전기화재 예방을 위한 전압형 아크감지기 개발에 관한 연구 = A study on the development of voltage type arc detector for electrical fire prevention
미국에서는 전기안전규정(NEC), 미국화재방재협회(NFPA), 소비자제품안전위원회(CPSC) 및 안전규격인증기관(UL) 등의 관련 단체가 공동으로 1994∼1998년의 전기화재에 대한 원인을 조사하여, 그 결과 전체 73500건의 전기화재 중 60900건(82%)이 아크(arc) 때문으로 분석되었다. 이러한 전기화재를 예방하기 위하여 현재 미국에서는 2002년부터 주택의 거실과 침실에 아크차단기(AFCI : arc fault circuit interrupter)의 설치를 제도화했으며, 2008년부터는 주택의 욕실과 주방 등 감전사고 위험이 높은 곳을 제외한 모든 회로에 AFCI를 설치하도록 규정화하고 있으며, 이에 대한 AFCI 규정인 UL1699를 제정하였다.
국내에서는 2002년 12월에 아크경보기의 인정기준(KFIS015)이 제정되었지만 설치기준은 없는 실정이다. 소방관련 규정에서는 누전경보기의 제외기준(소방시설 설치유지 및 안전관리에 관한 법률 시행령 별표 5)으로 아크경보기의 설치를 권장하고 있다. 2014년 10월에 아크고장검출장치(AFDD : arc fault detection device)의 시험규격이 포함된 제품표준규격(KSCIEC62606)이 제정되었고, 2016년 10월에 AFDD의 설치표준(KSCIEC60364-4-42)이 제정되었다. 또한 2016년 6월에는 국가건설기준(KDS316510)에서도 아크사고에 대한 보호대책으로 AFDD를 설치하도록 제정하였다. 하지만 이들의 법령은 강제성이 없는 권장 또는 권고사항이어서 이런 제도만으로는 화재를 예방하기 어려운 상황이다.
대부분의 전기화재는 아크로 인하여 발생하는 것으로 확인되고 있으며, 이러한 아크는 전선의 접속 및 접촉불량이나 선로의 단락이나 단선 등에서 발생하는 것으로 순간적인 온도가 5000∼15000℃ 정도로 추정되고 있다. 이러한 아크가 지속적으로 발생하면 주위 가연성 물질의 착화로 인한 화재의 위험성이 높을 것으로 분석된다. 이러한 이유 때문에 AFCI의 설치가 중요시 되고 있으며, 미국에서는 AFCI 설치를 제도화한 결과 아크로 인한 주택 전기화재가 40%대에서 15%대로 감소되는 효과를 거두었다. 이에 국내에서도 2000년 초부터 아크사고 예방에 대한 연구가 본격화되었으며, 몇몇 중소기업에서는 AFCI, 아크경보기, 지능형 분전반, 스마트 분전반 등의 제품을 개발하여 유통되었다. 이러한 연구 및 제품들은 아크를 검출하기 위하여 PT(potential transformer),CT (current transformer),ZCT(zero current transformer) 및 온도센서 등을 이용하여 아크전류를 검출하는 방식으로 설계된다. 그러나 이러한 전류검출 방식의 AFCI들은 부하측 사고 시 선로가 긴 경우에는 선로저항의 증대와 더불어 사고전류의 감소로 인해 차단능력이 저하되는 문제점을 가지고 있으며, 각종 전기, 전자통신기기 및 제품들내에 사용된 전원 입력부 커패시터, 서지(surge) 흡수용 배리스터 등에 의해 아크전류가 감소되어 사고전류를 감지하지 못하는 문제점이 있다.
따라서 본 논문에서는 UL1699와 KSCIEC62606을 비교하여 서술하며, PT, CT, ZCT들을 사용하는 AFCI의문제점을개선하기 위해 각종 아크사고시의 전압을 이용하여 아크를 감지하는 회로 토폴로지를 제시한다. 제안한 전압형 아크감지기는 최신의 마이컴과 반도체 소자 등을 이용하여 설계되어 아크검출 속응성과 신뢰성을 증진시킬 수 있다. 또한 전압형 아크감지기로 제작되기 때문에 장소에 구애받지 않고 선로의 개폐 없이 설치와 취급이 용이한 장점이 있다.
본 논문에서는 국외에서 먼저 시행된 AFCI의 기준 UL1699와 국내의 AFDD의 기준 KSCIEC62606을 참고하여, 제안한 전압형 아크감지기를 실험하고 실용성을 입증한다.
In America, associated organizations including the National Electrical Code (NEC), the National Fire Protection Association (NFPA), the Consumer Product Safety Commission (CPSC), and Underwriters Laboratories Inc. (UL) jointly surveyed the causes of electrical fires in the years of 1994 to 1998 and as a result, it was found that, of a total of 73500 electrical fires, 60900 (82%) were due to arcs. To prevent such electrical fires, America has institutionalized the installation of Arc Fault Circuit Interrupters (ACFI) in the living rooms and bedrooms of homes since the year 2002, it regularized the installation of AFCIs in all circuits excluding places with a high risk of electric shock accidents such as bathrooms and kitchens in homes since the year 2008, and it established the UL1699, which is the associated AFCI code.
While approval standards for arc alarms (KFIS015) were established in December of 2002 in Korea, there are still no standards for installation. Fire fighting related regulations are recommending the installation of arc alarms with the exclusion criteria for leakage detectors (asterisk 5 of the legal enforcement ordinance regarding fire fighting facility installation and maintenance and safety management). Product standard specifications (KSCIEC62606) including test standards of the Arc Fault Detection Device (AFDD) were established in October of 2014 and installation standards (KSCIEC60364-4-42) of the AFDD were established in October of 2016. In addition, in June of 2016, nation building standards (KDS316510) also established that AFDDs be installed as a protective measure against arc accidents. However, their law is a form of recommendation or advice without forcibleness so it is difficult to prevent fires using only these systems.
Most electrical fires occur due to arcs and such arcs occur because of poor wire connections or contact or short circuits or wire disconnections and instantaneous temperatures are estimated to be 5000∼15000℃. Analyses show that if arcs occur continuously, the risk of fires due to the ignition of surrounding combustible materials increases. Because of these reasons, the installation of AFCIs is becoming important and after AFCI installation became institutionalized in America, house electrical fires due to arcs decreased from around 40% to around 15%. At this, research regarding arc accident prevention began to be actively conducted in Korea since the early 2000s and several small and medium sized businesses have developed and distributed products such as AFCIs, arc alarms, intelligent switchgear, and smart switchgear. Such research and products are designed to detect arc currents using PTs (Potential Transformers), CTs (Current Transformers), ZCTs (Zero Current Transformers), and temperature sensors. However, the interrupting capabilities of AFCIs using such current detecting methods decrease when lines are long in load side accidents because of increases in transfer conductances and decreases in fault currents and arc currents decrease because of power input capacitors and surge absorption varistors used in electrical and electronic communication equipment and products so fault currents are not detected.
Therefore, this thesis compared and described the UL1699 and KSCIEC62606 and presented a circuit topology that detects arcs using various voltages of arc accidents to improve problems of AFCIs using PTs, CTs, and ZCTs. The proposed voltage type arc detector was designed to use the latest Micom and semiconductor devices to improve on rapid responses and reliability in arc detection. Also, because it is produced as a voltage type arc detector, it is easy to install and handle anywhere without having to open and close lines.
This thesis refers to the AFCI standard UL1699, which was first implemented abroad, and the Korean AFDD standard KSCIEC62606 to test and prove the practical value of the proposed voltage type arc detector.
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