Development of DC Arc Generator to protect against Malfunctions and Fires caused by Arcing

아크 발생에 따른 고장 및 화재를 보호하기 위한 직류 아크 Generator 개발

Abstract

As the spread of DC power distribution systems increases, the occurrence of failures and fire accidents are also increasing. In particular, the ESS fire accident, which is a component of the smart grid, and the fire accident of the solar power system, which is a direct current system, are caused by problems in the electrical connection between system components as the supply of new and renewable energy rapidly increases and old facilities increase. An arc that can cause a direct fire by releasing the induced light and heat has been pointed out as one of the causes of fire. Therefore, the problem of such an arc defect is that it is impossible to block an arc accident in advance with the existing overcurrent circuit breaker and earth leakage circuit breaker. In this paper, we intend to develop a test equipment that satisfies international standardization and to develop a DC arc generator to protect against failure and fire caused by arcing.

직류 배전시스템의 보급이 증가됨에 따라 이에 따른 고장 발생 및 화재 사고도 증가하고 있고 특히 스마트 그리드의 구성 요소인 ESS 화재 사고, 직류 시스템인 태양광 발전 시스템의 화재 사고는 신재생에너지의 보급이 급격하게 증가하고 동시에 사용 연수 10년 이상의 노후 시설이 많아짐에 따라, 시스템 구성 요소 간의 전기적인 접속의 문제들로 발생하고 있다. 이로 인해 유발된 빛과 열을 방출하여 직접적인 화재의 원인이 될 수 있는 아크가 화재의 한 원인으로 지적되고 있다. 따라서 이러한 아크 결함의 문제는 기존의 과전류차단기와 누전차단기로는 아크사고를 사전에 차단할 수 없는 실정이며 대규모 유틸리티 시스템뿐만 아니라 소규모 주거 시스템에서도 인간의 안전에 중대한 위협이 될 수 있기에 아크사고에 대한 대책이 필요하다. 본 논문에서는 국제표준화에 만족하는 시험장비 개발과 아크 발생에 따른 고장 및 화재를 보호하기 위한 직류 아크 Generator를 개발 하고자 한다.

Ⅰ. 서론

최근 태양광, 풍력, 연료전지와 같은 신재생에너지 시스템개발과 직류를 필요로 하는 디지털 부하의 급증으로 직류 배전시스템에 대한 수요가 점차 증가하고 있으며 국내에서도 스마트 그리드, 상업용 빌딩 및 산업 단지용 마이크로 그리드, 신재생 에너지시스템 등 다양한 직류배전 시스템에 대한 연구개발 및 보급이 이루어지고 있다. 그러나 직류 배전시스템의 보급이 증가됨에 따라 이에 따른 고장 발생 및 화재 사고도 증가하고 있고 특히 스마트 그리드의 구성 요소인 ESS 화재 사고, 직류 시스템인 태양광 발전 시스템의 화재 사고는 신재생에너지의 보급이 급격하게 증가하고 동시에 사용 연수 10년 이상의 노후 시설이 많아짐에 따라, 시스템 구성 요소 간의 전기적인 접속의 문제들로 발생하고 있다. 이로 인해 유발된 빛과 열을 방출하여 직접적인 화재의 원인이 될 수 있는 아크가 화재의 한 원인으로 지적되고 있다.

아크사고는 전로의 손상이나 노화, 커넥터 (Connector) 의 느슨해짐 등으로 인해 발생하는 현상으로 아크사고가 발생하면 신속하게 조치하지 않으면 아크에서 발생하는 높은 에너지로 인해 화재 사고가 발생할 수 있다. 특히 태양광 발전설비에서는 전기 배선이나 태양광 패널간 연결을 위해 사용되는 다수의 커넥터 등에서 예기치 못한 고장이 발생했을 때 아크가 발생할 수 있다. 이로 인해 설치물로 전류가 흘러 감전의 위험성이 존재하며 화재를 발생시켜 태양광 발전설비를 손상하거나 대규모 재산상의 손해를 초래하며 심각한 인명 및 재산피해를 일으킬 수 있다.

따라서 이러한 아크 결함의 문제는 기존의 과전류차단기와 누전차단기로는 아크사고를 사전에 차단할 수 없는 실정이며 대규모 유틸리티 시스템뿐만 아니라 소규모 주거 시스템에서도 인간의 안전에 중대한 위협이 될 수 있기에 아크사고에 대한 대책이 필요하다.

교류에서 아크는 전압이 영점을 주기적으로 지나기 때문에 전류의 차단이 쉬워 자체 소호 (Self-extinguish) 될 가능성이 비교적 크지만 그림 1에 보인 것처럼, 직류 아크는 전류에 영점이 형성되지 않기 때문에 자연 소호가 어렵고 따라서 교류에 비해 큰 사고로 이어질 확률이 높아 더 위협적이다^[1]. 특히 직류 송배전에서는 교류와는 다르게 전압과 전류가 교번하지 않아 방출되는 빛과 열의 크기가 달라서 화재로 이어질 가능성이 더 크다. 따라서 아크 발생으로 인한 화재로부터 보호하기 위한 안전설비에 관한 연구가 필요하며 직류의 다양한 장점을 활용하여 폭넓게 적용하기 위해서는 직류 전력망에서의 사고 보호에 관한 연구가 선행되어야 하며 아크 결함 감지는 안정적이고 안전한 태양광 발전시스템의 운영을 위해 매우 중요한 요소로 부각되고 있다^[2].

그림 1. 직류아크 현상

Fig. 1. DC arc phenomenon

II. 국내외 아크검출 기술기준 현황

태양광 설비의 아크 검출은 기존 아크 검출 기술의 일부 한계로 인해 지락이 감지되지 않아 PV 어레이 및 주변 환경에 심각한 손상을 줄 수 있다. 또한 태양광 설비의 아크 검출은 주파수 분석기법을 이용하며 아크 잡음은 정상적일 때 잡음과 중첩되며 아크에 의해 생성된 잡음은 핑크 잡음 특성을 갖는다고 연구되고 있다. 0.1~ 100kHz의 주파수 대역은 나머지 현재 스펙트럼보다 직렬 아크 검출에 유용하며 아크 결함 위치와 아크 검출기 위치는 아크 검출 성능에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 보고되고 있다.

이러한 연구내용에 기반하여 현재 태양광 발전설비의 아크 발생으로 인한 화재로부터 보호하고 안전설비에 관한 문제를 다루기 위하여 북미에서는 NEC (National Electrical Code) 690에 “옥상 PV 어레이에서 직렬 아크 결함 보호” 조항을 기술하고 있다. UL1699B에서 아크 검출 및 차단 성능을 평가하기 위한 시험을 기술하고 있다. 또한 80V 이상에서부터 1, 000V 미만의 DC 전압을 이용하는 시스템에 대한 요구사항들을 정의하고 있기에 북미에서는 태양광 발전설비의 아크검출 기능을 갖는 차단기의 사용을 의무화하고 있다^[3-4].

반면 국내의 경우 아크 검출기능에 관한 규정이 마련되어 있지 않은 실정으로 태양광 발전설비의 아크 검출기능을 갖는 차단기 또는 관련 안전설비 적용이 의무화되지 않고 있다. 따라서 아크발생에 따른 사고를 사전에 차단하고 화재 사고 및 인명피해를 줄이기 위해 국제 시험표준에 적합한 시험 설비들의 개발 및 구축이 우선적으로 실행되어야 한다. 태양광 발전설비에서 아크 발생 장치는 국제표준의 경향에 비추어 아크시험의 핵심적인 설비로 아크의 발생, 시험 및 제품의 표준화, 태양광 안전산업의 연구에 필수적인 요소로 볼 수 있다^[5-6].

III. 직류 아크 Generator 개발

국가정책과 맞물려 마이크로 그리드의 보급이 확산하고 있으며, 이에 따른 고장 예방 기술 수요가 증가하고 있으나, 최근 개정된 UL1699B 규격에 따른 1, 500V 직류 아크 Generator 시험장비가 부재한 상황으로 직류 아크 Generator의 개발 필요성을 다음과 같이 정리할 수 있다.

❏ 직류전력 고장시험 및 검출은 1, 500V까지 필드의 고장을 모의할 수 있어야 하며 UL1699B 규격에 따라 제작된 시험 장비 필요.

❏ “UL1699B 규격에 따른 스마트 그리드 직류 아크 Generator 시험 장비”는 LVDC (Low Voltage DC)고장을 모의하는 필수장비로 다양한 고장진단시험에 활용.

❏ 현재는 각 기업에서 임의로 제작하여 자체 사용하고 있기에 국제표준화에 만족하는 시험 장비 개발을 통해 관련 에너지기업의 수요 해결.

따라서 본 논문에서는 직류 아크 Generator 개발을 통한 스마트 그리드 시스템의 특성을 분석하기 위해 1~ 1, 500Vdc를 모의하여 국제규격(UL1699B)에 따른 직류 아크 Generator 시험 장비를 개발하였고 개발내용은 다음과 같다.

❏ UL1699B 규격에 따른 아크 Generator 고전압 전극 개발.

❏ DC 선로의 아크 발생을 위한 액추에이터 기반 고정 측 및 이동 측 설계.

❏ DC 아크 시험을 쉽게 하고, 반복성을 가지며, 아크 특성 변화를 최소화를 위한 전극 파라미터 정밀제어용 모터 컨트롤 시스템 개발.

❏ 직렬 아크 Generator 전원부 및 아크실험 모니터링 프로그램 개발

- 1~1, 500V 구간별 전압 상승에 따른 아크 저항 변화 측정.

- 1~1, 500V 구간별 아크 발생 waveform 측정.

그림 2는 본 논문에서 개발된 직렬 아크 Generator 형상으로 (a)전극 및 제어용 모터 컨트롤 시스템, (b) 아크 발생 power generator, DC 아크 발생 시험 결과를 모니터링할 수 있는 제어용 PC 등을 각각 보여주고 있다.

그림 2. 개발된 직류 아크 Generator 형상

Fig. 2. Developed DC arc generator shape

그림 3과 4에서는 제작된 모니터링 프로그램을 통해 아크 사고 발생에 따른 아크전압 100V, 200V, 600V, 800V시 전극이동거리 및 속도, 발생전압, 전류 등의 정보와 DC 아크특성을 도출 및 확인할 수 있는 결과를 보여주고 있다.

그림 3. 전압별 아크시험에 따른 모니터링 프로그램을 통한 결과값

Fig. 3. Result value through monitoring program according to arc test by voltage

그림 4. 1,000V에서 전류값(1~10A) 증가시 아크시험 진행

Fig. 4. Step-by-step arc test results according to 1, 000V applied voltage

그림 3과 4의 실험결과를 통해 얻어진 아크발생 거리에 따른 투입(인가)전압의 관계를 그림 5에서 각각의 표와 그래프로 정리하였다. 본 실험에서는 전류를 2A로 고정 시 아크발생 거리가 증가할수록(아크의 전극간격이 증가) 전극양단에 걸리는 전압(아크 전압)이 증가하는 결과를 볼 수 있다. 반면에 아크 전류가 증가함에 따라 아크 전압은 감소하며, 아크의 전극간격이 증가함에 따라 전극 양단에 걸리는 전압이 증가할 것으로 유추할 수 있다.

그림 5. 아크 발생거리(mm)에 따른 투입(인가)전압

Fig. 5. Input voltage according to arc generation distance (mm)

그림 6은 아크사고 발생에 따른 아크전압 1,500V 인가 시 실험과정으로 각 단계별 세부설명은 다음과 같다.

그림 6. 아크사고발생에 따른 아크전압 1,500V 인가시 실험과정

Fig. 6. Experimental process when applying an arc voltage of 1, 500V due to an arc accident

(1) a : 영점 조정

스텝모터를 이용하여 이동축이 고정축으로 이동

(2) b : 영점 인식 후 5V 전압차단

이동하여 맞닿으면 영점위치를 인식하여 영점지점을 거리 값 0으로 세팅한다. 1, 500V 전압 인가를 위해 MCCB 원격제어 ON.

(3) c : 설정완료 후 전류값 모니터링 및 이동축 이동 시작

(4) d : 이동축이 이동 되면서 전류값 변화 모니터링

(5) e ~f : 설정된 전류값 이하로 (0A) 될 때 아크 발생 중단 시점 인식 후 시험 중단

따라서 실제 현장에서 발생될 수 있는 아크사고에 대한 모의실험을 제작된 직류 아크 Generator를 이용하여 (a)~(f)단계를 거쳐 아크발생에 따른 결과를 확인 및 진단할 수 있다.

IV. 결론

직류 배전시스템의 보급이 증가되고 이에 따른 고장 발생 및 화재 사고의 가장 큰 부분을 자리 잡고 있는 아크 사고는 심각한 인명 및 재산피해를 일으킬 수 있다.

따라서 이러한 실정에 발맞춰 사전에 아크 발생에 따른 고장 및 화재를 보호하고 안전설비의 기술적 수준을향상시키기 위해 본 논문에서는 직류 아크 Generator에 대한 연구를 통해 개발의 성과를 이루었다. 향후 개발된 직류 아크 Generator를 이용하여 직류 배전시스템에 보급되는 모든 시스템에 대해 사전 아크사고 검증시험을통해 안전성을 향상시킬 것으로 사료된다.