http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2016.25.3.208 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563
플라스틱 광섬유 표면 입사 현상을 이용한 아크플래시 검출 광센서
정훈일 · 김명진+ · 김영호 · 김영웅 · 노병섭
Arc-Flash Detection Sensor Based on Surface Coupling of Plastic Optical Fiber
Hoonil Jeong, Myoung Jin Kim+, Young Ho Kim, Youngwoong Kim, and Byung Sup Rho
Abstract
In this work, a loop sensor for Arc-Flash detections has been developed in order to trip a circuit breaker within 2.5 ms after an Arc- Flash event. For an efficient capturing of the flash light, plastic optical fibers, where light attenuations are larger than those in silica- based ones, with different diameters and surface conditions were utilized. The performance was comparatively analyzed with those of a point sensor and a commercialized product. The point sensor module was designed for hemisphere-like capturings of Arc-Flashes larger than 3 kA at 2 meters from the sensor. On the other hand, the loop sensor allowed 360-degree-detections around the fiber axis and the measurement range was dependent on the length of the fiber connected to the sensor module. The trip-level-dependent bright- ness measurement results showed that the fabricated point sensor and loop sensor satisfied a brightness condition, 10~40 klux, and the responses of the system to Arc-Flashes were completed within 2.5 ms.
Keywords: Arc-Flash sensor, Plastic optical fiber, Protective relay
1. 서 론
아크플래시 (Arc-Flash)는 모선의 접촉불량, 절연재료의 트래 킹 (tracking), 선간 단락, 작업자의 실수, 쥐와 같은 동물 등의 원인에 의한 단락 사고 시 발생하는 전기적 방전으로, 보통 20,000
oC 이상의 열 방출 (heat release)과 900 Ton/cm
2이상의 압 력파 (arc-blast) 발생을 수반한다[1]. 그 결과 공기는 약 1,700 배, 구리의 경우 약 67,000배의 부피 팽창을 일으키며[2], 금속 용해 및 증발에 의한 폭발이 발생된다. 아크플래시 사고는 수배 전반에서 발생하는 사고 중 가장 큰 사고로, 방출되는 에너지는 지속 시간에 비례하기 때문에[3] 대처가 늦어질 경우, 수배전반 내부의 전력 기기 및 외함이 파손되어 화재 및 정전을 유발하 고 사고 발생 시 아크플래시 노출에 의해 심각한 인명 피해를 초래할 수 있다[4]. 미국의 경우 아크플래시 사고가 하루에 6건 이상 보고되고 있고[5], 그 중 1~2건을 사망 사고가 차지하는
등[6] 그 발생 빈도 및 심각성으로 인해 아크플래시 모니터링 요구가 증가하고 있다.
아크플래시 사고로부터 기기 및 인체를 보호하기 위하여 외 국에서는 전기안전표준 (IEEE 1584와 NFPA 70E)을 제정 운영 중이며, 다양한 도구와 장치를 개발하고 활용 중이다. 하지만 국 내의 경우, 산업안전기준 332조 “600 V이상의 충전 선로의 작 업 시에 아크 재해에 대한 개인 안전보호구 (PPE, personal protective equipment) 는 방염복, 절연장갑, 절연화를 착용해야 한다”정도 의 작업복에 대한 규정 정도만 있을 뿐 구체적인 위험도 분석, 위험 범위, 위험 경감대책 등에 대한 규정 및 관련 연구가 미비하다.
또한, 아크플래시의 발생 후 100 ms가 지나면 케이블에 화재 가 발생하며, 150 ms에서는 구리가, 200 ms가 넘으면 전기배선 이 녹기 시작하는 등[7] 최악의 상황으로 이어지기까지 매우 짧 은 시간이 걸리는데 반해, 기존의 보호 계전기(protective relay) 들은 측정 시간만 수십 ms 정도의 시간이 소요되는 실정이다 [8]. 따라서 측정 및 차단 제어(tripping)신호 생성 시간을 최소 화 하여 50 ms 이내의 빠른 시간 안에 전기 흐름을 차단할 수 있는 광센서 및 안전제어 시스템의 적용이 필수적이다.
본 연구에서는 광섬유 센서가 아크플래시를 고속으로 검출하 여 2.5 ms 이내의 순시 모드 (instantaneous mode)로 차단기 (CB, circuit breaker)를 차단 제어하는 지능형 안전제어 시스템을 개 발하였다. 광섬유 센서는 Vishay사의 TEMD5010포토 다이오드 를 적용한 포인트 센서와 플라스틱 광섬유(POF, plastic optical fiber) 기반의 루프 센서로 구성되었으며, Arm core 11 고속 임
한국광기술원 나노광전연구센터 (Nano-Photonics Research Center, KoreaPhotonics Technology Institute)
9, Cheomdan venture-ro 108beon-gil, Buk-gu, Gwangju, 500-799, South Korea
+Corresponding author: [email protected]
(Received: May. 16, 2016, Revised: May. 27, 2016, Accepted: May. 30, 2016)
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베디드 프로세서 (embedded processor)와 18 μs의 스위칭 속도 를 가지는 절연 게이트 양극성 트랜지스터 (IGBT, insulated gate bipolar transistor)를 적용하여 제어보드 및 디지털 릴레이를 구 성하였다. 센서의 감도 및 광량의 동적 범위 특성을 최적화하기 위해 제논 (Xenon) 램프를 광원으로 테스트 환경을 구축하였으 며, 측정된 포인트 센서와 루프센서의 수광 특성을 Littelfuse사 상용제품을 이용한 테스트 결과와 비교 분석하였다.
2. 실험 방법
2.1 아크플래시 검출 테스트 환경 구축
아크플래시 검출환경 구축을 통한 아크 센서 및 제어 시스템 의 동작 테스트 방법을 Fig. 1에 나타내었다. 광원으로 300~850 nm 파장의 제논 램프를 사용하였으며, 평균화를 통해 측정된 아 크플래시의 광량을 Table 1과 같이 정의하였다. 또한, 광량 및 센서 동작 테스트의 신뢰성 확보를 위해 조도 센서를 동시에 운 영하여 측정하였다.
아크플래시의 효율적 검출을 위해 광섬유 포인트 센서 모듈 과 루프 센서 모듈을 제작하고 성능을 비교하였다. 포인트 센서 는 TO-CAN-type photodiode (PD) 윈도우에 UV영역 필터 처리 를 통해 325~450 nm 파장 영역의 아크플래시만을 검출하도록 설계하였으며, Fig. 2(a)의 회로도가 적용된 수신 모듈 제작을 통해 Fig. 2(b)에 보여지는 것과 같이 3 kA 이상의 아크플래시 를 2 m 내에서 반구의 형태로 검출 가능하도록 설계되었다.
광섬유 루프센서 모듈의 경우, 광섬유 축을 중심으로 360° 각 도로 아크플래시를 검출하며, 검출 거리는 연결되는 광케이블의 길이에 따라 달라지게 된다. 현재 Littelfuse 사 상용제품의 경우 에는 직경 80 μm 정도의 실리카 광섬유 다발을 이용하고 있으 며, 수광 효율을 높이기 위해 Polymide 코팅으로 외부를 감싼 구조이다. 하지만 구조적으로 복잡하기 때문에 불필요한 제작 공정이 추가되고 고가의 제작장비가 필요하다는 단점이 있다.
반면, 본 논문에서는 광섬유 내에서 진행하는 빛의 손실이 상 대적으로 큰 POF를 이용하여 별도의 공정 없이 외부에서 입사 하는 빛을 쉽게 감지할 수 있음에 주목하였다. 이러한 관점에서 아크플래시의 파장 대역에서 POF 외부 표면을 통해 입사되는 광량이 최대이면서도 광전송 손실이 최소인 플라스틱 광섬유를 선정하기 위해 Monte Carlo 방식을 통해 전산 모사하였다. 대 상이 되는 POF 광섬유는 직경이 각각 1 mm와 3 mm인 광섬 유로서 Fig. 3(a)와 같이 수광부(detector)에서 동일한 거리 L=10 m에 위치한 광원으로부터 조사되는 광량에 대한 수광 효율을 분석하였다. 이때, 광원으로부터 조사되는 빛은 평면파로 정의 하였으며, 광원과 광섬유와의 거리 d는 2 mm를 기준으로 하였다.
Fig. 1. Test scheme for the Arc-Flash sensors and the safety control system.
Table 1. Averaged brightness of the Arc-Flashes emitted from the Xenon lamp at different distances
Distance (cm)
Brightness (klux)
1/8 s’ exposure 1/4 s’ exposure
50 40 -
60 30 110
70 20 80
80 16 60
90 13 40
100 11 35
110 9 30
Fig. 2. (a) The circuit design for the Arc-Flash point sensor module.
(b) Detection range of the point sensor.
Fig. 3. The scheme for simulating light capturing efficiency into the
POFs. The simulation results for (b) 1 mm-POF and (c) 3
mm-POF, respectively. (d) The transceiver and (e) receiver
circuits of the loop sensor modules.
직경이 1 mm인 POF의 코어 (core) 직경은 통상 900 μm 정 도이며, 클래딩 (cladding) 두께에 따른 수광 효율 분석 결과로 서 Fig. 3(b)와 같이 클래딩 두께가 얇을수록 수광 효율이 향상 되는 결과를 얻었다. 그러나, 클래딩 두께가 얇을수록 광전송 손 실이 커지기 때문에 클래딩 두께 감소 정도는 최소 80 µm이내 로 유지해야 함을 알 수 있었다. 반면, 직경 3 mm인 POF의 경 우 클래딩 두께가 얇아질수록 전송 손실이 더 크게 발생하는 것 을 알 수 있으며, 이는 광검출기까지의 POF 길이가 길어질수록 손실이 더 커지게 되므로 센서부의 길이가 제한된다. 결과적으 로, POF의 전송손실 특성은 외부 광에 대한 수광 효율에 직접 적인 영향을 미치지만, 전송손실로 인한 추가 손실을 고려하면 직경 1 mm POF가 광센서로 적합함을 알 수 있다.
나아가, 시간 동기화된 Laser diode (LD) 신호를 송신하고 광 섬유 라인의 이상 유무를 검출하기 위해 Fig. 3(d)의 회로도와 같이 아크플래시 루프센서 송신 (Tx, Transceiver) 모듈을 설계 및 제작하였다. 또한, 가시광 파장대역에 형성된 아크플래시의 측면 수광 검출을 위해 플라스틱 광섬유기반 수신 (Rx, Receiver) 모듈을 Fig. 3(e)와 같이 제작하였다. Fig. 4는 제작된 송수신 모 듈 내장형 광섬유 루프센서의 사진이다. 수배전반에 적용되는 각 광센서는 아크플래시의 효과적인 검출이 가능하도록 하기 위 해 광섬유 루프 센서는 수배전반의 상부 부스바 (busbar)를 따 라 넓은 부위의 검출이 가능하도록 설치하고, 포인트 광센서는 주로 각 부스의 하부에 설치하여 아크플래시 검출 효율을 극대 화할 수 있다.
전체적인 진단 알고리즘 및 제작된 차단제어 릴레이는 Fig. 5 와 같다. 아크플래시 릴레이에는 독립적으로 동작하는 광센서가 최대 6개까지 장착될 수 있도록 설계되었고, 입력되는 신호의 세기가 제어보드의 트립 레벨(tripping level) 회로에서 설정된 270~840사이의 값보다 크면 아크로 감지한다. 이때의 트립 레 벨값은 아크플래시의 크기에 따라 릴레이가 동작하는 문턱값으 로 정의된다. 또한, 최대 100 A의 전류를 검출할 수 있는 비접 촉식 홀 센서가 내장되어있어, 사용자의 조작실수, 외부광원, 용 접불꽃 등에 의해 광검출 차단 신호가 발생할 경우 전류의 검
출을 함께 사용하여 차단기의 오동작을 방지할 수 있다. 광센서 로부터 검출되는 아크플래시를 2.5 ms 이내에 빠르게 판단하고 차단 제어 신호를 생성하기 위해 Arm core 11 고속 임베디드 프로세서를 적용하였으며, 18 μs의 스위칭 속도를 가지는 IGBT 기반의 디지털 릴레이를 구성하여 차단기의 구동 코일을 동작 시키도록 하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 플라스틱 광섬유 센서 수광 특성 측정
아크플래시 발생에 따른 POF 루프센서의 응답 특성을 파악 하기 위해 수광부와의 거리 L=20 m 지점에서 1/8 sec의 펄스 폭을 갖는 아크플래시 방출에 대한 시간영역 반응 스펙트럼을 Fig. 6 과같이 측정하였다. 문턱 전압을 200 mV로 설정함으로써 아크플래시 방전이 시작된 후 최대 2.5 ms 이내에 전압상승이 종료되었으며, 전기적 차단제어는 그보다 낮은 단계의 적정 문 턱전압 설정을 통해 가능하다.
Fig. 4. The developed loop sensor with Tx and Rx modules. Fig. 5. (Left) The algorism of the high-speed signal processing for Arc-Flash protection. (Right) The front and back side of the developed digital relay.
Fig. 6. The temporal response of the POF loop sensor to a 1/8 Arc-
Flash exposure.
광섬유의 측면으로 입사되는 아크플래시의 수광 효율을 높이 기 위해 도파손실을 증가시키지 않는 범위에서 수 μm 정도의 미세패턴을 형성하고, Fig. 7(a)와 같이 패턴이 없는 부분과의 수광 효율을 비교하였다. Figure 7(b)는 POF 표면에 미세패턴 이 있는 경우 (scratched POF), 2배 이상 수광 효율이 향상된 결 과를 보여준다. 그 결과, 광섬유와 아크 광원 간 거리 d에 따른 아크플래시 방전에 대한 출력 전압 비교 시 Fig. 7(c)와 같이 광 원으로부터 20 m까지 신호검출이 가능하였다.
Fig. 8 은 광섬유 표면에 일정 주기의 패턴이 형성된 POF를 이용한 센서를 대상으로 아크플래시 방전시간에 따른 측면 입 사 광-출력전압 측정 스펙트럼이다. 아크 방전시간에 따라 출력 전압의 크기가 변화함을 확인할 수 있었고, 방전 유지시간 및 세기를 고려하여 설정된 문턱전압 판정 알고리즘을 통해 2.5 ms
이내에 전류 차단 제어가 가능하다.
3.2 트립 레벨에 따른 아크플래시 센서 동작 테스트
Fig. 9 는 아크플래시 릴레이의 트립 레벨에 대한 광량 측정 결 과이다. 감도 조절 효과를 파악하기 위해 포인트 센서를 가변 저항값에 따라 두 가지 종류로 제작하고, 광량을 측정하여 각각 의 값을 Littlefuse 센서를 이용해 측정한 값과 비교하였다. 100 kΩ 의 저항을 사용한 경우, 초기 문턱 광량은Littlefuse 센서로 측 정된 값보다 약 2 klux 정도 더 높았으나 최대 감지 가능한 광 량이 40 klux 정도로 더 넓은 가변 범위를 나타내었다. 1 MΩ 의 저항을 사용한 경우, 전반적으로100 kΩ의 저항을 사용한 경 우보다 2 klux 정도 낮은 광량 특성을 보였고, 광량-트립 레벨 관계도 선형 회귀 분석선 (linear regression line)으로부터 1~2 klux정도의 오차를 보였다.
루프센서는 포인트센서와 달리 광섬유 측면 수광 효율이 더 낮기 때문에 PD의 감도를 최대화할 필요가 있다. 이를 위해 직 렬 연결된 가변저항 2 MΩ과 칩 저항 1.5 kΩ을 이용하여 펄스 광의 광량을 가변하면서 아크플래시 릴레이의 동작을 관찰하였 다. 루프센서의 감도를 최대화함으로써 Fig. 10에 보여진 바와 같이, 10~45 klux 범위의 넓은 동적 범위를 갖는 것을 확인하 였다. 루프센서 측정 결과를 앞선 포인트센서의 결과와 비교하 면 최대 5 klux 정도로 오차가 다소 커진 것으로 확인되었다.
이는 POF 내 광전송 손실과 광원으로 사용된 제논램프의 출력 오차에 의해 발생한 것으로서 센서 응답특성의 선형성 개선을 위해서는 광원 출력의 정밀 제어와 반복 테스트를 통한 평균값 적용이 필요하다.
마지막으로, Table 2에 아크플래시 광량과 검출거리 d에 따른 단계별 소요시간 및 총 아크 방전시간을 비교하여 정리하였다.
전반적으로, 아크 발생 후 차단 신호의 생성까지 약 1 ms (아크 Fig. 7. (a) The scheme for the measurement of the light coupling
efficiency into the POFs with different surface conditions. (b) Measurement results for the normal and scratched POFs at L=20 m. (c) Signals of the captured flash lights at d=3 and 20 m.
Fig. 8. Exposure-duration-dependent signal amplitudes from the scratched POF sensor.
Fig. 9. Trip-level-dependent brightness measurements of the point
sensors with different resistances (squares for 1 MΩ and cir-
cles for 100 kΩ) and a Littlefuse sensor(triangles).
방전시간의 약 2%) 가 소요되었으나, 아크 광량이 20 klux일 때 의 검출 시간이 10 klux의 경우보다 0.02 ms 만큼 빨랐으며, 차 단 신호의 생성(initiation time)은 0.06 ms 빠른 결과를 보였다.
이는 Fig. 8의 결과에서 보여지는 바와 같이 아크의 광량이 증 가함에 따라 출력 전압이 증가하기 때문이다. 아크 광량-반응시 간 관계의 정량화와 이를 기반으로 제어시간 설정 알고리즘을 최적화를 통해 더 넓은 범위의 아크 세기에 대한 측정이 가능 하다. 반면, 아크 광원과 센서간 거리 d가 30~60 cm 의 범위인 경우, 시스템의 반응 시간은 거리와 상관없이 일정하게 유지됨 을 알 수 있었다.
4. 결 론
본 연구에서는 포인트 센서와 POF 루프 센서가 적용된 아크 플래시 감지 및 차단시스템을 설계 제작하고, 제논 램프를 광원 으로 구축된 아크플래시 검출 환경에서 동작 테스트를 수행하 였다. 루프 센서는 문턱전압을 200 mV로 설정하여 2.5 ms 이
내에 전압상승이 종료되는 응답 특성을 얻었으며, POF표면에 수 μm 정도의 패턴을 형성하였을 경우, 수광 효율이 2배 이상 향상되어 광원으로부터 20 m 떨어진 거리에서도 신호검출이 가 능하였다. 제작된 센서들은 트립 레벨 설정에 따라 각각 최대 40 klux( 포인트 센서)와 45 klux(루프 센서)의 수광량 가변범위 를 나타내었으며, 이는 Littelfuse 사 상용제품의 성능과 비교 하 였을 때, 각각 1.6배와 1.8배 더 넓은 범위의 아크플래시 광량 을 감지할 수 있음을 의미한다. 또한, 아크플래시의 광량 및 검 출 거리에 따른 단계별 소요시간 측정을 통해, 아크의 검출부터 차단 제어 신호의 생성까지 약 1 ms 이내에 완료됨을 확인하였 다. 이와 같은 테스트 결과는, 개발된 안전제어 시스템의 활용 이 아크플래시 발생 초기의 사고 예방 및 2차 피해를 방지 하 는데 효과적으로 기여할 수 있음을 보여준다.
감사의 글
This work was supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP) and the Ministry of Trade, Industry & Energy (MOTIE) of the Republic of Korea (No. 20131020400970).
REFERENCES
