KR20120043485A

KR20120043485A - 아크 모의발생장치

Info

Publication number: KR20120043485A
Application number: KR1020100104814A
Authority: KR
Inventors: 방선배; 김종민
Original assignee: 한국 전기안전공사
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2012-05-04
Also published as: KR101152278B1

Abstract

실제 현장(예를 들어, 주택)의 전기배선에서 발생할 수 있는 전기 아크를 모의로 발생하여 아크 차단기(AFCI)의 동작을 시험할 수 있도록 한 아크 모의발생장치가 개시된다.
개시된 아크 모의발생장치는, 아크 모의 발생장치의 구동용 전원을 공급해주는 전원부와; 상기 전원부에서 공급하는 전원으로 구동하고, 아크 차단기의 항온/항습 성능 및 아크 차단 성능을 시험하기 위한 AFCI 시험장치와; 아크 차단기의 성능을 평가하기 위한 시험항목별 아크를 발생시키는 아크 발생장치와; 각 시험에 적합한 부하전류를 부하에 공급하여 부하를 구동시키는 시험용 부하부와; 부적합한 아크 차단 동작을 시험하기 위한 부적합 아크 차단 시험장치와; 상기 AFCI 시험장치와 아크 발생장치와 시험용 부하부 및 부적합 아크 차단 시험장치의 동작을 제어하고, 아크 고장 신호를 분석하는 제어부와; 상기 제어부에 의해 발생하는 아크 차단기의 성능 평가 결과를 화면에 표시해주는 모니터를 포함한다.

Description

아크 모의발생장치{Arc simulated generator}

본 발명은 아크 모의발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실제 현장(예를 들어, 주택)의 전기배선에서 발생할 수 있는 전기 아크를 모의로 발생하여 아크 차단기(AFCI)의 동작을 시험할 수 있도록 한 아크 모의발생장치에 관한 것이다.

전력사용이 증가함에 따라 전기설비에 의한 전기화재 발생이 증가하고 있는 추세이다. 통계에 따르면 전기화재가 화재원인 중 가장 높은 비중을 차지하고 있음을 알 수 있다.

전기적인 고장은 충전된 도체들 사이 또는 도체와 대지나 전기계통의 접지된 부분 사이에서의 절연강도 저하에 의한 비정상적인 상태로 정의할 수 있다. 특히 전선의 절연체에서의 고장은 과도한 기계적 인장이나 절연체에 인가된 가혹한 서비스 환경, 노화, 코로나 현상 등에 의해 원인이 될 수 있다.

열악한 운전 환경과 습기, 작은 금속 조작, 오염 등은 결함이 있는 충전된 도체와 다른 전위를 갖는 계통 사이의 절연체에 전기적인 도전 경로를 형성시킨다. 이렇게 형성된 도전 경로는 계통에서 서로 다른 전위 사이에 완전한 단락 회로를 즉각 발생시키지 않고 고 저항을 갖는 경우가 많다. 따라서 완전한 단락을 형성하기까지의 고장 전류는 제한되어 고장의 위치로부터 상부에 연결될 배선용 차단기에 의해 검출되지 않는 경우가 많다. 그런 고장은 검출되기에 충분한 전류를 흐르지 못하게 하고 화재 위험을 발생시킬 수 있는 아크를 지속적으로 유지시켜, 치명적 물적, 인적 피해를 유발시킨다. 따라서 이러한 피해를 차단할 수 있는 시스템이 반드시 요구되며, 특히 아크를 차단하는 아크 차단기가 필수적으로 요구된다.

이렇게 요구되는 아크 차단기의 성능을 시험하기 위해서는, 실제 현장에 아크 차단기를 설치하고, 부하별로 다양하게 발생하는 아크에 대해서 아크 검출 성능 및 아크 차단 동작 성능을 평가해야한다.

그러나 실제 현장에서 발생하는 직렬 아크, 병렬 아크, 카본 경로 아크 등에 대해서 아크 검출 성능이나 동작 성능을 확인하기 위해서 아크 차단기를 실제 모든 현장에 설치하여 성능을 시험하는 것은 물리적으로 불가능하다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 아크 차단기의 성능시험을 위해 제안된 것으로서,

본 발명이 해결하려는 과제는, 실제 현장(예를 들어, 주택)의 전기배선에서 발생할 수 있는 전기 아크를 모의로 발생하여 아크 차단기(AFCI)의 동작을 시험할 수 있도록 한 아크 모의발생장치를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하려는 다른 과제는, 실제 현장의 다양한 위치에서 발생하는 직렬 아크를 모의로 발생할 수 있도록 한 아크 모의발생장치를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하려는 다른 과제는, 실제 현장의 다양한 위치에서 발생하는 병렬 아크를 모의로 발생할 수 있도록 한 아크 모의발생장치를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는, 실제 현장의 다양한 위치에서 발생하는 카본 경로 아크를 모의로 발생할 수 있도록 한 아크 모의발생장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 과제들을 해결하기 위한 본 발명에 따른 "아크 모의발생장치"는,

아크 모의 발생장치의 구동용 전원을 공급해주는 전원부와;

상기 전원부에서 공급하는 전원으로 구동하고, 아크 차단기의 항온/항습 성능 및 아크 차단 성능을 시험하기 위한 AFCI 시험장치와;

아크 차단기의 성능을 평가하기 위한 시험항목별 아크를 발생시키는 아크 발생장치와;

각 시험에 적합한 부하전류를 부하에 공급하여 부하를 구동시키는 시험용 부하부와;

부적합한 아크 차단 동작을 시험하기 위한 부적합 아크 차단 시험장치와;

상기 AFCI 시험장치와 아크 발생장치와 시험용 부하부 및 부적합 아크 차단 시험장치의 동작을 제어하고, 아크 고장 신호를 분석하는 제어부와;

상기 제어부에 의해 발생하는 아크 차단기의 성능 평가 결과를 화면에 표시해주는 모니터를 포함한다.

상기 아크 발생장치는,

부하와 직렬로 연결되어 부하의 동작특성에 따라 직렬 아크 신호의 변화 여부, 부하전류의 크기에 따른 아크 크기 변화 여부, 아크로 인한 전원 전류의 크기 변화 여부를 분석할 수 있는 직렬 아크를 발생하는 직렬 아크 발생장치를 포함하고,

상기 직렬 아크 발생장치는,

정지 전극과 상기 정지 전극에 대향하는 이동 전극을 포함하고, 상기 양 전극을 접촉시켜 완전히 폐 회로를 만들고, 전원 인가 후 상기 이동 전극을 정지 전극으로부터 분리시켜 직렬 아크를 발생하는 조절장치를 포함한다.

상기 아크 발생장치는,

전선과 전선을 단락시킨 상태에서 발생하는 병렬 아크를 모의로 발생하는 병렬 아크 발생장치를 포함한다.

상기 아크 발생장치는,

단선된 도선 사이에서 생성된 카본 경로에서 정상전압의 인가시 발생하는 카본 경로 아크를 모의로 발생하는 카본 경로 아크 발생장치를 포함한다.

본 발명에 따르면, 실제 현장(예를 들어, 주택)의 전기배선에서 발생할 수 있는 전기 아크를 모의로 발생할 수 있어, 현장에 직접 아크 차단기를 설치하는 불편함과 아크 차단기의 성능시험의 어려움을 해소할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 실제 현장의 다양한 위치에서 발생하는 직렬 아크를 실험실에서 편리하게 모의로 발생할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 실제 현장의 다양한 위치에서 발생하는 병렬 아크를 실험실에서 편리하게 모의로 발생할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 실제 현장의 다양한 위치에서 발생하는 카본 경로 아크를 실험실에서 모의로 발생할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 아크 모의발생장치의 블록도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 "아크 모의발생장치"의 블록도로서, 전원부(10), AFCI 시험부(20), 아크 발생장치(30), 시험용 부하부(40), 부하(50), 부적합 아크차단 시험장치(60), 제어부(70) 및 모니터(80)를 포함한다.

전원부(10)는 아크 모의 발생장치의 구동용 전원을 공급해주는 전원 장치로서, 아크 시험을 위한 아크 발생장치의 전원은 매우 중요하며 고려하여야 할 사항이 매우 많다. 병렬 아크 시험을 위한 충분한 용량이어야 하며 병렬 아크 시험으로 발생되는 급격한 단락전류에 의해 전원이 차단되거나 전원전압이 감소하지 않아야 하고 보호 장치가 오동작하지 않도록 구성하여야 한다. 따라서 본 발명에서 사용되는 전압은 UL(Underwriters Laboratories Inc.: 제품 안전에 관한 표준 개발 및 인증 서비스를 제공하고 있으며, 수많은 종류의 제품을 대상으로 안전 인증업무와 이에 따른 사후관리 업무 등을 종합적으로 수행하는 기관으로서 아크 차단기(AFCI)에 대한 아크 검출 성능을 평가 및 인증하는 시험기관) 1699 규격에서 제시하는 전압과 국내 주택에서 사용하는 전압을 모두 만족하도록 구현하였다.

여기서 UL 1699 규격에서 요구하는 전압은 AC120V, AC240V이고, 국내 주택의 전압 환경은 AC220V(AC110V)이므로, 본 발명에서 사용되어야 할 전압은 AC110V, AC120V, AC220V, AC240V가 필요할 것이며, 이에 따라 일반적인 수전용 변압기와 전압을 가변할 수 있는 슬라이닥스(Slidac)를 이용하여 구현하였다.

여기서 수전용 변압기 전압 및 용량은 22.9/220-380V, 150kVA이고, 슬라이닥스 전압(가변 범위)은 0 - 260V이다.

아크 시험을 위한 전원 용량을 선정하기 위해서는 병렬 아크 시험을 수행할 수 있는 용량이어야 한다. UL 1699 규격에서는 병렬 아크 시험을 위한 전류의 최대치를 AC120V에서 500A로 제시하고 있다. 병렬 아크 시험으로 발생하는 급격한 단락전류에 의해 전원이 차단되거나 전원전압이 감소하지 않아야 하고 오동작하지 않도록 구성하여야 한다. 직렬 아크 시험 및 카본 경로 시험은 병렬 아크 시험보다 작은 용량으로 가능하기 때문에 고려하지 않아도 된다. 따라서 본 발명에서는 다음과 같이 전원용량을 계산하여 산정하였다.

UL 1699의 요구전류는 500A이므로, 용량 계산은, AC120V(정격전압) × 500A(최대전류) × 1.1(여유율) = 66㎾가 된다.

따라서 변압기 용량은 150kVA, 슬라이닥스 용량은 70kVA를 사용하는 것이 바람직하다.

이를 위해 실험실에 수전용 변압기 150kVA를 설치하고, 수전용 변압기 2차측에 공기차단기(ACB) 600A를 설치하며, 분기 차단기(MCCB) 2P 400A를 설치한다. 실험실에는 전용의 분전반을 설치하였으며, 주 차단기는 MCCB 2P 400A를 설치하여 슬라이닥스 전원으로 사용하도록 하였고, 분기 차단기를 설치하여 실험실의 기타 전원으로 사용할 수 있도록 구성하였다.

AFCI 시험장치(20)는 상기 전원부(10)에서 공급하는 전원으로 구동하고, 아크 차단기의 항온/항습 성능을 시험하기 위한 역할을 수행한다.

AFCI 시험장치(20)는 피 시험체인 AFCI를 설치하여 시험하는 것으로서, UL 1699 규격에서는 AFCI 시험 조건으로 온도와 습도를 제시하고 있다. 습도는 93% 이내를 제시하고 있으며, 온도는 -35 ~ 66℃를 제시하고 있다.

따라서 본 발명에서는 UL 규격에 적합한 시험을 위하여 온?습도 챔버를 AFCI 시험장치로 구성하였다. 온도 조절 범위는 -35 ~ 150℃이며, 습도 조절 범위는 30 ~ 98%이다. 챔버의 내부 용량은 150ℓ로써 AFCI를 시험하기 위한 충분한 용량이 되도록 구현하였다.

시험용 부하부(40)는 각 시험에 적합한 부하전류를 부하(50)에 공급하여 부하를 구동시키는 역할을 한다.

여기서 시험용 부하의 설비는, 여러 개의 부하 설비로 구성할 수 있으며, 본 발명에서는 16개의 설비(Unit1 ~ Unit16)로 구성하였고, 각 부하 설비별 장치 구성은 다음과 같다.

- Unit 1 : Hand drill load 장치

- Unit 2 : 1000w Tungsten load 장치

- Unit 3 : 600w tungsten load 장치

- Unit 4: Bi-metallic appliance load 장치

- Unit 5: Air compressor load 장치

- Unit 6: Vacuum cleaner load 장치

- Unit 7: Ceiling fan load장치

- Unit 8: Air purifier load 장치

- Unit 9: SMPS & fluorescent lamps load 장치

- Unit 10 : 2000W tungsten load 장치

- Unit 11: HID lighting & A quartz lamp load 장치

- Unit 12: A blower motor

- Unit 13: Space heater load 장치

- Unit 14: Air compressor load 장치

- Unit 15: Switch Box

- Unit 16: Load selector

여기서 시험항목(Unit)별 중요사항 및 내용을 살펴 보면,

Inrush current test(돌입 전류 시험)으로서, 시험항목이 1000W Tungsten load 장치일 경우, 30°, 60°, 90°로 위상 각을 바꾸어 on/off를 수행하며, 이때 최소 100A이상의 돌입 전류가 필요하다.

시험항목이 Air compressor load 장치일 경우, 1분간 on - off 5회 반복을 수행하고, 동작 이전에는 반드시 초기 상태를 유지한다.

Normal operation arcing test(정상작동 아크 시험)으로서, A Vacuum cleaner load 장치일 경우, 제품의 스위치를 통해 1분간 on - off 5회 반복을 수행하고, plug/unplug로 on - off를 수행한다.

시험항목이 A Bi-metallic appliance load 장치일 경우, 4시간 동안 25회 이상 on/off가 필요하고, Bi-metal 아래에 충격을 위한 모터를 설치하며, 바이메탈 스위치와 열선을 이용한 장치로 제작한다.

시험 항목이 A snap switch with tungsten load 장치일 경우, Unit 2(1000w tungsten load 장치)를 이용하고, Snap switch on - off를 1분 동안 6 ~ 10회 반복수행하고, UL 20 규격을 사용하여 위와 동일한 시험을 수행한다.

시험 항목이 An electronic variable-speed hand-held shop tool일 경우, 무부하에서 최대속도로 24시간 구동시킨 상태의 전동드릴을 사용하고, 회전속도를 최소-최대-최소로 변경하며 10초간 동작을 6회 반복수행하게 된다.

시험항목이 A Ceiling fan speed control load 장치일 경우, 전동 드릴과 동일한 시험으로 수행하고, 회전 날개를 떼고 브레이크 시스템을 설치한다.

시험항목이 An air purifier load 장치일 경우, 제품을 분해하여 유닛으로 구성하고, 파워컨트롤 단계는 최고 단계, UV lamp 동작 모드 상태로 설정하고, plug/unplug로 on/off 제어하며, 1분간 on - off를 20회 반복하고, 제품의 스위치를 통해 위의 시험을 반복한다.

non-sinusoidal waveform test(비 정현파 시험)으로서, 시험 항목이 A dimmer with tungsten load 장치일 경우, Unit 2(1000W Tungsten load)와 Unit 3 (600W tungsten load)을 이용하고, 1000W : off, 최소, 60°, 90°, 120°, 최대, off 단계를 반복하며, 각 단계에서 1분간 동작 후 램프 냉각을 수행하고, 600W는 1000W와 동일한 시험으로 수행한다.

An electronic variable-speed hand-held shop tool로서, Unit 1(Hand drill load 장치)를 이용하고, 무 부하에서 최소-최대-최소를 10초간 동작한다.

시험항목이 Two 40W fluorescent lamps load 장치일 경우, 10초간 on - off 동작을 수행한다.

Multiple load test(다중 부하 시험)일 경우, 부하 선택 박스에서 An electronic variable-speed hand-held shop tool과 Two 40W fluorescent lamps load 장치를 동시에 선택하고, non- sinusoidal waveform test(비 정현파 시험) 수행을 한다.

시험항목이 Air compressor Load 장치일 경우, 1분간 on - off를 5회 반복하고, 동작 이전에는 반드시 부하장치를 초기 상태로 유지한다.

시험항목이 1500W quartz lamp load 장치일 경우, 랜덤하게 5회 on 수행을 하고, 반드시 필라멘트가 식은 후 재 동작을 수행하며, 최소 100A의 Inrush current를 이용한다.

시험항목이 HID lighting일 경우, 3분간 on, 5분간 off를 5회 반복하는 데, 이때 최소 100A의 Inrush current가 필요하다.

240V Normal operation arcing test로서, 시험항목이 A blower motor 장치일 경우, plug/unplug으로 on/off를 수행하고, Full Load로 1분간 on - off를 5회 반복수행한다.

시험항목이 An appliance such as space heater일 경우, 4시간 동안 25회 이상 on/off를 수행하는 데, Bi-metal 아래에 충격을 위한 모터를 설치하고, 바이메탈 스위치와 열선을 이용한 장치로 제작한다.

시험항목이 A snap switch with tungsten load 장치일 경우, off, 최소, 60°, 90°, 120°, 최대, off 단계를 반복수행하며, 각 단계에서 1분간 동작 후 필히 램프 냉각을 수행한다.

시험항목이 Switch box일 경우, 각 테스트에 적합한 스위치를 선택하고, DSP보드로 작동 유무와 선택된 스위치의 상태를 PC로 송신한다.

시험항목이 부하선택 box일 경우, 각 테스트에 맞는 Load(부하)를 선택하고, DSP보드로 작동 유무와 선택된 부하를 PC로 송신한다.

다음으로, 아크 발생장치(30)는, 아크 차단기의 성능을 평가하기 위한 시험항목별 아크를 발생시키는 역할을 한다.

이러한 아크 발생장치(30)는 부하와 직렬로 연결되어 부하의 동작특성에 따라 직렬 아크 신호의 변화 여부, 부하전류의 크기에 따른 아크 크기 변화 여부, 아크로 인한 전원 전류의 크기 변화 여부를 분석할 수 있는 직렬 아크를 발생하는 직렬 아크 발생장치(Arc generator test)(31), 전선과 전선을 단락시킨 상태에서 발생하는 병렬 아크를 모의로 발생하는 병렬 아크 발생장치(Point contact test)(32), 단선된 도선 사이에서 생성된 카본 경로에서 정상전압의 인가시 발생하는 카본 경로 아크를 모의로 발생하는 카본 경로 아크 발생장치(Carbonized path test)(33)로 이루어진다.

먼저, 직렬 아크 발생장치(31)는, 부하(Load)와 직렬로 연결된 전원선에서 발생하는 아크(Arc)를 말하며, 부하의 동작 특성에 따라 직렬 아크가 변화되고 부하전류의 크기에 따라 아크의 크기가 달라지며, 직렬 아크 발생 시에는 전원 전류가 작아지는 특징을 갖는다.

이러한 직렬 아크 발생장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 정지 전극(stationary electrode)과 이동 전극(moving electrode)으로 구성되며, 양 전극이 접촉하여 완전히 폐 회로가 되도록 하고 전원을 인가한 후에 측면의 조절장치(sliding block)((lateral adjustment)를 통해 이동 전극이 정지 전극과 분리되면서 아크가 발생할 수 있도록 구현하는 것이 바람직하다.

직렬 아크 시험 장치에서 가장 중요한 사항은 전극계를 제작하는 것이다. 직렬 아크는 전극의 간격을 미세하게 조절하여 직렬 아크를 발생시키는 장치로써 전극의 모양과 판의 모양 및 전극 이동을 위한 장치가 중요하다.

전극의 형상은 침대 침, 침대 평판 등이 있으며, 본 발명에서는 침대 평판을 사용하였다. 또한, 전극의 이동이 매우 미세하고 정밀하도록 마이크로미터와 정밀한 베어링을 사용하였다. 전극과 관련된 세부내용은 다음과 같다.

- 전극의 두께: 0.25inch (6.4㎜)

- 침 전극의 상세: 0.7±0.3inch (18±7.68㎜)

- 고정전극: 동 봉(copper rod)

- 이동 전극: 카본 봉(carbon-graphite rod)

직렬 아크 발생장치(31)의 제어?계측 알고리즘은 실험 부하의 위치 변화에 적응하도록 구성하는 것이 바람직하다.

제어부(70)를 통해 시험하고자 하는 아크 차단기(AFCI) 샘플의 종류 및 정격을 입력하고 시험 전류를 결정한다. 아크가 발생할 때까지 전극을 천천히 분리시키면서 전극간 거리를 측정 및 조절하고 아크 발생 여부, 차단 시간, 부하전류 등을 측정하여 고장 아크를 판단하여 아크 차단기 샘플의 정상동작 여부를 결정한다. UL 1699의 규정에 따라 이와 같은 과정이 시험용 아크 차단기별 3회 반복되도록 구현하는 것이 바람직하다.

직렬 아크 발생 장치(31)에 연결되는 회로는 도 3에 도시한 바와 같이, 저항성 부하(Load bank), 일반 부하(Masking load), EMI 필터(EMI filter)가 연결된다.

저항성 부하와 일반 부하는 직렬 아크 발생 위치의 전, 후에 연결될 수 있도록 마그네틱 스위치(31a)를 이용하였다. EMI 필터는 직렬 아크 신호가 EMI 필터에 의해서 감소하였을 경우에도 AFCI가 동작하는지를 알아보기 위하여 필요한 설비로써 필터 입력은 전원 측에 연결되어야 하며, 필터 출력부에서 직렬 아크가 발생할 수 있도록 구성하였다.

저항성 부하(Load bank)는 UL 1699에서 제시하는 방법에 따라 5A, 10A, 차단기 정격전류, 정격의 150% 전류에서 시험할 수 있도록 구성하였고, 일반 부하(Masking load) 시험을 수행하기 위하여 청소기(Vacuum cleaner), SMPS, 컴프레서(Air compressor), 텅스텐램프(Tungsten lamp), 형광램프(Fluorescent lamp)를 연결할 수 있도록 구성하였다. 또한, 다른 다양한 부하도 연결할 수 있도록 구성하였으며 다양한 위치에서도 직렬 아크 시험을 실시할 수 있도록 구성하였다.

이렇게 구현된 직렬 아크 발생장치(31)는, 전면에 구비된 선택 스위치를 사용하여 저항성 부하, 일반 부하, EMI 필터를 전, 후에 연결할 수 있도록 하였고, 아크 발생을 시작(Start)하고 멈출(Stop) 수 있도록 구성하였다. 아크 발생은 수동으로 동작시킬 수 있는 방법과 자동으로 동작시킬 수 있도록 구성하였다.

상기 EMI 필터는 도 4에 도시한 바와 같이, inhibition test의 한 방법으로써 직렬 아크 발생 장치에 연결된다. EMI 필터는 시험 장치는 두 개의 0.22㎌ 콘덴서를 이용한다. 그 중 하나는 15.2m의 길이를 갖는 전선의 끝에 연결하고, 다른 하나는 또다시 15.2m의 길이를 갖는 전선의 끝에 연결한다. 각각의 콘덴서는 1.8m SJT 가요 코드 전선을 이용하여 연결한다.

이러한 직렬 아크 발생장치를 저항성 부하(Resistive load)에 적용한 경우, 신호 측정 및 분석은, 일반 가정에서 많이 사용되고 있는 백열 램프, 전기히터, 헤어드라이어를 선정하여 정상전류와 아크 고장 전류를 측정하고 그 특징을 분석하는 방법을 이용하였다.

도 5는 일반 가정의 화장실 및 식탁 등에서 많이 사용되고 있는 백열 램프의 정상전류와 아크 고장 전류 파형이다. 백열 램프가 정상 동작할 경우 입력 전류는 (a)와 같이 907㎃이며, 입력 전압은 219.5V로써 소비전력은 199.09W이다.

백열 램프는 필라멘트 저항에 의해 열과 빛을 내는 조명기구로써 정상전류는 저항성 부하에서 나타나는 정현파와 같은 형태이다. 기존의 논문에서 알려진 바와 같이 저항성 부하에서 발생하는 직렬 아크 고장 전류는 최대치 및 실효치의 변화가 없고, 영점에서 shoulder가 나타나지만 잡음이 없는 특징을 갖는다.

도 6은 일반 가정 및 사무실 등에서 난방용으로 사용되고 있는 전기 히터(Electric heater)의 정상전류와 아크 고장 전류이다. 히터가 정상 동작할 경우 입력 전류는 (a)와 같이 3,281㎃이며, 입력 전압은 218.5V로써 소비전력은 716.90 W이다.

전기 히터는 열선을 이용하는 난방 기구로써 정상전류는 저항성 부하에서 나타나는 정현파와 같은 형태이다. 백열 램프와 같이 최대치 및 실효치의 변화가 없고, 영점에서 shoulder가 나타나지만 잡음이 없는 특징을 갖는다.

도 7은 일반 가정에서 많이 사용하고 있는 가정용 헤어드라이어의 정상전류와 아크 고장 전류이다. 헤어드라이어가 정상 동작할 경우 입력 전류는 (a)와 같이 2,909㎃이며, 입력 전압은 221.4V로써 소비전력은 644.05W이다.

헤어드라이어는 소형 모터와 열선으로 구성된 가정용 기기로써 정상전류는 저항성 부하에서 나타나는 정현파와 같은 형태이다. 기존에 알려진 바와 같이 최대치 및 실효치의 변화가 없고, 영점에서 shoulder가 나타나지만 잡음이 없는 특징을 갖는다.

직렬 아크 발생장치를 일반부하(Masking load)에 적용한 경우, 신호 측정 및 분석은 다음과 같다.

Masking load의 직렬 아크 고장 신호의 측정 및 분석은 일반가정에서 많이 사용되고 있는 부하를 선정하여 정상전류와 아크 고장 전류를 측정하고 그 특징을 분석하였다.

도 8은 개인용 컴퓨터의 정상전류와 아크 고장 전류 파형이다. 컴퓨터 모니터와 본체가 정상 동작할 경우에 측정한 파형으로 입력전류는 (a)와 같이 671㎃이며, 입력전압은 220V로써 소비전력은 147.62W이다.

개인용 컴퓨터의 정상전류는 비선형 특성인 SMPS(Switched-mode Power Supply) 전류의 전형적인 형태를 갖는다. 직렬 아크 고장이 발생할 경우에는 최대치 및 실효치의 변화가 심하게 나타나며, shoulder에서 잡음이 많이 발생한다. 잡음의 주기와 파형의 왜곡이 불규칙하게 나타나는 특징을 갖는다.

도 9는 일반 가정에서 사용되는 19인치 텔레비전의 정상전류와 아크 고장 전류 파형이다. 텔레비전이 정상 동작할 경우 입력전류는 (a)와 같이 399㎃이며, 입력전압은 223V로써 소비전력은 88.98W이다.

텔레비전의 정상전류는 개인용 컴퓨터의 정상전류와 비슷하며, SMPS 전류의 전형적인 형태를 갖는다. 직렬 아크 고장이 발생할 경우에는 최대치 및 실효치의 변화가 심하게 나타나고 잡음이 많이 발생한다. 정상전류와 아크 고장 전류의 전체적인 특징이 개인용 컴퓨터와 동일한 형태를 갖는다.

도 10은 일반 가정의 화장실 및 현관 등에서 많이 사용되고 있는 CFL 램프의 정상전류와 아크 고장 전류 파형이다. CFL 램프가 정상 동작할 경우 입력 전류는 (a)와 같이 609㎃이며, 입력 전압은 217.6V로써 소비전력은 132.52W이다.

CFL 램프의 안정기에는 전파정류회로에 큰 평활용 커패시터가 포함되어 있기 때문에 일부 구간에서만 순간적으로 큰 전류가 흐르는 특징을 갖는다. 즉, 순간적으로 전류가 흐르고 많은 고조파 성분이 포함된 형태로 나타난다. 직렬 아크 고장이 발생할 경우에는 커패시터의 불규칙적인 충, 방전 현상으로 최대치 및 실효치의 변화가 심하고 아크 발생이 불규칙하게 산재된 형태로 나타나는 특징을 갖는다.

도 11은 일반 가정에서 많이 사용되고 있는 형광 램프의 정상전류와 아크 고장 전류이다. 형광 램프가 정상 동작할 경우 입력 전류는 (a)와 같이 492㎃이며, 입력 전압은 219V로써 소비전력은 107.75W이다.

형광 램프용 전자식 안정기에는 인버터와 같은 전력변환장치가 포함되어 있어 전류 파형의 왜곡이 크게 나타나지만, 입력 측에 역률 개선을 위한 능동역률개선회로(PFC)가 포함되어 있기 때문에 역률이 1에 가깝고 저항성 부하의 전류 형태를 갖는다. 따라서 직렬 아크 고장이 발생할 경우에는 저항성 부하에서 발생하는 shoulder가 나타나고 동시에 잡음이 많이 포함되는 특징을 갖는다.

도 12는 일반 가정에서 많이 사용되고 있는 가정용 냉장고의 정상전류와 아크 고장 전류이다. 냉장고가 정상 동작할 경우 입력 전류는 (a)와 같이 767㎃이며, 입력 전압은 221V로써 소비전력은 169.51W이다.

냉장고는 커패시터 기동, 구동 단상 유도전동기의 동작 특성에 의하여 전류 파형의 왜곡이 크게 나타나지만, 입력 측에 연결된 수동 PFC에 의하여 역률과 전류의 왜곡이 개선된다. 그러나 수동 PFC는 능동 PFC 보다 성능이 떨어지기 때문에 입력 전류에는 고조파 왜곡률(THD: Total harmonic distortion)이 높은 형태로 나타나게 된다. 직렬 아크 고장이 발생할 경우에는 shoulder가 발생하며, 동시에 잡음이 많이 포함되고 최대치의 변화가 나타나는 특징을 갖는다.

도 13은 일반 가정에서 사용되고 있는 전자레인지의 정상전류와 아크 고장 전류이다. 전자레인지가 정상 동작할 경우 입력 전류는 (a)와 같이 6.15A이며, 입력 전압은 2171V로써 소비전력은 1334.5W이다.

직렬 아크 고장이 발생할 경우에도 정상전류와 거의 비슷한 파형을 나타내고 있으며, 잡음 및 shoulder가 발생하지 않는다.

도 14는 일반 가정에서 사용되고 있는 백열 램프 Dimmer의 정상전류와 아크 고장 전류이다. 90°Dimmer 경우 입력 전류는 (a)와 같이 868㎃이며, 입력 전압은 216.6V로써 소비전력은 188W이다.

직렬 아크 고장이 발생할 경우에도 정상전류와 거의 비슷한 파형을 나타내고 있으며 shoulder에서 약간의 잡음이 발생되고 있다.

도 15는 일반 가정에서 사용되고 있는 에어컨의 정상전류와 아크 고장 전류이다. 에어컨이 정상 동작할 경우 입력 전류는 (a)와 같이 1.736A이며, 입력 전압은 221.6V로써 소비전력은 384.69W이다.

직렬 아크 고장이 발생할 경우에는 shoulder가 발생하며, 동시에 잡음이 많이 포함되고 최대치의 변화가 나타나는 특징을 갖는다.

도 16은 일반 가정에서 사용되고 있는 청소기의 정상전류와 아크 고장 전류이다. 청소기가 정상동작할 경우 입력 전류는 (a)와 같이 3.49A이며, 입력 전압은 217.8V로써 소비전력은 760W이다.

다음으로, 병렬 아크 발생장치(32)는 전선과 전선을 단락시킨 상태에서 발생하는 아크와 같은 아크를 발생한다. 따라서 전류가 매우 크기 때문에 전류를 제한하는 장치가 필요하다. 병렬 아크 시험을 위한 제한 전류는 도 17과 같이 120V에서는 75A, 100A, 150A, 200A, 300A, 500A이며, 240V에서는 120V 전류와 동일한 1,000 A까지 시험한다. 전류 제한은 케이블의 임피던스를 이용하여 케이블 길이로 제한하여야 한다. UL 1699 규격에서는 전류를 제한하는 방법을 제시하고 있는데, 75A 이하의 전류는 저항을 사용하고 75A 이상의 전류는 케이블을 이용하도록 제시하고 있다. 케이블의 길이를 이용하여 전류를 제한하는 장치를 본 발명에서는 병렬 아크 시험을 위한 전류제한장치라고 하였다.

병렬 아크 시험은 도 18과 같은 장치를 이용하도록 UL 1699에서 제시되고 있다. 전선을 자르는 칼날은 가로가 140㎜이며 세로는 32㎜이고 두께가 1.27㎜로 구성하였다. 칼날은 한번 사용하면 손상됨으로 인하여 쉽게 교체할 수 있도록 설계하는 것이 바람직하다. 칼날은 도선을 절단할 수 있도록 매우 단단하고 날카롭게 구성하였다. 병렬 아크 시험기에서 가장 중요한 점은 도 18에서와 같이 하나의 도선 도체 1/2이 잘려진 상태에서 나머지 하나의 도선 도체가 절단 구성되어야 한다는 것이다.

병렬 아크 발생 장치의 제어, 계측 알고리즘은 아크 실험의 위험성으로 인해 원격 제어, 계측이 가능하도록 구성하였으며, 알고리즘은 제어부를 통해 시험하고자 하는 아크차단기(AFCI) 샘플의 종류 및 정격을 입력하고 시험 전류를 결정하며, 이에 따라 전류를 제한하는 케이블의 길이를 선택하도록 하였다. 전원이 인가되면 칼날이 장착된 레버 암(lever arm)이 압축공기에 의해 코드 또는 케이블 견본을 절단할 수 있도록 하며 레버 암의 각도에 따라 먼저 한 도선이 칼날과 완전한 접촉이 되도록 하고 다른 도선은 점 접촉이 되도록 하였다. 두 도선이 차례로 접촉되어 아크가 발생하면 0.5초 내에 8개의 반주기가 나타나면 정상적인 유해 아크로 판단하여 아크차단기(AFCI)의 정상동작을 시험하도록 하였다. 만일 0.5초 내에 아크의 반주기가 8개 미만이거나 아크 차단기가 정상동작하지 않으면 모든 조건을 초기화하여 재시험을 실시할 수 있도록 구성하였다.

병렬 아크 발생 장치(32)는 도 19에서와 같이 자동으로 시험할 수 있는 장치와 수동으로 시험할 수 있도록 장치로 구성하였다. 병렬 아크 발생 장치는 전류 제한 장치를 통하여 연결되며, 각각 제시된 전류에서 시험할 수 있도록 구성하였다. 병렬 아크 발생 장치는 Line impedance 시험장치인 Armored cable 시험 장치 및 Steel pipe 시험 장치와 연결되며, 두 개의 Cross talk 장치와 연결되도록 구성하였다. 각 시험 장치와의 연결은 쉽게 조작할 수 있도록 마그네틱 스위치를 이용하였다.

자동 및 수동 장치에는 사고를 예방하기 위하여 비상 정지(Emergency stop) 마그네트 스위치를 갖추었으며, 위치 센서(sensor)와 타이머(T)를 통하여 시간을 조절할 수 있도록 하였다.

전류 제한장치(current limiting apparatus)는 케이블의 임피던스를 이용하여 단락상태에서도 일정전류로 전류를 제한하는 장치를 말한다.

전류 제한장치 개발을 위해서는 많은 병렬 아크 시험을 실시하여야 한다. 전선 길이에 따른 대략적인 임피던스를 계산하고 일정 전선으로 병렬 아크 시험을 실시한다. 적합한 전류가 발생되지 않을 경우에는 또다시 전선을 일정부분을 잘라내고 병렬 아크 실험을 실시한다. 이러한 실험은 적합한 전류가 발생될 때까지 실시한다. 본 발명에서 전류 제한 장치에 사용된 전선은 NM-B 12 AWG를 사용하였다.

도 20은 120V 75A용 전류제한 장치의 입력 측에서 측정한 파형이다. 전류제한 장치를 연결하지 않은 상태에서는 입력전압을 120V로 설정하였으나, 전류제한 장치를 연결하고 측정한 결과는 113V로 감소하였다.

도 21은 개발된 120V 100A용 전류제한 장치의 입력 측에서 측정한 파형으로써, 입력전압은 112V이며 입력전류는 100A임을 확인할 수 있다.

도 22는 개발된 120V 150A용 전류제한 장치의 입력 측에서 측정한 파형으로써, 입력전압은 107V이며 입력전류는 150A임을 확인할 수 있다.

도 23은 개발된 120V 200A용 전류제한 장치의 입력 측에서 측정한 파형으로써, 입력전압은 102V이며 입력전류는 200A임을 확인할 수 있다.

도 24는 개발된 120V 300A용 전류제한 장치의 입력 측에서 측정한 파형으로써, 입력전압은 97V이며 입력전류는 300A임을 확인할 수 있다.

도 25는 개발된 120V 500A용 전류제한 장치의 입력 측에서 측정한 파형으로써, 입력전압은 92V이며 입력전류는 463A임을 확인할 수 있다.

도 26은 개발된 240V 75A용 전류제한 장치의 입력 측에서 측정한 파형으로써, 입력전압은 232V이며 입력전류는 75A임을 확인할 수 있다.

도 27은 개발된 240V 100A용 전류제한 장치의 입력 측에서 측정한 파형으로써, 입력전압은 230V이며 입력전류는 100A임을 확인할 수 있다.

도 28은 개발된 240V 150A용 전류제한 장치의 입력 측에서 측정한 파형으로써, 입력전압은 226V이며 입력전류는 150A임을 확인할 수 있다.

도 29는 개발된 240V 200A용 전류제한 장치의 입력 측에서 측정한 파형으로써, 입력전압은 221V이며 입력전류는 200A임을 확인할 수 있다.

도 30은 개발된 240V 300A용 전류제한 장치의 입력 측에서 측정한 파형으로써, 입력전압은 215V이며 입력전류는 300A임을 확인할 수 있다.

도 31은 개발된 240V 500A용 전류제한 장치의 입력 측에서 측정한 파형으로써, 입력전압은 212V이며 입력전류는 502A임을 확인할 수 있다.

Cross talk 시험은 아크가 발생된 회로의 영향이 다른 회로에 전달되는 정도를 시험하는 것을 말한다. 한 회로에서 병렬 아크 고장이 발생할 경우, 다른 회로에 영향이 전달되지 않아야 한다는 것이다. Cross talk 시험은 두 가지 방법이 제시되고 있다. 하나는 도 32과 같이 덕트를 이용하는 방법이 있으며, 두 번째 방법은 도 33과 같이 스테플러를 이용하는 방법이 있다.

도 32와 같이 덕트를 이용하는 방법은 두 개의 회로를 하나의 덕트에 삽입하고, 각각의 회로에 과전류차단기(MCCB)와 아크 차단기(AFCI)를 설치한다. 과전류 차단기 회로에서 병렬 아크 고장 시험(point contact)을 실시할 경우, 옆에 설치된 AFCI에는 영향이 없어야 한다. 덕트의 길이는 7.62m이며, 시험전류는 150A이다.

도 33과와 같이 스테플러를 이용하는 방법은 두 개의 케이블(NM-B)을 일렬로 배열하고, 스테플러를 이용하여 1.22m 간격으로 고정한다. 각각의 회로에는 과전류차단기(MCCB)와 아크 차단기(AFCI)를 설치한다. 과전류 차단기 회로에서 병렬 아크 고장 시험(point contact)을 실시할 경우, 옆에 설치된 AFCI에는 영향이 없어야 한다. 케이블의 길이는 7.62m이며, 시험전류는 150A이다.

Line impedance 장치는 전선의 길이가 길어질 경우에 전선에서 나타나는 임피던스의 영향으로 아크 신호가 감쇄되어 차단기의 동작에 영향을 미치는지를 시험하는 장치이다. Line impedance 장치는 병렬 아크 고장 시험을 실시할 경우에 사용된다.

Line impedance 장치는 도 34와 같이 steel armored 케이블(MC 케이블)을 사용하는 장치와, 도 35와 같이 steel pipe를 사용하는 장치로 나누어진다. Steel armored 케이블을 이용하는 장치는 도 34와 같이 케이블 30.5m를 설치하고 armonred 케이블의 금속 피복을 이용하여 시험한다.

도 35와 같이 steel pipe를 사용하는 장치는 steel pipe의 금속 도체에 흐르는 전류를 이용하고, 15.2m NM-B 케이블을 90°로 4번 구부린 상태에서 시험할 수 있도록 구성하여야 한다.

다음으로, 카본 경로 아크 발생장치(33)는 도 36과 같이 절단된 도선에 7,500V를 인가하여 절단된 도선 사이에 카본 경로를 생성시키고 생성된 카본 경로를 통하여 정상 전압을 인가함으로써 정상전압 인가 상태에서 아크를 발생하게 된다.

카본 경로 시험 장치는 다음과 같이 3종류를 시험할 수 있도록 구성하였다. 각 실험에 대한 아크 유형은 직렬 아크와 병렬 아크로 나누어진다.

- 카본 경로 아크 점등 시험(ignition test) : 직렬 아크

- 카본 경로 아크 차단 시험(interruption test) : 병렬 아크

- 카본 경로 제거시간 시험(clearing time test) : 직렬 아크

카본 경로 아크 점등시험(arc ignition test) 및 아크 제거시간시험(arc clearing time test) 전류는 5A, 10A, 아크 차단기 정격전류, 아크 차단기 정격 150% 전류로 시험할 수 있도록 구성하였다. 20A 아크 차단기인 경우에는 5A, 10A, 20A. 30A로 시험한다. 현재 판매되고 있는 아크 차단기는 20A용 아크 차단기가 최대전류이며 그 이상은 생산되지 않는다. 30A용 아크 차단기는 코드(Code)형식을 말하고 있으며 현재 생산되는 제품은 없다. 카본 경로 아크 차단시험(arc interruption test) 전류는 75A, 100A이며, 전류 제한장치로 전류를 제한할 수 있도록 구성하였다.

시험을 위한 AFCI는 각각의 정격에서 도 37에서 제시된 시간 이내에 아크 고장을 제거할 수 있도록 구성하였다.

도 38은 카본 경로 아크 점화시험 회로도로써 직렬 아크 시험을 위한 장치이다. 입력 측에 시험을 위한 AFCI를 설치하고 전원을 인가한다. 인가된 전원은 접점 NC을 통하여 15kV 변압기에 인가되고 2차측 회로에 7,500V가 인가되도록 구성하였다. 이때 잘려진 도선 사이에서는 카본이 생성된다. 10초 후에는 NO 접점이 ON되어 부하에 전원 전압(120V)이 인가된다. 이때 인가된 전원 전압으로 생성된 카본에서 아크가 발생하며, 이 아크로 AFCI를 동작시키게 된다. AFCI가 동작되지 않을 경우에는 10초 간격으로 카본 생성 동작을 반복하도록 구성하였다.

도 39는 카본 경로 아크 차단시험 회로도로써 병렬 아크 시험을 위한 장치이다. 입력 측에 시험을 위한 AFCI를 설치하고 전원을 인가한다. 인가된 전원은 접점 NC을 통하여 15kV 변압기에 인가되고 2차측 회로에 7,500V가 인가되도록 구성하였다. 이때 절단된 도선 사이에서는 카본이 생성된다. 10초 후에는 NO 접점이 ON되어 생성된 카본을 통하여 단락 회로가 구성된다. 인가된 전원 전압으로 생성된 카본에서 아크가 발생하며, 이 아크로 AFCI를 동작시키게 된다. AFCI가 동작되지 않을 경우에는 10초 간격으로 카본 생성 동작을 반복하도록 구성하였다. 단락 회로에서 전류를 제한하기 위한 전류제한장치가 입력 측에 설치되도록 구성한다. 시험전류는 75A와 100A를 시험할 수 있도록 구성하였다.

탄화 경로 아크 발생 장치의 제어 알고리즘은 제어부를 통해 시험하고자 하는 아크차단기(AFCI) 샘플의 종류 및 정격을 입력하고 시험 전류를 결정하며, 전원을 인가한 후에 단락 스위치(shorting switch)를 통해 견본으로 폐회로가 형성되도록 하였다. 고장 아크 검출 알고리즘을 통해 아크로 판단되면 아크 차단기의 동작 여부 및 아크 제거시간을 측정하여 아크 차단기의 성능을 판단할 수 있도록 하였다. 만일 고장 아크 검출 알고리즘에서 아크가 발생하지 않은 것으로 판단되면 코드 견본이 불량한 것으로 판단하고 새로운 견본으로 재시험을 실시할 수 있도록 구성하였다.

카본 경로 시험장치의 전원에는 안전사고를 예방하기 위하여 도 40과 같이 배선용차단기 100A를 설치하였다. 120V와 240V(220V)를 시험할 수 있도록 Mg-1, Mg-2를 설치하였고 변압기 전원과 제어 전원을 별도로 구성하였다.

하나의 카본 경로 아크 발생 장치로 아크 점화시험과 차단시험을 실시하기 위하여 도 41과 같이 아크 점화시험용 Mg-7과 아크 차단시험용 Mg-8를 설치하여 구현하였다.

카본 경로 아크 발생 장치에는 저항 부하장치(Load bank), 일반 부하장치(Masking load), EMI 필터장치가 연결되도록 도 42와 같이 구성하였다. 저항 부하장치 및 일반 부하장치는 카본 점화시험 장치와 카본 차단시험 장치의 전단과 후단에 연결할 수 있도록 마크네트 스위치를 이용하였다. 또한 아크 제거시험을 위한 견본품을 만들 수 있도록 단락 스위치(shorting switch)를 연결할 수 있는 Mg-17를 구현하였다.

아크 제거시험을 쉽게 하기 위하여 카본 경로시험 장치에 도 43과 같이 아크 제거시험 장치를 구성하였다. 따라서 본 발명에서는 하나의 장치를 이용하여 아크 점화시험, 아크 차단시험, 아크 제거시험을 동시에 실시할 수 있도록 구현하였다.

도 44 및 도 45는 카본 경로 아크 점화실험 결과를 나타낸다. 입력 측에 시험을 위한 AFCI를 설치하고 전원을 인가한다. 인가된 전원은 접점 NC을 통하여 15kV변압기에 인가되고 2차측 회로에 7,500V가 인가된다. 이때 절단된 도선 사이에서는 카본이 생성된다. 10초 후에는 NO 접점이 ON되어 부하에 전원 전압(220V)이 인가된다. 이때 인가된 전원 전압으로 생성된 카본에서 아크가 발생되며, 이 아크로 AFCI를 동작시키게 된다. AFCI가 동작되지 않을 경우에는 10초 간격으로 카본 생성 동작을 반복한다. 실험을 위하여 부하로 백열 램프를 연결하였고 부하로 입력되는 단자전압, 입력전류, 아크 전압을 측정하였다.

도 44에서 Ch1은 부하에 인가되는 전압으로 196.4V를 나타내며, Ch2는 이때 부하로 흐르는 전류로써 1.2A이다. Ch3은 카본에 의하여 아크가 발생되는 아크 전압으로써 구형파의 형태를 나타낸다. 부하전류와 아크 전압은 직렬 아크에서 발생되는 파형의 형태와 유사하게 나타난다. 도 45는 부하로 연결된 단자전압과 입력전류를 나타내고 있다. 입력 전류의 형태는 직렬 아크 고장 전류와 유사하게 나타나고 있으며 단자전압이 왜곡되는 특징이 나타나고 있다.

카본 경로 아크 차단시험은 병렬 아크 시험에 해당된다. 도 46과 도 47은 병렬 아크가 발생될 경우에 나타나는 아크 차단시험 파형을 나타내고, 도 48은 병렬 아크가 발생되지 않을 때 나타나는 아크 차단시험 파형을 나타낸다.

도 46에서 Ch1은 카본 경로시험용 변압기 1차측 전압이며 Ch2는 아크 차단시험 전류이고 Ch4는 단자전압이다. 병렬 아크가 발생하면 아크 임피던스가 변화되면서 Ch4와 같은 아크 전압이 발생되고, 이때 입력 전류는 Ch2와 같이 잡음의 형태로 나타난다. 도 47은 입력전류가 다른 형태로 나타나고 있음을 알 수 있다. 도 48은 병렬아크가 발생되지 않을 경우의 입력전류와 단자전압을 나타낸다.

변압기 2차측에서 부하가 없을 경우에는 단자 전압이 7,500V가 나타난다. 그러나 도 48에서와 같이 단자 전압의 최대치가 6,000V 정도가 나타나고 있으며 구형파의 형태를 나타내고 있는 것은 변압기 2차측에 있는 릴레이 접점에서 아크가 발생하기 때문이다. 아크 전압이 전선에서 발생되지 않고 릴레이에서 발생되기 때문에 전류가 흐르지 않는다.

국내에서 개발된 cord AFCI, 15[A]를 대상으로 카본 경로 아크 제거실험(carbonized path arc clearing time test)을 실시하였다. CH1은 도 49에서처럼 탄화경로로 흐르는 전류를 측정하였고, CH2는 부하전류를 측정하였다. UL 1699에서는 부하전류 5[A]이상에서 발생되는 아크 고장시 아크 고장을 검출하여 차단하도록 규정되어 있다.

시험결과 시험전류 1[A]와 2[A]에는 (a), (b)처럼 아크 고장이 발생되어도 AFCI는 동작하지않아 아크 고장이 지속되고 있는 것을 알 수 있었다. (c)는 UL 1699의 규정된 시험전류보다 작은 시험전류인 3[A]에도 AFCI가 아크 고장을 검출하여 2주기(0.03초)만에 동작되어 아크 고장을 차단하는 것을 볼 수 있다. (d)는 시험전류 5.3[A]에서 한주기반(0.025초)만에 AFCI가 동작되어 아크 고장을 차단하였으며, (e)는 시험전류 6.8[A]에서도 한주기반(0.025초)만에 AFCI가 동작되어 아크고장을 차단하는 것을 알 수 있었다. (f)는 시험전류 8.4[A]에서 한주기(0.017초)만에 아크 고장을 검출하여 AFCI가 동작되는 파형이다. 시험용 cord AFCI는 아크 발생시 모든 시험전류에 따라 적합하게 아크를 차단하는 것을 알 수 있었다.

도 50은 AFCI와 누전차단기의 비교시험 결과이다. 부하전류 3.6[A]인 경우 AFCI는 한주기반(0.025초)만에 아크 고장을 차단하는 것을 볼 수 있었으나, 누전 차단기가 설치되어 있는 시험에서는 (b)처럼 아크 고장이 지속되어도 누전차단기는 아크고장을 차단하지 못해 지속적으로 아크 고장이 발생 되었으며 이로 인해 시험전선이 발화되었다.

다음으로, 부적합 아크 차단 시험장치(60)는 부적합한 아크 차단 동작을 시험하는 기능을 수행하게 되고, 제어부(70)는 상기 AFCI 시험장치(20)와 아크 발생장치(30)와 시험용 부하부(40) 및 부적합 아크 차단 시험장치(60)의 전체 동작을 제어하며, 아크 고장신호 분석을 수행한다.

아크 고장 신호분석은 다양한 부하 기기의 전원선에서 발생하는 직렬 아크 고장 전류의 특징을 분석하는 것이 목적이다. 따라서 본 발명에서는 주지한 바와 같이 가정용 부하 기기 8종(컴퓨터, 텔레비전, CFL램프, 형광램프, 냉장고, 백열 램프, 전기히터, 드라이어)을 대상으로 직렬 아크 고장 전류를 측정하고 특징을 분석하였다.

부하 기기는 비선형 부하 5종과 선형 부하 3종이며, 부하전류의 형태에 따라 분류하면 부하 기기 내부에 능동역률개선회로(PFC: Power Factor Correction)가 포함되어 있지 않은 3종의 부하(개인용 컴퓨터, 텔레비전, CFL 램프)와 PFC가 포함되어 있는 2종의 부하(냉장고, 형광램프) 그리고 3종의 저항성 부하(백열램프, 전기히터, 헤어드라이어) 등을 생각할 수 있다. 여기서는 컴퓨터, 텔레비전, 냉장고, 백열전구에 관련된 자료를 중심으로 아크 고장 신호분석을 수행하였다.

아크 발생조건을 동일하게 유지하기 위하여 아크 고장전류 1회 발생 후, 고정 전극의 구리 봉의 표면이 동일하게 되도록 하였다. 측정은 오실로스코프(Lecroy 1MS/s sample rate)를 이용하였고, 정상전류와 아크 고장 전류를 측정하기 위한 CT는 Lecroy AP015(50)를 사용하였다.

도 51은 저항성 부하의 전원선에서 직렬 아크 고장으로 나타나는 입력전류와 아크 전압 파형이다. 아크 전압은 통상 정상상태에서는 거의 보기 힘든 구형파 형태로 나타난다. 이러한 아크 전압은 부하전류와 동일한 주기로 발생되고 있는데, 부하전류의 크기뿐만 아니라, 아크 발생조건 등에 따라 크게 달라진다. 즉, 직렬로 연결된 도선 간 전압으로서 아크 전압을 정확히 검출할 수 있다면 아크 고장의 발생 유, 무를 쉽게 알아낼 수 있다. 그러나 아크 전압은 아크가 발생한 지점의 양단에서 측정하여야 하기 때문에 아크 발생 위치를 미리 예측할 수 없으므로 아크 검출의 기준으로는 적합하지 않다.

또한, 도 51에서 직렬 아크 고장전류는 부하 임피던스와 아크 임피던스가 결합한 상태에서 나타나므로, 그 크기는 부하전류의 정상치와 유사하거나 대체로 작은 특징을 갖고 있다. 특히 아크가 발생할 때 부하전류의 극성이 변화되는 순간, 즉 영점에서 아크 고장전류가 거의 영으로 되는 현상(본 발명에서는 영점 구간(shoulder 또는 extinction and re-ignition)으로 표현함)이 발생하는 특징을 갖는다. 도 51에서 작은 박스에는 영점 구간(shoulder)이 나타남을 확대해 보이고 있다.

주지한 도 7의 개인용 컴퓨터의 정상전류와 아크 고장 전류 파형을 살펴보면, 컴퓨터 모니터와 본체가 정상 동작할 경우에 측정한 파형으로 입력전류는 (a)와 같이 671㎃이며, 입력전압은 220V이며 그때 소비전력은 147.62W이다. 개인용 컴퓨터의 정상전류는 비선형 특성인 SMPS(Switched-mode Power Supply) 전류의 전형적인 형태를 갖는다. 직렬 아크 고장이 발생할 경우에는 최대치 및 실효치의 변화가 심하게 나타나며, shoulder에서 잡음이 많이 발생한다. 잡음의 주기와 파형의 왜곡이 불규칙하게 나타나는 특징을 갖는다.

주지한 도 9의 일반 가정에서 사용되는 19인치 텔레비전의 정상전류와 아크 고장 전류 파형을 살펴보면, 텔레비전이 정상 동작할 경우 입력전류는 (a)와 같이 399㎃이며, 입력전압은 223V로써 소비전력은 88.98W이다. 텔레비전의 정상 전류는 개인용 컴퓨터의 정상 전류와 비슷하며, SMPS 전류와 같이 전형적인 형태를 갖는다. 직렬 아크 고장이 발생할 경우에는 최대치 및 실효치의 변화가 심하게 나타나고 잡음이 많이 발생한다. 정상전류와 아크 고장 전류의 전체적인 특징이 개인용 컴퓨터와 동일한 형태를 갖는다.

주지한 도 13의 일반 가정에서 많이 사용되고 있는 가정용 냉장고의 정상전류와 아크 고장 전류를 살펴보면, 냉장고가 정상 동작할 경우 입력 전류는 (a)와 같이 767㎃이며, 입력 전압은 221V로써 소비전력은 169.51W이다. 냉장고는 커패시터 기동, 구동 단상 유도전동기의 동작 특성에 의하여 전류 파형의 왜곡이 크게 나타나지만, 입력 측에 연결된 수동 PFC에 의하여 역률과 전류의 왜곡이 개선된다. 그러나 수동PFC는 능동PFC 보다 성능이 떨어지므로 입력 전류에는 고조파 왜형률(THD: Total harmonic distortion)이 높은 형태로 나타난다. 직렬 아크 고장이 발생할 경우에는 shoulder가 발생하며, 동시에 잡음이 많이 포함되고 최대치의 변화가 나타나는 특징을 갖는다.

주지한 도 5의 일반 가정의 화장실 및 식탁 등에서 많이 사용되고 있는 백열 램프의 정상전류와 아크 고장 전류 파형을 살펴보면, 백열 램프가 정상 동작할 경우 입력 전류는 907㎃이며, 입력 전압은 219.5V로써 소비전력은 199.09W이다. 백열 램프는 필라멘트 저항에 의해 열과 빛을 내는 조명기구로써 정상전류는 저항성 부하에서 나타나는 정현파와 같은 형태이다. 기존의 논문에서 알려진 바와 같이 저항성 부하에서 발생되는 직렬 아크 고장 전류는 최대치 및 실효치의 변화가 없고, 영점에서 shoulder가 나타나지만 잡음이 없는 특징을 갖는다.

앞에서 측정한 아크 파형을 분석하기 위해 본 발명에서는 웨이브렛(Wavelet) 분석과 고속 푸리에변환(FFT) 분석을 수행하였다.

먼저, 웨이브렛 분석을 살펴보면, 아크 고장 전류와 정상전류의 차이를 정확히 검출하기 위해서는 전류의 형태뿐만 아니라 주기적으로 변화하는 특징을 정확히 파악하는 것이 중요하다. 기존의 논문에서는 이산 웨이브렛 변환의 상세계수 분석방법을 이용하여 최대치, 실효치, shoulder 발생 유, 무 등의 주기적인 변화를 분석하였으나, 본 발명에서는 이산 웨이브렛 변환의 근사계수를 분석하여 최대치, 실효치, 잡음량, shoulder 유지시간의 주기적인 변화를 분석하는 방법을 사용한다. 최근에 가정용 부하 기기로 많이 사용되는 비선형 부하 기기의 정상전류에는 도 7의 b처럼 shoulder가 포함된 형태를 갖고 있음에 따라 shoulder의 유,무로 직렬 아크 고장을 판별하는 방법은 사용할 수 없다. 그러나 비선형 부하 기기에서 발생하는 직렬 아크 고장 전류는 도 8과 같이 최대치, 실효치, shoulder의 유지시간이 불규칙하게 변화하고, shoulder에 써지성 파형과 잡음이 불규칙하게 포함되는 특징을 갖는다.

따라서 본 발명에서는 아크 고장 전류의 특징인 불 규칙적인 변화를 분석하기 위해서 이산 웨이브렛 변환의 근사계수를 분석하는 방법을 이용하였다. 이산 웨이브렛 변환의 근사계수를 분석하는 방법은 임의의 모 웨이브렛 함수를 사용하고 어느 일정 레벨까지 분해하여 아크로 인한 써지성 파형과 잡음을 제거하고 최대치, 실효치, 잡음량, shoulder의 유지시간 변화를 분석하여 정상전류와 아크 고장 전류의 차이를 비교하는 방법이다.

이러한 방법을 이용하여 가정용 부하 기기의 전원선에서 발생하는 직렬 아크 고장 전류를 분석하는 과정은 다음과 같다. 부하 기기로 입력되는 부하전류를 검출하고 A/D 변환을 수행한 후 이산 웨이브렛 변환을 4 레벨까지 수행하여 최대치, 실효치, shoulder 유지시간의 변화율을 계산한다. 잡음 량의 변화율은 레벨 4와 레벨 1의 차로 계산한다. 직렬 아크 고장의 발생 유, 무는 계산된 변화율의 크기에 따라 결정된다.

측정된 원 신호(orignal signal)를 x(t)라 하면, 이산 신호 X[n]은 아래의 식 (1)과 같이 정의될 수 있다. 여기서 한 주기 샘플링 개수 N은

여기서,

는 입력전류의 주기(1/60)이고 n은 상수이며,

는 표본화 시간(Sampling time)이다. 본 발명에서 측정한 정상전류와 아크 고장 전류의 표본화 시간은 8.3㎲이다. 즉, 원 신호의 주파수 범위는 0 ~ 120㎑가 된다. 원 신호를 이산 웨이브렛 변환하면, 근사계수와 상세계수로 분리되고, 샘플링 개수와 주파수 범위가 1/2씩 나누어진다. 이러한 분해는 레벨 4까지 계속되며, 레벨 4에서 근사계수의 주파수 범위는 0 ~ 7.5㎑가 된다.

본 발명에서는 도 52에서와 같이 6 주기 전류를 12구간으로 나누어 변화율을 분석하였으며, 각각의 반주기에 대한 정상전류와 아크 고장 전류를 하기의 식 (2), 식 (3)과 같이 정의하였다.

최대치, 실효치의 변화는 하기의 식 (4), 식 (5)에 의하여 계산되고 잡음량의 변화는 하기의 식 (6)와 같이 분해 레벨 1의 신호와 분해 레벨 4 신호의 차로 구한다.

여기서,

은 분해 레벨 4에서의 정상전류와 아크 고장 전류이며,

은 분해레벨 1에서의 정상전류와 아크 고장 전류이다.

12 구간에 대한 최대치 변화율은 하기의 식 (7)과 같이 계산되고, 실효치 및 잡음량의 변화율도 같은 방법으로 계산된다.

Shoulder의 유지시간 변화는 하기의 식 (8)과 같이 계산된다.

여기서,

은 아래의 식 (9)와 같다.

Shoulder의 유지시간은 도 52와 같이 정상전류의 최대치(p)에 대한 0점에서의 높이(h)를 결정하고, h에 포함된 샘플링의 개수를 구하는 방법을 사용하였다. (a)와 같이 정상전류 한 주기의 샘플링 개수는 8개가 되며, (b)와 같이 shoulder가 나타나는 아크 고장 전류에서는 한 주기의 샘플링 개수가 11개가 발생하는 것을 알 수 있다. 이와 같이 shoulder의 유지시간이 길게 발생할 경우에는 아크 고장 전류의 샘플링 개수가 증가하게 된다.

이러한 방법으로 본 발명에서 측정된 8개 부하의 shoulder 유지시간 변화율을 계산하고 평균값을 높이 h에 대하여 분석한 결과가 도 53이다.

높이 h가 낮아질수록 정상전류에서 감소되는 샘플링 개수가 아크 고장 전류에서 감소되는 샘플링 개수보다 더 커지기 때문에 shoulder 유지시간의 변화율이 상승되는 것을 알 수 있다. 또한, 높이 h의 변화에 따라 분석 결과에는 큰 영향을 미치지 않으며, 높이 h가 높아질수록 기울기의 변화가 작아지고 있어 본 발명에서는 높이 h를 1/20로 선정하였다.

직렬 아크 고장 전류는 최대치, 실효치, 잡음량, shoulder 유지시간이 주기에 따라 불규칙적으로 변화한다. 이러한 특성을 수치적으로 정량화하기 위하여 본 발명에서는 6주기 측정한 전류 파형을 이용하여 변화율을 계산하였다. 도 52와 도 55에서와 같이 각각의 주기를 극에 관계없이 파형의 음극을 양극으로 바꾸고 파형을 12 등분하여 구간들 사이에서 측정된 최대치, 실효치, 잡음량, shoulder의 유지시간을 정상전류와 비교하여 차이 값을 얻는다. 얻어진 이 차이 값들을 평균하면 하나의 상수로 나타낼 수 있으며, 이 값들은 정상전류에 대한 아크 고장 전류의 변화를 표현한다. 그러나 각각의 부하에 따라 전류의 크기가 다르기 때문에 결과로서 나타나는 최대치 등의 변화 수치는 아크 고장 검출 기준으로 사용될 수 없다. 즉, 변화의 크기는 아크 발생 조건이나 부하의 종류 및 부하 용량에 따라 그 변화가 일관되지 않기 때문이다.

일관된 정량적 변화의 크기를 구하기 위하여 정상전류 각각의 값에 대한 비율로서 아크 고장 전류의 구간별 값을 표시하고, 상대적 값들의 변화에 대한 평균을 부하별로 분석하였다. 제안된 방법으로 분석한다면 부하 종류별 정상전류에 대한 아크 고장 전류 값들의 변화를 관찰할 수 있다.

주지한 도 8과 같은 개인용 컴퓨터의 정상전류 및 아크 고장 전류 파형에서 볼 수 있듯이 직렬 아크 고장 전류에는 고주파 잡음이 파형에 섞여 있음에 따라 직접적으로 최대치, 실효치, shoulder 유지시간의 값을 알아내기가 어렵고, 직렬 아크 고장으로 인해 발생한 고주파 잡음을 계산할 수 없다. 그러므로 도 56과 같이 이산 웨이브렛 변환의 근사계수를 이용하여 파형에 섞인 고주파 잡음을 제거한 후, 최대치, 실효치, shoulder 유지시간을 계산하고, 직렬 아크 고장으로 인해 발생한 고주파 잡음량을 별도로 분석하는 방법을 사용한다. 본 발명에서 제시한 이산 웨이브렛 변환의 근사계수를 이용한 분석 방법을 사용하여 개인용 컴퓨터의 정상전류를 30회 측정하고 변화율을 분석한 결과, 최대치, 실효치, 잡음량, shoulder 유지시간 변화율은 도 58과 같이 나타나고, 그 값은 거의 0에 근접함을 알 수 있다. 결국, 각 부하의 정상전류에서는 최대치, 실효치, shoulder의 유지시간, 잡음량 변화가 거의 발생하지 않음을 의미한다.

이와는 다르게 아크 고장 전류의 경우에는 최대치, 실효치, 잡음량, shoulder 유지시간의 변화가 나타난다. 비교의 예로서 30회 측정한 아크 고장 전류 분석 결과를 도 58에 나타내었다. 이러한 방식을 적용하면, 각 부하 기기의 전원선에서 발생하는 아크 고장 전류와 정상전류의 차이점을 쉽게 알 수 있다.

가정용 부하 기기 8종의 전원선에서 발생하는 아크 고장 전류와 정상전류를 각각 30회씩 측정하고, 제안한 이산 웨이브렛 변환의 근사계수를 분석하는 방법을 사용하여 최대치, 실효치, 잡음량, shoulder 유지시간의 변화를 정상전류의 상대적 변화율로 비교하였다. 도 59에서 도 62까지는 각각의 부하에 대한 최대치, 실효치, 잡음량, shoulder 유지시간의 변화율 분포를 나타낸 그림이다.

도 59의 최대치 변화율에서는 개인용 컴퓨터, 텔레비전, CFL 램프가 높게 나타나고 있으며, 형광램프, 백열램프, 전기 히터, 헤어드라이어는 거의 0에 근접해 있다. 아크 고장 판단기준을 0.1로 하였을 경우 아크 검출 확률은 개인용 컴퓨터 - 100%(30개), 텔레비전 - 97%(29개), CFL 램프 - 100%(30개)이다. 즉, 컴퓨터, 텔레비전, CFL 램프는 최대치 변화율을 사용하여 아크 고장을 검출할 수 있으나, 그 이외의 부하는 최대치 변화율로 아크 고장을 검출할 수 없다. 특히 형광램프, 백열 램프, 전기 히터, 헤어드라이어는 최대치 변화율로 아크 고장을 검출할 수 없다.

도 60은 실효치 변화율에서는 개인용 컴퓨터, 텔레비전, CFL 램프가 높게 나타나고 있으며, 형광램프, 백열 램프, 전기 히터, 헤어드라이어는 거의 0에 근접해 있다. 아크 고장 판단기준을 0.1로 하였을 경우 아크 검출 확률은 컴퓨터 - 100%(30개), 텔레비전 - 97%(29개), CFL 램프 - 100%(30개)이다. 즉, 개인용 컴퓨터, 텔레비전, CFL 램프는 실효치 변화율을 사용하여 아크 고장을 검출할 수 있으나, 그 이외의 부하는 실효치의 변화율로 아크 고장을 검출할 수 없다. 특히, 형광램프, 백열 램프, 전기 히터, 헤어드라이어는 실효치의 변화율로 아크 고장을 검출할 수 없다.

도 61의 잡음량 변화율에서는 개인용 컴퓨터, 텔레비전, CFL 램프, 형광램프, 냉장고가 높게 나타나고 있으며, 백열 램프, 전기 히터, 헤어드라이어는 낮은 값을 나타내고 있다. 아크 고장 판단기준을 0.1로 하였을 경우 아크 검출 확률은 개인용 컴퓨터, 텔레비전, CFL 램프, 형광램프, 냉장고가 모두 0.1을 초과하여 100%의 검출 확률을 갖는다. 즉 개인용 컴퓨터, 텔레비전, CFL 램프, 형광램프, 냉장고는 잡음량 변화율을 사용하여 아크 고장을 검출할 수 있으나, 그 이외의 부하는 잡음량의 변화율로 아크 고장을 검출할 수 없다.

도 62는 shoulder 유지시간 변화율에서는 형광램프, 냉장고, 백열 램프, 전기 히터, 헤어드라이어가 높게 나타나고 있으며 개인용 컴퓨터, 텔레비전, CFL 램프는 낮은 값을 나타내고 있다. 아크 고장 판단기준을 0.1로 하였을 경우 아크 검출 확률은 형광램프, 냉장고, 백열 램프, 전기 히터, 헤어드라이어가 모두 0.1을 초과하여 100%의 검출 확률을 갖는다. 즉 형광램프, 냉장고, 백열 램프, 전기 히터, 헤어드라이어는 shoulder 유지시간 변화율을 사용하여 아크 고장을 검출할 수 있으나, 그 이외의 부하는 shoulder 유지시간 변화율로 아크 고장을 검출할 수 없다.

다음으로, 주파수(FFT) 분석을 도 63 내지 66을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 컴퓨터, 백열전구 등 4개의 가정용 부하의 전원 선에서 발생하는 아크 고장 전류를 주기별 FFT 분석하였다. 6주기를 샘플링하는 것을 기본으로 하되 실제 아크 분석 및 판단을 위해 시간단축의 의미에서 도 63에서 도 66까지 6주기에서 하나씩 줄여 가며 FFT를 분석하였다.

PFC가 없는 도 63의 컴퓨터와 도 64의 텔레비전의 경우, 3주기 이상은 기본파를 포함한 홀수 고조파 사이에 존재하는 우수차 고조파가 나타나고 있어 아크를 판단할 수 있는 하나의 기준이 될 수 있을 것으로 판단된다. 이러한 우수 고조파는 양음의 파형이 서로 달리지는 정도가 커질수록 더욱 뚜렷이 나타나고 있으며, 냉장고 및 백열전구의 경우에는 그 차별성이 뚜렷하지는 않았다.

이상의 경우를 샘플주기를 기준으로 정리하면 도 67과 같다. 실용상 맨 끝에 있는 1개의 주기에 대한 분석은 의미가 전혀 없으며, 2주기의 경우에도 거의 의미가 없었으나, 부하에 따라 3주기부터는 활용가능성이 엿보였다. 실제 4주기 이상은 되어야 의미가 있다고 판단하였고 그 정도는 6주기의 경우와 비교하였다. 텔레비전의 경우에는 5주기 이상의 FFT 결과를 채택함이 좋으나 본 발명에서는 4주기까지 FFT 결과의 선택을 기준으로 하였다.

본 발명에서는 유해 아크 고장 신호를 분석하기 위하여 이산 웨이브렛 변환 방법(WVA)과 FFT변환(FFT)을 이용하여 수행하였다. 제안한 방법은 다양한 부하 기기의 전원선에서 발생하는 다양한 아크 신호를 분석하기 위한 것으로, 최대치, 실효치, 잡음량, shoulder 유지시간을 분석하는 WVA분석과 우수 고조파를 조사해 내는 FFT 분석을 병행하여 구성하였다.

본 발명에서 제안한 방법을 사용하여 분석 결과 가정용 부하는 도 68과 같이 저항성 부하, 능동 역률개선회로(PFC: Power Factor Correction)가 포함되어 있는 부하, PFC가 포함되어 있지 않은 부하로 나눌 수 있음을 확인하였고, 분류한 3가지 형태에 따라 아크 고장 전류의 특성이 유사하게 나타남을 알았다. 따라서 가정용 부하에서 나타나는 아크 고장은 분류한 3가지 형태에 따라 그 특성을 정의하고 검출하여야 함을 알았다.

도 68은 이산 웨이브렛의 근사계수 분석 방법과 FFT분석 방법에 의하여 각 부하기기의 전원선에서 발생하는 아크 고장을 검출할 수 있는 검출가능성을 나타낸 것이다. 그 결과, 최대치, 실효치 변화율은 능동 역률개선회로를 포함하고 있지 않은 개인용 컴퓨터, 텔레비전, CFL 램프의 전원선에서 발생하는 아크 고장만을 검출할 수 있으며, 다른 부하에서 발생하는 아크 고장은 검출할 수 없다. 이에 비해 FFT 분석은 PFC회로 내장 여부에 무관하게 검출 가능성이 높았다. 근사계수 분석방법의 최대치, 실효치 변화율은 텔레비전, 냉장고 부하에서 발생하는 아크 고장을 100% 검출할 수 있으며, 컴퓨터, 형광램프 부하의 아크 고장은 87%, 93% 검출할 수 있다. 또한, 제안한 잡음량과 shoulder의 유지시간 변화율 분석방법으로는 8개 부하에서 발생하는 아크 고장을 100% 검출할 수 있음을 알 수 있다. FFT 방법의 경우 4개의 부하만 분석해 보았으나 WVA 분석에 비해 검출가능성이 상대적으로 높음을 알 수 있었다.

한편, 제어부(70)는 주지한 바와 같은 방법으로 수행하여 획득한 아크 차단기의 성능 평가 결과를 모니터(80)로 전송하여, 화면에 표시하도록 한다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

20… AFCI 시험장치
30… 아크 발생장치
40… 시험용 부하부
60… 부적합 아크차단 시험장치
70… 제어부

Claims

아크를 모의로 발생하는 장치에 있어서,
아크 모의 발생장치의 구동용 전원을 공급해주는 전원부와;
상기 전원부에서 공급하는 전원으로 구동하고, 아크 차단기의 항온/항습 성능 및 아크 차단 성능을 시험하기 위한 AFCI 시험장치와;
아크 차단기의 성능을 평가하기 위한 시험항목별 아크를 발생시키는 아크 발생장치와;
각 시험에 적합한 부하전류를 부하에 공급하여 부하를 구동시키는 시험용 부하부와;
부적합한 아크 차단 동작을 시험하기 위한 부적합 아크 차단 시험장치와;
상기 AFCI 시험장치와 아크 발생장치와 시험용 부하부 및 부적합 아크 차단 시험장치의 동작을 제어하고, 아크 고장 신호를 분석하는 제어부와;
상기 제어부에 의해 발생하는 아크 차단기의 성능 평가 결과를 화면에 표시해주는 모니터를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 모의발생장치.
제1항에 있어서, 상기 아크 발생장치는,
부하와 직렬로 연결되어 부하의 동작특성에 따라 직렬 아크 신호의 변화 여부, 부하전류의 크기에 따른 아크 크기 변화 여부, 아크로 인한 전원 전류의 크기 변화 여부를 분석할 수 있는 직렬 아크를 발생하는 직렬 아크 발생장치를 포함하고,
상기 직렬 아크 발생장치는,
정지 전극과 상기 정지 전극에 대향하는 이동 전극을 포함하고, 상기 양 전극을 접촉시켜 완전히 폐 회로를 만들고, 전원 인가 후 상기 이동 전극을 정지 전극으로부터 분리시켜 직렬 아크를 발생하는 조절장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 모의발생장치.
제1항에 있어서, 상기 아크 발생장치는,
전선과 전선을 단락시킨 상태에서 발생하는 병렬 아크를 모의로 발생하는 병렬 아크 발생장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 모의발생장치.
제1항에 있어서, 상기 아크 발생장치는,
단선된 도선 사이에서 생성된 카본 경로에서 정상전압의 인가시 발생하는 카본 경로 아크를 모의로 발생하는 카본 경로 아크 발생장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 모의발생장치.