2.1 스파이럴 센싱프로브 특성 및 설계 고려 요소

스파이럴 센싱프로브는 부분방전 진단에 널리 사용되며, 광대역 감지뿐만 아니라 경량화 및 소형화 측면에서도 유리한 구조이다 ^[4]. 센싱프로브 설계 시에는 주파수 응답 최적화, 반사손실 최소화, 감도 향상, 소형화 등을 종합적으로 고려해야 한다. 특히 반사손실은 -10 dB 이하로 유지되어야 입력 신호의 90% 이상을 수집할 수 있으며, -20 dB 이하일 경우 감도가 더욱 향상된다. 반면, -5 dB 이상일 경우 신호 반사로 인해 검출 효율이 저하된다 ^[5]. 따라서 급전부의 임피던스 매칭은 센서 성능에 핵심적인 요소이다. 스파이럴 구조는 미세한 전류 분포 불균형에도 민감하므로, 주파수에 따른 임피던스 변화를 최소화해 일정한 반사손실 특성을 유지할 필요가 있다. 본 시스템의 센싱프로브는 100 MHz ~ 1.5 GHz 대역의 부분방전 신호를 수신하도록 설계되었으며, 부분방전 신호는 일반적으로 10 ~ 200 MHz에서 강한 성분을 갖고, 500 MHz 이상에서는 급격히 감소한다. 따라서 공진 주파수를 200 MHz 이하로 설정해 저주파 감지 성능을 확보하고, 고주파에서도 감도를 유지할 수 있도록 방사 구조를 설계하였다. 기존 초음파 센서나 UHF 센싱 방식은 협대역 특성과 낮은 감도로 인해 고주파 신호 손실이 컸던 반면, 스파이럴 센서 구조는 전방향 방사 특성과 대역별 높은 감도를 갖추어 본 시스템에 적합하다 ^[6].

2.2 Microstrip 급전 방식 스파이럴 센싱프로브

초기에는 Microstrip 급전 방식을 적용한 스파이럴 센싱프로브를 제작하였다. 부분방전 검출 방식은 유도성, 용량성, 방향성 방식으로 구분되며, 이 중 방향성 방식은 수배전반에서 방사되는 전자파를 센싱프로브로 직접 측정하므로 감도가 높고 넓은 범위를 커버할 수 있어 경제적이다. 이에 따라 경량, 저가, 소형화, 광대역 특성을 동시에 만족하는 센서가 요구되며, 이를 위해 Microstrip 급전 방식을 채택하였다. 이 방식은 구조 설계가 용이하고, 공진 주파수와 임피던스를 패치의 크기와 형태로 쉽게 조정할 수 있어 대량 생산에도 적합하다. 하지만 저효율, 높은 반사손실, 낮은 정격 전력 등의 한계를 가지며, 유전체 두께를 증가시키면 효율은 향상되나 전력 전달 효율은 오히려 저하된다 ^[4]. 그림 1은 CST로 모델링한 Microstrip 급전 방식의 PCB와 센싱프로브이며, PCB 부피는 1.4 ㎤, 스파이럴 구조 크기는 20 × 20 cm이다.

그림 1. Microstrip 급전 방식 스파이럴 센싱프로브

Fig. 1. Microstrip-fed PCB Spiral Sensing Probe

해당 시스템의 검출 목표 주파수는 100 MHz ~ 1.5 GHz이며, 시뮬레이션 결과, 평균 반사손실은 -5 dB 수준으로 나타났다. 이는 입력 신호의 상당 부분이 반사되어 감지 효율이 낮은 수준으로, 센싱프로브 성능의 추가적인 최적화가 필요함을 시사한다. 그림 2는 N5621A 네트워크 분석기를 사용하여 Microstrip 급전 방식 센싱프로브의 반사손실을 2 GHz까지 측정한 결과이다.

그림 2. Microstrip 급전 스파이럴 센싱프로브 반사손실 측정 결과

Fig. 2. Microstrip-Fed Spiral Sensing Probe Reflection Loss Measurement

약 200 ~ 500 MHz 구간에서 반사손실이 일시적으로 –10 dB 이하로 저하되는 구간이 관찰되나, 전체적으로는 -5 dB에서 -10 dB 사이를 유지하며 반사손실이 높은 수준을 보인다. 이에 따라 검출 목표 주파수 대역에서 감지 성능 확보가 어려울 것으로 판단되며, 입력 신호의 상당 부분이 반사되어 임피던스 매칭의 개선이 요구된다. 또한, 부분방전 센싱프로브는 설치 공간의 제약을 고려할 때 소형화가 필수적이며, 이에 따라 BALUN 적용을 통해 임피던스 매칭을 개선하고 급전 PCB의 부피를 줄일 수 있다. 특히, 신호 감도가 크게 저하되지 않는다면 BALUN을 활용하여 소형화와 감지 성능을 동시에 확보할 수 있다. 이에 다음 절에서는 BALUN 기반 구조를 적용한 스파이럴 센싱프로브의 설계 및 특성 분석을 다룬다.

2.3 BALUN 적용 급전 방식 스파이럴 센싱프로브

기존 Microstrip 급전 구조의 부피 및 임피던스 미스매칭 문제를 개선하기 위해, BALUN 기반 급전 방식이 도입되었다. BALUN(Balanced-to-Unbalanced)은 단일 신호를 차동 신호로 변환하고, 동시에 임피던스 매칭을 수행하는 RF 트랜스포머로서 본 연구에서는 TC4-19+ 모델(동작 주파수: 10 MHz ~ 1.9 GHz, 임피던스 변환비 1:4)을 적용하였다 ^[7]. 스파이럴 센싱프로브는 200 Ω의 자체 임피던스를 가지며, 이를 50 Ω 측정장비의 SMA 커넥터와 직접 연결할 경우 큰 반사손실이 발생한다. 이에 따라, 1:4 BALUN을 사용하여 효율적인 임피던스 매칭을 구현하였다 ^[8]. 센서를 50 Ω으로 직접 설계하면 공진 주파수의 왜곡 및 감도 저하가 발생하여 실질적인 적용이 어렵다. 또한, BALUN은 트랜스포머 구조 특성상 주파수에 따른 전류 분배와 위상 균형을 제공하므로, 일반적인 RLC 공진 방식보다 광대역 주파수에서 안정적인 반사손실 특성을 나타낸다. 해당 BALUN은 물리적으로는 SMA 입력(단일 포트)과 차동 출력(+/–)을 포함한 3노드 구조이지만, 회로 모델상에서는 2포트 소자로 모델링된다 ^[9]. 측정 장비는 50 Ω SMA 케이블을 통해 BALUN의 입력 단자와 연결되며, BALUN은 single-ended 신호를 differential로 변환하여 센싱프로브 루프 양 끝단에 전달한다. 이때 BALUN은 50 Ω 계측 장비와 약 200 Ω 임피던스를 갖는 센싱프로브 사이를 매칭하여 안정적인 신호 전달을 가능하게 한다. 그림 3은 이러한 급전 방식을 적용한 센싱프로브 PCB의 실물 사진과 BALUN 부착 위치를 나타낸다.

그림 3. BALUN 적용 급전 방식 PCB 실물 사진

Fig. 3. Actual PCB of BALUN-applied feeding structure

기존 Microstrip 급전 방식 대비, 급전부 높이는 2 cm 낮아지고 전체 부피는 약 57% 감소하였다. 일반적인 배전반의 가로, 세로는 평균 60 × 80 cm로 넓이는 충분하지만, 높이는 평균 15 cm 내외로 설치 공간이 제한적이다. 따라서, 급전부의 높이를 1.5 cm 줄인 것은 설치 유연성을 확보하는 데 중요한 이점으로 작용한다 ^[10-12]. BALUN 적용 급전 방식 센싱프로브는 시뮬레이션 결과, 검출 주파수 대역 100 MHz ~ 1.5 GHz 전반에서 대부분 -15 dB 이하의 반사손실 특성을 보였으며, 이는 입력 신호의 90% 이상이 센서 내부로 효과적으로 전달됨을 의미한다. 이러한 특성으로부터, BALUN을 적용한 센싱프로브가 기존 Microstrip 급전 방식 대비 우수한 감지 성능을 제공할 것으로 기대된다.

그림 4. BALUN 적용 급전 방식 스파이럴 센싱프로브 반사손실 측정 결과

Fig. 4. BALUN Applied Feeding Method Spiral Sensing Probe Reflection Loss

그림 4는 N5621A 네트워크 분석기를 이용해 BALUN을 적용한 센싱프로브의 반사손실을 2 GHz까지 측정한 결과이다. 측정 결과, 대부분의 주파수 대역에서 반사손실이 –10 dB 이하로 유지되었으며, 주파수 응답 또한 기존 대비 균일한 특성을 나타냈다. 특히, 기존 Microstrip 방식에서 나타났던 특정 대역의 급격한 매칭 변화가 완화되었음을 확인할 수 있었다. 또한, 공진 주파수가 약 400 MHz로 이동함에 따라 저주파 대역에서의 매칭 성능이 향상되었으나, 300 ~ 600 MHz 대역에서는 여전히 매칭 불안정성이 존재하였다. 이는 급전 구조와 임피던스 매칭이 아직 최적화되지 않았음을 시사하며, 해당 대역에서의 반사 신호 증가로 인해 감지 효율 저하 가능성이 제기된다. 아울러 고주파 감지는 향상되었으나, 1 GHz 이하의 저주파 대역에서는 감지 성능이 상대적으로 저하되는 현상이 나타났다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 반사손실을 더욱 안정화하고 공진 주파수를 100 MHz ~ 1.5 GHz 범위에서 균일하게 유지할 수 있는 추가 매칭 네트워크가 필요하다. 이에 본 연구에서는 BALUN과 함께 RLC 네트워크를 추가하여 삽입손실을 보상하고 주파수 응답 특성을 개선하고자 하였다. RLC 네트워크는 특정 공진 주파수를 조절하고 급격한 임피던스 변화를 완화함으로써, 저주파 및 고주파 영역 모두에서 감지 성능의 균형을 확보하도록 설계되었다.

2.4 BALUN-RLC 적용 급전 방식 스파이럴 센싱프로브

BALUN을 단독으로 적용할 경우, 1 GHz 이상의 고주파 대역에서는 감지 성능이 향상되지만, 100 ~ 500 MHz의 저주파 대역에서는 반사손실이 증가하고 공진 주파수가 저주파로 편향되는 문제가 발생한다. 이는 BALUN의 삽입손실과 주파수 의존 특성으로 인해 특정 대역에서 임피던스 정합이 비대칭적으로 이루어지기 때문이다. 이러한 한계를 보완하기 위해, 본 연구에서는 BALUN 급전 구조에 RLC 병렬 공진 회로를 추가하였다. 해당 회로는 특정 주파수 대역에서의 임피던스 정합을 개선하고 삽입손실을 최소화하도록 설계되었다. RLC 네트워크는 병렬 공진기로 동작하며, 목표 주파수 범위인 100 MHz ~ 1.5 GHz 전반에서 감도 균일성을 확보하는 역할을 수행한다. 공진 주파수는 아래 식 (1)로 정의된다.

위 공식에서 인덕터(L)와 커패시터(C)는 공진 주파수를 결정하며, 저항(R)은 Q-factor를 조정하는 요소로 작용한다. RLC 값은 시뮬레이션을 통해 대역별 삽입손실이 최소화되도록 최적화하였다. 해당 공진 회로는 BALUN 출력 측에 병렬로 연결되며, BALUN의 차동 신호 변환 동작에는 영향을 주지 않도록 설계되었다. BALUN 단독 구조와 BALUN-RLC 구조의 반사손실을 비교한 결과, 고주파 영역에서 반사손실이 평균 5 dB 이상 개선되었고, 전체 주파수 대역에서 삽입손실은 2 dB 이하로 유지되었다. 이를 통해 주파수 응답 특성이 보다 평탄하게 유지되었으며, 고주파 감도 저하 현상도 완화되었다. 결과적으로,

그림 5. BALUN-RLC 적용 급전 방식 PCB 실물 사진

Fig. 5. Actual PCB of BALUN-RLC applied spiral sensing probe

BALUN과 RLC 네트워크를 함께 적용한 설계는 고주파 반사손실을 효과적으로 줄이고 저주파 공진 안정성을 확보함으로써, 전 대역에서의 임피던스 매칭을 최적화할 수 있었다. 이로 인해 스파이럴 센싱프로브의 신호 감도가 향상되었으며, 광대역 수신 특성을 확보할 수 있었다 ^[13]. 아래 그림 5는 해당 구조를 적용한 센싱프로브 PCB 실물 사진과 BALUN의 부착 위치를 나타낸다.

기존 BALUN 급전 방식과 비교했을 때, 높이는 0.8 cm 증가했지만, 전체 부피는 Microstrip 급전 방식 대비 약 35% 감소하였다. 기존 연구에서는 성능과 부피 최소화를 동시에 달성하는 데 중점을 두었으나, 본 연구는 성능 개선을 우선 목표로 하였다. 그 결과, BALUN 방식 대비 높이는 다소 증가했지만, Microstrip 방식보다 부피가 크게 줄어 공간 활용성을 확보하면서도 감지 성능을 효과적으로 향상할 수 있었다.

그림 6. 급전 방식별 스파이럴 센싱프로브 시뮬레이션

Fig. 6. Spiral Sensing Probe Simulation Results by Feeding Method

그림 6은 급전 방식별 스파이럴 센싱프로브의 시뮬레이션 결과를 비교한 것으로, 최대 1.6 GHz까지의 주파수 응답 특성을 보여준다. Microstrip 방식은 반사손실이 -5 dB 이상으로 감지 성능이 저하되며, BALUN 방식은 -25 ~ -20 dB 수준으로 개선되었으나, 저주파 대역에서 반사손실의 변동 폭이 커 주파수 응답의 불균형이 발생한다. BALUN-RLC 방식은 이러한 문제를 해결하며, 검출 대상 주파수 대역인 100 MHz ~ 1.5 GHz 전반에서 반사손실이 -15 dB 이하로 안정적으로 유지되는 것이 확인된다. 특히, 400 MHz 이하의 저주파 대역에서는 기존

그림 7. 급전 방식별 스파이럴 센싱프로브 반사손실 측정 결과

Fig. 7. Spiral Sensing Probe Reflection Loss by Feeding Method

BALUN 방식보다 더욱 균일한 특성을 보였으며, 1 GHz 이상의 고주파 대역에서도 반사손실이 -10 dB 이하로 감소해 고주파 매칭 성능이 향상되었다. 이는 RLC 네트워크가 특정 공진 주파수에서 임피던스를 보상하여 삽입손실을 최소화한 결과이다. 따라서 BALUN-RLC 적용 센싱프로브는 기존 방식 대비 주파수 응답의 균일성이 향상되었으며, 전 주파수 대역에서 보다 안정적인 감지 성능을 제공할 것으로 기대된다. 그림 7은 주파수 분석기를 이용해 2 GHz까지 급전 방식별 스파이럴 센싱프로브의 반사손실 특성을 실측한 결과를 나타낸다.

BALUN 구조는 주파수 의존적인 삽입손실을 수반하며, 이는 시뮬레이션에서는 이상적으로 모델링되어 반영되지 않지만, 실제 제작 및 측정 과정에서는 반사손실 특성에 유의미한 영향을 미쳐 시뮬레이션 대비 실측 결과에 차이를 유발한다. BALUN-RLC 적용 급전 방식 센싱프로브의 반사손실 측정 결과, 검출 목표 주파수 대역인 100 MHz ~ 1.5 GHz 전반에서 반사손실이 -10 dB 이하로 유지되었으며, 이는 입력 신호의 최소 90% 이상이 센서 내부로 전달됨을 의미한다. 특히 300 ~ 1,200 MHz 대역에서는 반사손실이 평균 -10 dB 이하로 안정적으로 유지되어, 기존 방식 대비 고주파 매칭 성능이 향상되었음을 확인할 수 있다. 또한, 600~900 MHz 대역에서는 기존에 반사손실 변동폭이 –10 ~ –7 dB 수준이었던 것에 비해, –10 dB 이하로 안정화되어 삽입손실 감소 및 광대역 감지 성능 개선에 기여하였다. 공진 주파수 이동을 비교한 결과, 기존 BALUN 방식은 공진점이 약 400 MHz로 저주파 대역에 편향되었으나, RLC 네트워크 적용 후에는 500 ~ 700 MHz 대역으로 이동하여 저주파 및 고주파 대역 간의 매칭 균형이 향상되었다. 결과적으로 본 연구에서 제안한 RLC 네트워크 적용 방식은 고주파 600 MHz 이상에서 반사손실을 평균 3 ~ 5 dB 개선하였으며, 300 ~ 1,000 MHz 대역에서도 기존 -7 dB 수준에서 -10 dB 이하로 감소시키는 효과를 보였다. 따라서 RLC 네트워크는 기존 급전 방식 대비 전 주파수 대역에서 더욱 안정적인 임피던스 매칭과 낮은 반사손실을 제공하여, 스파이럴 센싱프로브의 감지 성능을 효과적으로 향상시키는 설계 방법임을 확인하였다.

2.5 급전 방식별 아크방전 감지 성능 분석

2.5.1 아크방전 시험구성

직렬 아크는 부하와 직렬로 연결된 지점에서 발생하며, 부하전류와 유사한 특성을 가져 기존 차단기로는 감지하기 어렵다. 이에 따라, 직렬 아크를 신속하게 검출할 수 있는 기술 개발이 요구된다 ^[14]. 본 연구에서는 전압이 인가된 선로의 접촉부에서 발생하는 아크방전을 모의하기 위해, UL1699 규정을 기반으로 아크방전 발생 장치를 제작하였다. 전극은 도선 접촉면에서 형성되는 탄화 도전로를 모사하기 위해 탄소봉과 구리로 구성하였다 ^[15]. 그림 8은 아크방전 감지 성능시험을 위한 실제 시험 환경을 나타낸다. 상용전압은 회로 차단기를 통해 배전반의 양단에 인가되며, 배전반은 60W 부하를 거쳐 아크방전 발생 장치에 연결된다. 이후 이동 전극을 조절함으로써 아크방전을 유도하고, 조건별로 10회씩 반복 측정하여 일관성을 확보하였다. 측정 장비로는 Anritsu사의 MS2721A Spectrum Master를 사용하였으며, 검출 대상 주파수 범위인 100 MHz ~ 1.5 GHz 대역으로 설정하였다.

그림 8. 아크방전 감지 성능 시험구성

Fig. 8. Arc Discharge Detection Test Setup

2.5.2 아크방전 시험결과 및 고찰

그림 9의 (a)는 Microstrip 급전 방식의 아크방전 시험결과이며 (b)는 BALUN 급전 방식의 시험결과이다.

그림 9. Microstrip 및 BALUN 급전 스파이럴 센싱프로브 시험결과

Fig. 9. Microstrip and BALUN-fed Spiral Sensing Probe Test Result

Microstrip 방식은 반사손실이 -10 ~ 0 dB 수준으로 감지 신호 강도가 -20 dBm 이하에 머물렀고, 피크는 일부 대역에 국한되었다. BALUN 적용 시 반사손실이 -10 ~ -6 dB로 개선되며 -10 dBm 이상의 피크가 다수 검출되었고, 감지된 신호 개수도 약 4배 증가하였다. 그러나 일부 대역에서 감지 누락과 신호 균일성 저하가 여전히 존재하였다.

그림 10. BALUN-RLC 급전 스파이럴 센싱프로브 시험결과

Fig. 10. BALUN-RLC-fed Spiral Sensing Probe Test Result

그림 10은 BALUN-RLC 적용 방식의 아크 방전 시험 결과로, 기존 대비 반사손실이 3~5 dB 감소하여 신호 전송 효율이 향상되었음을 보여준다. 평균 감지 신호 강도는 -20 dBm에서 -12 dBm 이상으로 증가했으며, 검출된 신호 개수도 BALUN 단독 대비 약 2배로 늘어나 100 MHz ~ 1.5 GHz 전반에서 감지 민감도가 개선되었음을 확인하였다. 아래 표 1은 급전 방식별로 PCB 부피, 반사손실, 신호 검출 개수를 비교한 표이다.

표 1. 급전 방식별 시험결과 요약

Table 1. Summary of Experimental Results by Feeding Method

급전 PCB 부피 (㎤)	반사손실 (S11) (dB)	신호 검출 개수 (Microstrip 대비)
Microstrip	1.4	-10 ~ 0	1
BALUN	0.6	-10 ~ -6	4
BALUN-RLC	0.92	-11 ~ -10	8

BALUN-RLC 구조는 기존 Microstrip 방식 대비 PCB 부피를 약 34% 줄이고, 반사손실을 -11 ~ -10 dB 수준으로 개선하여 최대 5 dB 향상된 특성을 나타냈다. 또한, BALUN 단독 방식 대비 2배, Microstrip 대비 8배 많은 신호가 검출되었다.