고 기준값과 비교하여 비정상적인 아크를 검출할 수 있다.

이때, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출 장치(100)는 상기 전원시스템(20)과 연결된 부하(40)의 스위칭 소자에 의해 발생하는 전기신호의 스위칭주파수 대역을 분석하고, 상기 스위칭주파수 대역을 상기 복수의 분할주파수 구간과 비교분석할 수 있다. 여기서, 상기 스위칭주파수 대역은 상기 전원시스템(20)과 연결된 부하(40)의 스위칭 소자에 의해 발생하는 전기신호의 주파수 대역을 포함한다.

그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출 장치(100)는 상기 스위칭주파수 대역을 포함하는 분할주파수 구간의 가중치를 낮게 설정하고, 상기 스위칭주파수 대역을 포함되지 않은 분할주파수 구간의 가중치를 높게 설정하여 상기 평균전력 스펙트럼밀도를 보정할 수 있다.

즉, 전원시스템에서 스위칭 소자에 의해 발생하는 전기신호와 아크 사고 신호를 구별해야 한다. 위와 같은 과제를 해결하기 위해서 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 전원시스템에서 발생하는 아크 사고 신호를 검출하기 위한 방법에 있어서 유효주파수 범위를 복수개의 분할주파수 구간으로 분할하는 주파수 분할법을 적용하였다.

예를 들어, 전원에 흐르는 전류 신호를 측정하여 퓨리에변환을 통하여 주파수 스펙트럼을 분석하는 방법이 아크 사고 검출방법에 주로 사용된다. 측정된 전류신호의 주파수스펙트럼은 0 내지 1kHz, 1kHz 내지 10kHz, 10kHz 내지 100kHz, 100kHz 내지 1MHz, 1MHz 이상의 대역으로 구분될 수 있다.

여기서, 0 내지 1kHz 대역에 해당하는 밴드는 정상상태와 사고상태 데이터의 차이가 커 아크 검출에 활용도가 높을 것으로 쉽게 예상할 수 있지만 상용전원으로부터 발생하는 60Hz 고조파 노이즈의 영향에 취약하기 때문에 아크 사고 검출에 부적합할 수 있다.

또한, 1kHz 내지 10kHz에 해당하는 대역은 정상상태와 아크 사고 데이터 간에 평균 -20dB의 데이터 차이가 보통 발생하여 아크 검출에 활용도가 높을 것으로 판단되지만 수 kHz의 구동 주파수를 가지는 전동기와 같은 전기기기의 영향을 받게 되어 아크 검출에 적합하지 않을 수 있다.

그리고, 10kHz 내지 120kHz에 해당하는 대역은 아크 사고에서 정상상태에 비해 전력스펙트럼 밀도가 크게 상승하기 때문에 아크 검출에 활용될 수 있다. 하지만 직류전원 시스템에서 전력변화기의 구동주파수가 해당 주파수 대역에 해당될 가능성이 높아 이에 대한 대책이 필요하다.

또한, 120kHz 내지 1MHz의 대역은 EMI(Electromagnetic Interference) 규제에 해당하는 주파수 대역이며 노이즈 성분을 많이 포함하고 있어 아크 검출에는 부적합할 수 있다.

그리고, 1MHz 이상의 대역 역시 노이즈 성분과 해당 신호를 얻기 위한 ADC의 성능이 고사양이 요구되기 때문에 효율성이 떨어지는 단점이 있다.

이와 같은 상황에서 많은 양의 주파수 스펙트럼 데이터에서 유효 데이터를 선정하는 과정이 필요하며, 아크 사고 검출을 위해 적합한 주파수 대역을 1차적으로 10kHz 내지 120kHz의 대역으로 선정하였다.

따라서, 전류신호에서 아크 사고를 검출는 방법으로는 10kHz 내지 120kHz 범위의 주파수 스펙트럼 신호에 대한 평균전력 스펙트럼밀도를 이용하여 아크 사고 여부를 판별할 수 있다. 하지만, 이런 경우 특정 기기(전력변환기 등)에서 동작 주파수가 중첩된 경우 아크 사고 오작동이 발생하는 경우가 발생하는 단점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 주파수 분할법을 적용할 수 있다. 관심 주파수 범위인 10kHz 내지 120kHz 범위까지의 전체 전력 스펙트럼밀도에 대한 평균을 구하는 것이 아니라 유효주파수 범위를 복수개의 분할주파수 구간으로 나누고, 분할주파수 구간별 아크 사고 기준값을 초과하는지 여부를 확인하여 아크 사고 또는 비정상 아크를 검출할 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 유효분할주파수 구간을 본 발명의 한 실시예에 따라 10kHz 내지 20kHz, 20kHz 내지 40kHz, 40kHz 내지 60kHz, 60kHz 내지 80kHz, 80kHz 내지 100kHz, 100kHz 내지 120kHz로 나눌 수 있다.

그리고, 본 발명의 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 6개 분할주파수 구간에 대한 전력스펙트럼 밀도의 평균값을 각각 구한다. 이후, 본 발명의 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 각각의 전력스펙트럼 밀도 평균값인 평균전력 스펙트럼밀도를 아크 사고 기준값과 비교하여 아크 사고 기준값을 초과하는지 여부를 확인한다. 예를 들어, 6개 분할주파수 구간 중에서 기준값을 초과하는 구간이 3개 이상인 경우 아크 사고로 판단할 수 있다.

그리고 나서, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출 및 차단 시스템(10)은 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)를 통해 비정상적인 아크전류를 검출한 경우에 아크 차단 장치(30)를 통해 전원시스템(20)의 회로에 흐르는 아크전류를 차단함으로써, 아크 사고를 방지하여 분기된 전원시스템 내에서 초기에 발생하는 아크 사고 검출의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 주파수 분할법을 이용한 비정상 비정상 아크 검출 장치(100)는 단일 아크 사고 유발소자의 종류와 개수를 분석하고, 상기 단일 아크 사고 유발소자의 단순 동작에 의해 발생되는 단일성 아크의 빈도와 아크에너지를 일, 주, 월별 단위로 분석하여 단일 아크에 대한 정보를 데이터화함으로써, 아크 사고의 오검출과 미검출 조건을 최소화할 수 있다.

그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 주파수 분할법을 이용한 비정상 비정상 아크 검출 장치(100)는 아크에너지에 따른 화재 사고 발생 가능성에 대한 특성을 기반으로 아크 검출기에서 아크 사고 발생시 아크에너지를 산출하고, 아크에너지가 750 J 이상이 되는 경우 아크 차단기를 동작하여 아크 사고가 발생한 전원회로를 차단하여 화재를 사전에 예방할 수 있다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다. 이때, 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 본 발명의 실시예에 따른 설명을 위해 필요한 개략적인 구성만을 도시할 뿐 이러한 구성에 국한되는 것은 아니다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 제어모듈(110), 전류신호 측정모듈(120), 아크 사고 기준값 설정 모듈(130), 분석모듈(140), 주파수구간 분할 모듈(150), 아크에너지 계산 모듈(160), 그리고 비정상 아크 검출 모듈(170)을 포함한다.

상기 제어모듈(110)은 상기 전원시스템(20)의 종류에 따라 직류전원시스템과 교류전원시스템으로 구분하고, 구분된 전원시스템 별로 전원시스템의 특성에 따라 아크 사고 기준값을 자동으로 설정한 후 상기 전원시스템(20)에 흐르는 전류신호를 측정하여 분할주파수 구간별 전력 스펙트럼밀도를 계산하고, 분할주파수 구간별 상기 전력 스펙트럼밀도의 평균값인 평균전력 스펙트럼밀도를 도출하며, 상기 평균전력 스펙트럼밀도를 분석하여 아크 사고 기준값과 비교하여 정상 아크 또는 비정상 아크를 검출하도록 상기 각부의 동작을 제어할 수 있다.

상기 전류신호 측정모듈(120)은 전류센서(122)를 이용하여 전원시스템(20)에 흐르는 전류신호를 측정한다. 상기 전류센서(122)는 로고스키코일 형태의 전류센서를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 전류센서(122)는 상용주파수 범위부터 최대 1MHz 범위까지의 성능을 갖는 제품이 적용될 수 있다. 또한, 전류센서(122)는 아크 사고를 검출하고자 하는 분기된 전원시스템(20)의 한 개 선로에 연결될 수 있다.

상기 아크 사고 기준값 설정 모듈(130)은 전원시스템의 종류에 따라 직류전원시스템과 교류전원시스템으로 구분하고, 구분된 전원시스템 별로 전원시스템의 특성에 따라 아크 사고 기준값을 자동으로 설정할 수 있다.

상기 아크 사고 기준값 설정 모듈(130)은 상기 전원시스템의 종류, 상기 전원시스템에 포함된 부하의 개수, 아크 검출기 혹은 차단기가 설치되는 전원시스템 내에서의 전원선 길이, 상기 전원시스템에 연결되는 부하의 종류에 따라서 상기 아크 사고 기준값을 자동으로 설정할 수 있다.

상기 아크 사고 기준값 설정 모듈(130)은 상기 전원시스템이 태양광발전소의 경우 상기 태양광발전소의 발전용량, 상기 태양광발전소에 포함된 인버터의 종류, ESS용 배터리의 설치 유무, 또는 아크 검출기 혹은 차단기까지의 케이블의 길이 등에 따라서 상기 아크 사고 기준값을 자동으로 설정할 수 있다.

상기 아크 사고 기준값 설정 모듈(130)은 단일 아크 사고 유발소자의 종류와 개수를 분석하고, 상기 단일 아크 사고 유발소자의 단순 동작에 의해 발생되는 단일성 아크의 빈도와 아크에너지를 일, 주, 월별 단위로 분석하여 단일 아크에 대한 정보를 데이터화하고, 데이터화된 아크에 대한 정보를 기초로 상기 아크 사고 기준값을 자동으로 설정할 수 있다.

또한, 상기 아크 사고 기준값 설정 모듈(130)은 상기 전류신호 측정모듈(120)에서 전류신호에 포함된 노이즈를 제거하고, 아날로그 전류신호를 디지털 전류신호로 변환한다.

그리고, 상기 아크 사고 기준값 설정 모듈(130)은 본 발명의 한 실시예에 따른 노이즈 제거부(132), 신호 변환부(134), 아크 사고 기준값 설정부(136), 그리고 단일 아크 분석부(138)를 포함할 수 있다.

상기 노이즈 제거부(132)는 고역필터를 포함하며, 상기 전류센서(122)로 측정된 전류신호에 포함된 높은 주파수 성분의 노이즈를 제거할 수 있다. 예를 들어, 상기 고역필터는 저항, 인덕터, 및 콘덴서 등의 수동소자를 이용한 하드웨어 필터로 구성될 수도 있으며, 필요에 따라 소프트웨어 필터가 적용될 수도 있다.

상기 신호 변환부(134)는 상기 노이즈 제거부(132)에서 필터처리된 아날로그 전류신호를 디지털 전류신호로 변환할 수 있다. 이는 아크 사고 검출을 위해서 퓨리에 변환과 데이터 처리를 위해 필요한 부분이다.

그리고, 상기 신호 변환부(134)는 시간 영역의 상기 디지털 전류신호를 주파수영역의 전류신호로 변환할 수 있다. 즉, 상기 디지털 전류신호는 퓨리에 변환을 통해서 주파수영역의 전류신호로 변경될 수 있다. 그리고, 이를 통해서 상기 아크에너지 계산 모듈(160)은 상기 퓨리에 변환을 통해 얻어진 전류신호의 전력 스펙트럼밀도 및 상기 전력스펙트럼 밀도의 평균값을 계산할 수 있다.

상기 아크 사고 기준값 설정부(136)는 전원시스템의 종류에 따라 직류전원시스템과 교류전원시스템으로 구분하고, 구분된 전원시스템 별로 전원시스템의 특성에 따라 아크 사고 기준값을 자동으로 설정할 수 있다.

상기 아크 사고 기준값 설정부(136)는 상기 전원시스템의 종류, 상기 전원시스템에 포함된 부하의 개수, 아크 검출기 혹은 차단기가 설치되는 전원시스템 내에서의 전원선 길이, 상기 전원시스템에 연결되는 부하의 종류에 따라서 상기 아크 사고 기준값을 자동으로 설정할 수 있다.

상기 아크 사고 기준값 설정부(136)는 상기 전원시스템이 태양광발전소의 경우 상기 태양광발전소의 발전용량, 상기 태양광발전소에 포함된 인버터의 종류, ESS용 배터리의 설치 유무, 및 케이블의 길이에 따라서 상기 아크 사고 기준값을 자동으로 설정할 수 있다.

상기 아크 사고 기준값은 아크 사고를 판단하는 기준치가 되기 때문에 아크 사고의 오검출 및 미검출과 직접적인 관계가 있기 때문에, 전원시스템 별로 적용되는 환경에 따른 적절한 크기의 상기 아크 사고 기준값의 결정을 통하여 아크사고 검출의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

상기 단일 아크 분석부(138)는 단일 아크 사고 유발소자의 종류와 개수를 분석하고, 상기 단일 아크 사고 유발소자의 단순 동작에 의해 발생되는 단일성 아크의 빈도와 아크에너지를 일, 주, 월별 단위로 분석하여 단일 아크에 대한 정보를 데이터화할 수 있다.

여기서, 상기 단일 아크 사고 유발소자는 부하의 동작에 따라 스위치의 켜고 끄고하는 과정에서 발생하는 단일성 아크를 유발하는 단순 부하를 포함하며, 단일성으로 전기를 사용하기 위해 동작하는 조명용 스위치, AC를 DC로 변경하는 SMPS와 같이 기기 내부에 설치되어 있는 스위칭 반도체 소자를 포함할 수 있다.

상기 분석모듈(140)은 아크검출 알고리즘을 이용하여 유효주파수 범위에서 아크전류의 크기, 아크전류가 검출된 시간 간격 및, 아크전류의 지속시간을 분석한다. 그리고, 이를 통해서 상기 분석모듈(140)은 상기 전원시스템을 정상동작시키는 정상적인 아크전류와 상기 전원시스템의 절연을 파괴하여 아크 사고를 유발할 수 있는 비정상적인 아크전류를 구별할 수 있다.

그리고, 상기 분석모듈(140)은 상기 전원시스템의 아크 사고 검출 시간과 아크 사고 전류의 상기 평균전력 스펙트럼밀도의 상관 관계를 분석할 수 있다.

그리고, 상기 분석모듈(140)은 본 발명의 한 실시예에 따른 아크전류 분석부(142), 아크전류 판별부(144), 그리고 측정시간 선택부(146)를 포함할 수 있다.

상기 아크전류 분석부(142)는 아크검출 알고리즘을 이용하여 유효주파수 범위에서 아크전류의 크기, 아크전류가 검출된 시간 간격 및, 아크전류의 지속시간 등을 분석할 수 있다.

상기 아크전류 판별부(144)는 상기 아크전류 분석부(142)의 분석 결과를 이용하여 상기 전원시스템(20)을 정상동작시키는 정상적인 아크전류와 상기 전원시스템의 절연을 파괴하여 아크 사고를 유발할 수 있는 비정상적인 아크전류를 구별할 수 있다.

상기 측정시간 선택부(146)는 상기 전원시스템의 종류에 따라 최적의 상기 아크 사고 검출 시간을 선택할 수 있다.

아크 사고 전류를 검출하기 위해서는 전원시스템의 전류를 매 동일시간 간격으로 계속 측정하고 FFT를 통한 PSD값의 분석을 통하여 아크 사고를 검출하게 된다. 하지만, 아크 사고의 경우 지속되는 시간이 us, ms, s 단위로 매우 다양하게 발생할 수 있으며, 아크 전류를 측정하는 하드웨어의 성능에 맞춰 아크 전류를 수 us에서 수 초 범위에서 측정을 하게 된다. 따라서, 마이크로 단위의 시간으로 전류를 측정하게 되면 하드웨어와 소프트웨어의 처리속도가 따라오지 못하는 경우가 발생할 수 있어 중간 간격의 아크 전류를 놓치게 되는 경우가 발생할 수 있다.

또한, 수 초 범위를 한번에 측정하는 경우 긴 아크 사고 전류를 측정할 수 있지만 하드웨어의 성능에 의해 높은 주파수 성분의 아크 특성 검출하지 못하거나 아크 사고 발생을 하였을 경우 빠른 시간 내에 회로를 차단하는 역할을 수행하지 못하는 경우가 발생할 수 있다.

따라서, 수 us에서 수 ms 범위에서 AC의 경우 한 주기 16.7ms를 기준으로 AC 60 Hz의 한주기, 반주기, 1/4주기, 1/8주기 등과 같이 짧은 시간 동안에 전류신호를 측정하고 분석한 PSD 평균값과 아크 사고와의 상관관계를 분석하여 적절한 아크사고 검출 시간을 산출하게 된다. 이를 통하여 아크사고 검출 신뢰성을 향상하게 된다.

상기 주파수구간 분할 모듈(150)은 아크 사고를 검출하기 위한 유효주파수 범위를 설정하고, 전원시스템(20)에서 스위칭 소자에 의해 발생하는 전기신호와 아크 사고 신호를 구별하기 위해 상기 유효주파수 범위를 복수의 분할주파수 구간으로 분할할 수 있다.

그리고, 상기 주파수구간 분할 모듈(150)은 본 발명의 한 실시예에 따른 유효주파수 설정부(152), 그리고 주파수구간 분할부(154)를 포함할 수 있다.

상기 유효주파수 설정부(152)는 전원시스템(20)의 전기적 특성에 따라 아크 판별을 위한 유효주파수 범위를 설정할 수 있다. 상기 유효주파수 설정부(152)는 상기 전원시스템(20)의 종류, 상기 전원시스템의 특성, 및 부하(40)의 종류에 따라 상기 유효주파수 범위를 상이하게 설정할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 유효주파수 설정부(152)는 전원시스템(20)의 종류(예를 들어, AC, DC), 부하(40)의 종류(예를 들어, 전등부하, 콘센트부하, 펌프, 송풍기, 엘리베이터, 에스컬레이터 등의 동력부하, 또는 공조용 동력부하 등), 전원시스템의 특성(예를 들어, 변압기 특성, 과전압특성, 회로 보호특성, 절연협조) 등에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 유효주파수 범위는 본 발명의 한 실시예에 따라 10kHz부터 120kHz 범위로 선택될 수 있다.

상기 주파수구간 분할부(154)는 전원시스템(20)에서 스위칭 소자에 의해 발생하는 전기신호와 아크 사고 신호를 구별하기 위해 상기 유효주파수 범위를 복수의 분할주파수 구간으로 분할할 수 있다.

여기서, 복수개의 분할주파수 구간은 상기 전원시스템(20)의 종류, 상기 전원시스템의 특성, 및 부하(40)의 종류에 따라 상기 분할주파수 구간이 상이하게 설정될 수 있다.

예를 들어, 상기 복수개의 분할주파수 구간은 전원시스템(20)의 종류(예를 들어, AC, DC), 부하(40)의 종류(예를 들어, 전등부하, 콘센트부하, 펌프, 송풍기, 엘리베이터, 에스컬레이터 등의 동력부하, 또는 공조용 동력부하 등), 전원시스템의 특성(예를 들어, 변압기 특성, 과전압특성, 회로 보호특성, 절연협조) 등에 따라 달라질 수 있다. 특히, 상기 복수의 분할주파수 구간은 본 발명의 한 실시예에 따라 10kHz 내지 20kHz, 20kHz 내지 40kHz, 40kHz 내지 60kHz, 60kHz 내지 80kHz, 80kHz 내지 100kHz, 또는 100kHz 내지 120kHz 중 적어도 두개의 구간을 포함할 수 있다.

상기 아크에너지 계산 모듈(160)은 상기 아크 사고 기준값 설정 모듈(130)에서 변환된 디지털 전류신호를 분할된 분할주파수 구간별로 분석하여 분할주파수 구간별로 전력 스펙트럼밀도를 계산할 수 있다. 또한, 상기 아크에너지 계산 모듈(160)은 유효주파수 범위에서 상기 전력 스펙트럼밀도의 평균값인 평균전력 스펙트럼밀도를 도출할 수 있다.

또한, 상기 아크에너지 계산 모듈(160)은 상기 평균전력 스펙트럼밀도를 이용하여 다양한 아크 사고 종류에 따른 결과를 확률통계기법을 통하여 정규분포된 평균값 데이터를 얻을 수 있다.

그리고, 이 결과로부터 상기 아크에너지 계산 모듈(160)은 평균전력 스펙트럼밀도와 비교해서 아크 사고 여부를 결정할 수 있는 아크 사고에 대한 아크 사고 기준값을 도출할 수도 있다. 여기서, 상기 아크 사고 기준값은 상기 전원시스템의 종류, 상기 전원시스템의 특성, 및 부하(40)의 종류에 따라 상이하게 설정될 수 있다.

또한, 상기 아크에너지 계산 모듈(160)은 특정 주파수 영역에서 비정상적인 전력 스펙트럼밀도가 검출될 경우, 상기 특정 주파수 영역의 데이터를 평활화시킨 후에 상기 평균전력 스펙트럼밀도를 계산할 수도 있다.

또한, 상기 아크에너지 계산 모듈(160)은 아크에너지에 따른 화재 사고 발생 가능성에 대한 특성을 기반으로 아크 검출기에서 아크 사고 발생시 아크에너지를 산출하고, 아크에너지가 설정값, 예를 들어 750 J 이상이 되는 경우 아크 차단기를 동작하여 아크 사고가 발생한 전원회로를 차단하여 화재를 사전에 예방할 수 있다.

그리고, 상기 아크에너지 계산 모듈(160)은 본 발명의 한 실시예에 따른 데이터 평활화부(162), 전력 스펙트럼밀도 계산부(164), 보정부(166), 그리고 화재 예방부(168)를 포함할 수 있다.

상기 데이터 평활화부(162)는 특정 주파수 영역에서 비정상적인 전력 스펙트럼밀도가 검출될 경우, 상기 특정 주파수 영역의 데이터를 평활화시킬 수 있다

상기 전력 스펙트럼밀도 계산부(164)는 분할주파수 구간별로 전력 스펙트럼밀도를 계산하고, 유효주파수 범위에서 상기 평균전력 스펙트럼밀도를 도출할 수 있다. 또한, 상기 전력 스펙트럼밀도 계산부(164)는 전원시스템(20)의 전기적 특성을 분석할 수 있다.

그리고, 상기 전력 스펙트럼밀도 계산부(164)는 상기 전원시스템(20)의 전기적 특성에 따른 비정상적인 아크전류를 검출할 수 있도록 상기 아크 사고 기준값을 도출할 수도 있다.

상기 보정부(166)는 상기 전원시스템(20)과 연결된 부하(40)의 스위칭 소자에 의해 발생하는 전기신호의 스위칭주파수 대역을 분석하고, 상기 스위칭주파수 대역을 상기 복수의 분할주파수 구간과 비교분석할 수 있다.

그리고, 상기 보정부(166)는 상기 스위칭주파수 대역을 포함하는 분할주파수 구간의 가중치를 낮게 설정하고, 상기 스위칭주파수 대역을 포함되지 않은 분할주파수 구간의 가중치를 높게 설정하여 상기 평균전력 스펙트럼밀도를 보정할 수 있다.

상기 화재 예방부(168)는 아크에너지에 따른 화재 사고 발생 가능성에 대한 특성을 기반으로 아크 검출기에서 아크 사고 발생시 아크에너지를 산출하고, 아크에너지가 설정값(예를 들어, 750 J) 이상이 되는 경우 아크 차단기를 동작하여 아크 사고가 발생한 전원회로를 차단하여 화재를 사전에 예방할 수 있다.

상기 비정상 아크 검출 모듈(170)은 상기 평균전력 스펙트럼밀도를 분석하고, 상기 평균전력 스펙트럼밀도를 상기 아크 사고 기준값 설정 모듈(130)에서 자동으로 설정된 상기 아크 사고 기준값과 비교하여 비정상적인 아크 또는 비정상적인 아크전류를 검출할 수 있다.

그리고, 상기 비정상 아크 검출 모듈(170)은 본 발명의 한 실시예에 따른 기준치 비교부(172), 카운팅부(174), 그리고 아크 판정부(176)를 포함할 수 있다.

상기 기준치 비교부(172)는 상기 비정상적인 아크전류에 의한 평균전력 스펙트럼밀도를 아크 사고 기준값을 비교할 수 있다. 여기서, 상기 아크 사고 기준값은 상기 전원시스템의 종류, 상기 전원시스템의 특성, 및 부하(40)의 종류에 따라 상이하게 설정될 수 있다. 예를 들어, 상기 아크 사고 기준값은 전원시스템의 종류에 따라 직류전원시스템과 교류전원시스템으로 구분하고, 구분된 전원시스템 별로 전원시스템의 특성에 따라 아크 사고 기준값을 자동으로 설정될 수 있다.

상기 카운팅부(174)는 아크 검출의 오검출을 최소화하도록 상기 평균전력 스펙트럼밀도가 상기 아크 사고 기준값을 초과하는 아크검출횟수를 카운팅할 수 있다. 또한, 상기 카운팅부(174)는 주파수구간별 평균전력 스펙트럼밀도와 주파수구간별 아크 사고 기준값을 비교하고, 평균전력 스펙트럼밀도가 아크 사고 기준값을 초과하는 분할주파수 구간의 갯수를 카운팅할 수 있다.

상기 아크 판정부(176)는 상기 아크검출횟수를 기설정된 제1 설정값과 비교하고, 상기 아크검출횟수가 제1 설정값 이상인 경우에 비정상적인 아크로 판정할 수 있다. 또한, 상기 아크 판정부(176)는 평균전력 스펙트럼밀도가 아크 사고 기준값을 초과하는 분할주파수 구간의 갯수를 기설정된 제2 설정값과 비교하고, 상기 분할주파수 구간의 갯수가 상기 제2 설정값 이상인 경우에 비정상적인 아크로 판정할 수 있다.

도 3은 본 발명의 한 실예에 따라 전원시스템의 전류신호를 측정하고, 측정된 전류신호를 데이터 처리한 후에 전력 스펙트럼밀도를 계산하여 아크를 검출하는 과정을 간략히 도시한 흐름도이다. 이때, 이하의 흐름도는 도 1 내지 도 2의 구성과 연계하여 동일한 도면부호를 사용하여 설명한다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 전원시스템의 종류에 따라 직류전원시스템과 교류전원시스템으로 구분하고, 구분된 전원시스템 별로 전원시스템의 특성에 따라 아크 사고 기준값을 자동으로 설정할 수 있다(S102).

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따라 전원의 종류와 전원별 적용 요소에 따른 아크 사고 기준값을 자동으로 산정하는 예를 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 아크 사고를 결정하는 Kth는 항상 일정한 것이 아니라 전원의 종류에 따라 다른 값을 선택해야 한다는 것이다. AC 전원시스템의 경우 아크차단기가 설치되는 전원시스템의 부하 개수, 부하 종류, 전원선의 길이 등을 고려하여 아크 사고 기준값인 Kth값을 선택한다.

그리고, DC전원시스템, 특히 태양광발전소의 경우에는 태양광 발전용량, 인버터의 종류, 케이블의 길이 등을 고려하여 아크 사고 기준값을 설정한다. 아크 사고 기준값은 아크 사고를 판단하는 기준치가 되고 아크 사고의 오검출 및 미검출과 직접적인 관계가 있기 때문에, 전원시스템의 환경에 따른 아크 사고 기준값의 결정을 통하여 아크 사고 검출의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

즉, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 상기 전원시스템의 종류, 상기 전원시스템에 포함된 부하의 개수, 아크 검출기 혹은 차단기가 설치되는 전원시스템 내에서의 전원선 길이, 상기 전원시스템에 연결되는 부하의 종류에 따라서 상기 아크 사고 기준값을 자동으로 설정할 수 있다.

또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 상기 전원시스템이 태양광발전소의 경우 상기 태양광발전소의 발전용량, 상기 태양광발전소에 포함된 인버터의 종류, ESS용 배터리의 설치 유무, 및 케이블의 길이에 따라서 상기 아크 사고 기준값을 자동으로 설정할 수 있다.

그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 단일 아크 사고 유발소자의 종류와 개수를 분석하고, 상기 단일 아크 사고 유발소자의 단순 동작에 의해 발생되는 단일성 아크의 빈도와 아크에너지를 일, 주, 월별 단위로 분석하여 단일 아크에 대한 정보를 데이터화할 수 있다 (S104).

도 5는 본 발명의 한 실시예에 따라 단일 아크 사고 유발소자의 종류와 개수를 분석하고, 상기 단일 아크 사고 유발소자의 단순 동작에 의해 발생되는 단일성 아크의 빈도와 아크에너지를 일, 주, 월별 단위로 분석하여 단일 아크에 대한 정보를 데이터화하는 예를 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 본 발명의 한 실시예에 따라 아크 사고 검출을 위해 아크 사고 전류 신호를 측정하는 데이터의 양에 따른 아크 사고 검출률과의 관계를 고려하여 아크 사고 검출 알고리즘에 적용하는 방법이다.

아크 사고전류를 검출하기 위해서는 전원시스템의 전류를 매 동일시간 간격으로 계속 측정하고 FFT통한 PSD 값 분석을 통하여 아크 사고를 검출하게 된다. 하지만 아크 사고의 경우 지속되는 시간이 us, ms, s 단위로 매우 다양하게 발생할 수 있으며, 아크전류를 측정하는 하드웨어의 성능에 맞춰 아크전류를 수 us에서 수 초 범위에서 측정을 하게 된다. 마이크로단위의 시간으로 전류를 측정하게 되면 하드웨어와 소프트웨어의 처리속도가 따라오지 못하는 경우가 발생할 수 있어 중간 간격의 아크전류를 놓치게 되는 경우가 발생할 수 있다. 또한 수 초 범위를 한번에 측정하는 경우 긴 아크 사고전류를 측정할 수 있지만 하드웨어의 성능에 의해 높은 주파수 성분의 아크 특성 검출하지 못하거나 아크 사고 발생을 하였을 경우 빠른 시간 내에 회로를 차단하는 역할을 수행하지 못하는 경우가 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명은 수 us에서 수 ms 범위에서 AC의 경우 한 주기 16.7ms를 기준으로 AC 60 Hz의 한주기, 반주기, 1/4주기, 1/8주기 등과 같이 짧은 시간 동안에 전류신호를 측정하고 분석한 PSD 평균값과 아크 사고와의 상관관계를 분석하여 적절한 아크 사고 검출 시간을 산출하게 되며, 이를 통하여 아크 사고 검출 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 전원시스템(20)의 전류신호를 측정할 수 있다(S106).

그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 필터 등을 통해서 1차적으로 고주파 성분의 노이즈를 제거하고, 아날로그 전류신호를 디지털 전류신호로 변환할 수 있다(S108).

이때, 필터는 하드웨어 혹은 소프트웨어 형태를 모두 포함할 수 있다. 그리고, 필터처리된 시간영역의 디지털 전류신호는 퓨리에 변환을 통해서 주파수영역의 전류신호로 변환될 수 있다.

또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 아크 사고를 검출하기 위한 유효주파수 범위를 설정하고, 전원시스템(20)에서 스위칭 소자에 의해 발생하는 전기신호와 아크 사고 신호를 구별하기 위해 상기 유효주파수 범위를 복수의 분할주파수 구간으로 분할할 수 있다(S110).

또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 특정 주파수 영역에서 비정상적인 전력 스펙트럼밀도가 검출될 경우, 상기 특정 주파수 영역의 데이터를 평활화시킬 수 있다(S112).

그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 유효주파수 범위에서 분할주파수 구간별 상기 전력 스펙트럼밀도의 평균값인 평균전력 스펙트럼밀도를 계산할 수 있다(S114).

그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 유효주파수 범위에서 분할주파수 구간별 상기 전력 스펙트럼밀도의 평균값인 평균전력 스펙트럼밀도를 계산할 수 있다.

그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 상기 전원시스템(20)과 연결된 부하(40)의 스위칭 소자에 의해 발생하는 전기신호의 스위칭주파수 대역을 상기 분할주파수 구간과 비교분석하여 상기 평균전력 스펙트럼밀도를 보정할 수 있다(S116).

예를 들어, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 상기 스위칭주파수 대역을 포함하는 분할주파수 구간의 가중치를 낮게 설정하고, 상기 스위칭주파수 대역을 포함되지 않은 분할주파수 구간의 가중치를 높게 설정하여 상기 평균전력 스펙트럼밀도를 보정할 수 있다.

그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 분할주파수 구간별 평균전력 스펙트럼밀도를 상기 아크 사고 기준값과 비교하여 비정상적인 아크를 검출할 수 있다(S118). 예를 들어, 상기 평균전력 스펙트럼밀도가 상기 아크 사고 기준치값 이하이면 다시 전류신호를 측정하게 되며, 상기 아크 사고 기준값을 초과하게 되면 1차적으로 아크 사고로 판별을 하게 된다.

또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 상기 평균전력 스펙트럼밀도가 상기 아크 사고 기준값을 초과하는 분할주파수 구간의 개수를 카운팅하고, 카운팅된 분할주파수 구간의 개수가 설정값을 초과하는 경우에 비정상 아크전류 또는 아크 사고로 판별할 수 있다.

그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 아크에너지에 따른 화재 사고 발생 가능성에 대한 특성을 기반으로 아크 검출기에서 아크 사고 발생시 아크에너지를 산출하고, 아크에너지가 설정값 이상이 되는 경우 아크 차단기를 동작하여 아크 사고가 발생한 전원회로를 차단하여 화재를 사전에 예방할 수 있다(S120).

도 6은 본 발명의 한 실시예에 따라 아크 사고에 의한 축적된 아크 에너지와 화재사고 가능성에 대한 예를 나타내는 그래프이다.

도 6을 참조하면, 아크 사고에 의해서 아크에너지가 지속되는 경우 화재로 이어지게 되는 그래프로서, 아크에너지가 750J 이상의 경우 화재가 발생할 가능성이 나타나게 된다. 따라서, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 아크 검출기에서 아크 사고를 검출하는 경우 아크에너지를 함께 산출하여 일정 시간동안 지속적으로 아크 사고가 발생하는 경우 아크에너지를 축적하여 750J과 비교하게 되고, 이를 기준으로 아크회로를 차단하게 된다.

도 7은 본 발명의 다른 실예에 따라 전원시스템의 종류에 따라 아크 사고 기준값을 자동으로 설정한 후 비정상 아크를 검출하는 과정을 간략히 도시한 흐름도이다.. 이때, 이하의 흐름도는 도 1 내지 도 6의 구성과 연계하여 동일한 도면부호를 사용하여 설명한다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 전원시스템의 종류에 따라 직류전원시스템과 교류전원시스템으로 구분하고, 구분된 전원시스템 별로 전원시스템의 특성에 따라 아크 사고 기준값을 자동으로 설정할 수 있다(S202).

그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 단일 아크 사고 유발소자의 종류와 개수를 분석하고, 상기 단일 아크 사고 유발소자의 단순 동작에 의해 발생되는 단일성 아크의 빈도와 아크에너지를 일, 주, 월별 단위로 분석하여 단일 아크에 대한 정보를 데이터화할 수 있다 (S204).

본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 전류센서(122)를 이용하여 전원시스템(20)에 흐르는 전류신호를 측정할 수 있다(S206).

그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 비정상적인 아크 발생여부를 판별하기 위한 유효주파수 범위를 설정하고, 상기 유효주파수 범위를 복수개의 분할주파수 구간으로 분할할 수 있다(S208). 여기서, 유효주파수 범위 또는 상기 복수개의 분할주파수 구간은 상기 전원시스템(20)의 종류, 상기 전원시스템의 특성, 및 부하(40)의 종류에 따라 상기 유효주파수 범위를 상이하게 설정될 수 있다.

예를 들어, 상기 유효주파수 범위는 전원시스템(20)의 종류(예를 들어, AC, DC), 부하(40)의 종류(예를 들어, 전등부하, 콘센트부하, 펌프, 송풍기, 엘리베이터, 에스컬레이터 등의 동력부하, 또는 공조용 동력부하 등), 전원시스템의 특성(예를 들어, 변압기 특성, 과전압특성, 회로 보호특성, 절연협조) 등에 따라 달라질 수 있다.

특히, 상기 유효주파수 범위는 본 발명의 한 실시예에 따라 10kHz부터 120kHz 범위로 선택될 수 있다.

이때, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 아크검출 알고리즘을 이용하여 유효주파수 범위에서 아크전류의 크기, 아크전류가 검출된 시간 간격 및, 아크전류의 지속시간 등을 분석하여 정상적인 아크전류와 비정상 아크전류를 구분할 수도 있다.

또한, 상기 복수개의 분할주파수 구간은 상기 전원시스템(20)의 종류, 상기 전원시스템의 특성, 및 부하(40)의 종류에 따라 상기 분할주파수 구간이 상이하게 설정될 수 있다.

예를 들어, 상기 복수개의 분할주파수 구간은 전원시스템(20)의 종류(예를 들어, AC, DC), 부하(40)의 종류(예를 들어, 전등부하, 콘센트부하, 펌프, 송풍기, 엘리베이터, 에스컬레이터 등의 동력부하, 또는 공조용 동력부하 등), 전원시스템의 특성(예를 들어, 변압기 특성, 과전압특성, 회로 보호특성, 절연협조) 등에 따라 달라질 수 있다.

특히, 상기 복수의 분할주파수 구간은 본 발명의 한 실시예에 따라 10kHz 내지 20kHz, 20kHz 내지 40kHz, 40kHz 내지 60kHz, 60kHz 내지 80kHz, 80kHz 내지 100kHz, 또는 100kHz 내지 120kHz 중 적어도 두개의 구간을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 상기 전원시스템(20)과 연결된 부하(40)의 스위칭 소자에 의해 발생하는 전기신호의 스위칭주파수 대역을 분석할 수 있다(S210). 여기서, 상기 스위칭주파수 대역은 상기 전원시스템(20)과 연결된 부하(40)의 스위칭 소자에 의해 발생하는 전기신호의 주파수 대역을 포함한다.

그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 분할주파수 구간별로 비정상 아크전류의 전력스펙트럼 밀도를 계산하고, 상기 유효주파수 범위에서의 분할주파수 구간별로 평균전력 스펙트럼 밀도를 계산 및 보정할 수 있다(S212). 여기서, 상기 평균전력 스펙트럼 밀도는 상기 유효주파수 범위에서 분할주파수 구간별 상기 비정상 아크전류의 전력스펙트럼 밀도에 대한 평균값을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 상기 분할주파수 구간별로 평균전력 스펙트럼밀도를 아크 사고 기준값과 비교하여 아크 사고 발생여부를 판단할 수 있다(S214).

그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 상기 분할주파수 구간별로 평균전력 스펙트럼밀도가 상기 아크 사고 기준값을 초과하는 경우에 아크검출횟수 또는 아크가 검출된 분할주파수 구간의 갯수를 카운팅하고, 아크 검출의 오검출을 최소화하기 위해서 그 다음 신호의 전류신호에 대한 아크검출을 하게 된다(S216).

그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치(100)는 상기 아크검출횟수 또는 상기 아크가 검출된 분할주파수 구간의 갯수를 기설정된 설정값과 비교하고, 상기 아크검출횟수 또는 상기 아크가 검출된 분할주파수 구간의 갯수가 상기 설정값을 초과하는 경우에는 아크 사고로 판정하여 아크를 검출하게 된다(S218, S220).

이와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치 및 비정상 아크 검출 방법은 전원시스템의 종류에 따라 직류전원시스템과 교류전원시스템으로 구분하고, 구분된 전원시스템 별로 전원시스템의 특성에 따라 아크 사고 기준값을 자동으로 설정한 후 아크 사고를 검출하기 위한 유효주파수 범위를 설정하고, 유효주파수 범위를 복수의 분할주파수 구간으로 분할하며, 전원시스템의 스위칭 소자에 의해 발생하는 전기신호에 의한 스위칭주파수 대역을 분석하고, 각각의 분할주파수 구간별로 평균전력 스펙트럼밀도를 구해서 아크를 검출함으로써, 아크 사고의 오검출과 미검출 조건을 최소화하고, 아크 검출기의 검출 성공률을 증가시켜 아크 사고를 효과적으로 검출하고 차단할 수 있는 환경을 제공한다.

또한, 본 발명은 아크에너지에 따른 화재 사고 발생 가능성에 대한 특성을 기반으로 아크 검출기에서 아크 사고 발생시 아크에너지를 산출하고, 아크에너지가 설정값 이상이 되는 경우 아크 차단기를 동작하여 아크 사고가 발생한 전원회로를 차단함으로써, 아크 사고로 인한 화재를 사전에 예방할 수 있는 환경을 제공한다

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다. 이러한 기록 매체는 서버뿐만 아니라 사용자 단말에서도 실행될 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

전원시스템의 종류에 따라 직류전원시스템과 교류전원시스템으로 구분하고, 구분된 전원시스템 별로 전원시스템의 특성에 따라 아크 사고 기준값을 자동으로 설정하는 아크 사고 기준값 설정 모듈,
아크 사고를 검출하기 위한 유효주파수 범위를 설정하고, 상기 유효주파수 범위를 복수의 분할주파수 구간으로 분할하는 주파수구간 분할 모듈,
상기 분할주파수 구간별로 전력 스펙트럼밀도를 계산하고, 상기 분할주파수 구간별로 상기 전력 스펙트럼밀도의 평균값인 평균전력 스펙트럼밀도를 도출하는 아크에너지 계산 모듈, 그리고
상기 분할주파수 구간별 상기 평균전력 스펙트럼밀도를 상기 아크 사고 기준값 설정 모듈에서 자동으로 설정된 상기 아크 사고 기준값과 비교하여 비정상적인 아크를 검출하는 비정상 비정상 아크 검출 모듈
을 포함하는 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치.
제1항에서,
상기 아크 사고 기준값 설정 모듈은,
상기 전원시스템의 종류, 상기 전원시스템에 포함된 부하의 개수, 아크 검출기 혹은 차단기가 설치되는 전원시스템 내에서의 전원선 길이, 상기 전원시스템에 연결되는 부하의 종류에 따라서 상기 아크 사고 기준값을 자동으로 설정하는 아크 사고 기준값 설정부
를 포함하는 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치.
제2항에서,
상기 아크 사고 기준값 설정부는,
상기 전원시스템이 태양광발전소의 경우 상기 태양광발전소의 발전용량, 상기 태양광발전소에 포함된 인버터의 종류, ESS용 배터리의 설치 유무, 또는 케이블의 길이에 따라서 상기 아크 사고 기준값을 자동으로 설정하는 것을 특징으로 하는 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치.
제3항에서,
상기 아크 사고 기준값 설정 모듈은,
단일 아크 사고 유발소자의 종류와 개수를 분석하고, 상기 단일 아크 사고 유발소자의 단순 동작에 의해 발생되는 단일성 아크의 빈도와 아크에너지를 일, 주, 월별 단위로 분석하여 단일 아크에 대한 정보를 데이터화하는 단일 아크 분석부
를 더 포함하는 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치.
제4항에서,
상기 단일 아크 사고 유발소자는,
부하의 동작에 따라 스위치의 켜고 끄고 하는 과정에서 발생하는 단일성 아크를 유발하는 단순 부하를 포함하며, 단일성으로 전기를 사용하기 위해 동작하는 조명용 스위치, AC를 DC로 변경하는 SMPS와 같이 기기 내부에 설치되어 있는 스위칭 반도체 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치.
제1항에서,
상기 전원시스템의 아크 사고 검출 시간과 아크 사고 전류의 상기 평균전력 스펙트럼밀도의 상관 관계를 분석하는 분석 모듈
을 더 포함하는 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치.
제6항에서,
상기 분석 모듈은,
상기 전원시스템의 종류에 따라 최적의 상기 아크 사고 검출 시간을 선택하는 측정시간 선택부
를 포함하는 특징으로 하는 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치.
제1항에서,
상기 아크에너지 계산 모듈은,
아크에너지에 따른 화재 사고 발생 가능성에 대한 특성을 기반으로 아크 검출기에서 아크 사고 발생시 아크에너지를 산출하는 것을 특징으로 하는 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치.
제8항에서,
상기 아크에너지 계산 모듈은,
아크에너지가 설정값 이상이 되는 경우 아크 차단기를 동작하여 아크 사고가 발생한 전원회로를 차단하여 화재를 사전에 예방하는 화재 예방부
를 포함하는 비정상 아크 검출의 신뢰성을 향상시키는 비정상 아크 검출 장치.