2.1 신뢰성 평가 개요

AFDD 신뢰성 평가는 국내 사용장소에서 AFDD가 경험할 수 있는 전원, 회로 및 부하와 관련한 환경적인 변수를 고려하여 AFDD의 오동작 방지 성능의 수준을 집중적으로 확인하는 자동화된 평가로 정의할 수 있다.

국제표준에서 제시하는 오동작 시험의 조건을 다양화하고 전반적인 운영을 자동화하여 AFDD의 오동작 방지 성능을 이전보다 구체적으로 검토할 수 있게 한다. 신뢰성 평가는 AFDD의 정부동작과 오동작의 경계조건을 도출하여 이를 통해 알고리즘의 정교화를 견인하는 역할을 수행한다.

표 1은 표준화된 오동작 시험과 본 논문에서 제안하는 신뢰성 평가의 주요 시험조건을 비교하여 나타낸다. 사용중인 모든 전기제품에 대한 오동작 시험을 수행하는 것은 현실적이지 않으므로 표준화된 오동작 시험에서는 부하의 전류 특성을 고려해 효율적으로 부하를 선정했다. 하지만 제안한 신뢰성 평가에서는 제어기를 통한 자동화 시스템을 활용하여 전원조건과 부하조건의 선정이 비교적 자유롭고 시험 횟수 또한 큰 제약이 없음을 확인할 수 있다.

2.2 신뢰성 평가 절차

그림 1은 AFDD 신뢰성 평가의 전반적인 절차와 세부적인 수행내용을 나타낸다. 평가접수와 가능확인 단계에서는 AFDD가 평가를 수행하기에 적절한지를 검토한다. 신뢰성 평가에서는 아크검출에 대한 시험을 수행하지 않으므로 특정 수준 이상의 아크검출 성능이 확보되지 않은 차단기는 신뢰성 평가에서 제외하도록 설계되었다.

시나리오설정 단계에서는 신뢰성 평가의 구체적인 시나리오를 수립한다. 시나리오에는 전원품질과 선로의 상태, 투입되는 전기제품의 종류와 복합부하를 결정한다. 필수적으로 평가에 반영되어야 하는 시험조건 외에도 부가적으로 다양한 환경을 고려한 시나리오 설정이 가능하다.

AFDD 신뢰성 평가 시스템은 수립된 시나리오를 따라 평가를 수행한다. 평가 도중 오동작이 발생한 특정 조건을 도출하여 시나리오를 수정한 후 집중평가를 수행한다. 제안한 신뢰성 평가는 표준화된 시험절차가 아니기에 평가 수행시 적부보다는 시험대상 AFDD가 갖는 취약조건을 구체화하는데 초점이 맞춰져 있다.

이후 AFDD의 오동작 이력을 종합하여 적합도와 취약조건을 확인하고 평가 결과의 명확화를 위해 필요한 경우에는 시나리오설정 단계에서 재평가를 수행할 수 있다.

이와 같은 일련의 과정을 통해 AFDD의 신뢰성 평가가 이뤄지고 평가기준에 따라 S등급부터 F등급까지 총 다섯 가지로 구분된 등급을 부여한다. S와 A등급은 오동작이 없거나 재현되지 않는 수준, B등급은 특정 조건에서 오동작이 재현되는 수준, C등급은 오동작이 재현되는 조건이 다수인 수준을 나타내며, F등급은 모종의 사유로 평가가 중단된 경우 부여되며 이를 표 2에 나타냈다. 일반적으로 1회 초과 3회 이하의 오동작이 특정 조건에서 나타나는 경우 B등급, 이런 조건이 세 가지 이상인 경우 C등급으로 분류된다.

그림 1. 사고아크검출장치 신뢰성 평가 절차

Fig. 1. Procedure for AFDD Reliability Evaluation

3.1 전원부

전원부에서는 상전압과 선간전압의 유지범위를 달리 규정하는 우리나라 표준전압 유지범위 특성을 고려하여 220 V ± 10% 이내로 입력전압을 조정해 AFDD에 인가한다^[6]. 또한 주택 등에서 경험할 수 있는 인접한 태양광 발전원의 스위칭 노이즈 영향과 다른 분기회로에서 발생한 직렬아크 신호의 영향을 평가할 수 있도록 주요 장비가 구축되어 있다. 전원품질에 대한 조정 및 인가는 시스템 제어기를 통한 접점의 개폐와 평가자의 운전을 통해 이뤄진다.

3.2 계측부

계측부는 평가대상인 AFDD의 1차와 2차측에 전압계와 전류계를 각각 설치하여 평가중 발생하는 AFDD의 정동작 또는 오동작을 판단하고 이를 기록한다. 전압계와 전류계는 모두 RS485 통신으로 제어기에 데이터를 전송하고 1 Mbps 대역폭과 4 kHz 샘플링 주파수로 설정됐다. 전압과 전류의 계측 상한은 각각 1,000 V, 30 A 이다. AFDD의 상태는 표 3에 나타낸 것과 같이 차단기 양단의 가압 여부와 전류 특성을 종합하여 결정된다.

3.3 선로부

선로부는 AFDD 2차측의 시험회로를 변경하여 보다 다양한 환경에서 신뢰성 평가를 수행할 수 있도록 한다. 선종, 긍장 등을 달리하여 특정 사용환경을 반영할 수 있고 절연성능이 낮아진 노후 선로를 구성하여 일반 선로에서와의 환경적 구분을 둘 수 있다. 그림 3은 신뢰성 평가 시스템의 계측부와 선로부가 실제 구현된 모습을 나타낸다.

그림 3. 계측부 및 선로부 개발 모습

Fig. 3. Development Status for Measuring and Line Units

3.4 부하부

부하부는 신뢰성 평가 시스템에서 가장 큰 규모를 차지하는 구성부로서 다양한 종류의 전기부하를 설치하고 가압된 시험회로에 접속시킴으로써 전류 특성에 따른 AFDD의 오동작 수준을 확인할 수 있도록 한다.

개발된 시스템에서 사용중인 접속방식은 전동모터를 활용한 리모컨 제어방식과 스위치 제어방식, 플러그방식 세 가지와 전자석 릴레이를 통해 접점을 개폐하는 릴레이방식이 있다. 그림 4는 신뢰성 평가 시스템에 사용된 접속방식이 구현된 모습을 나타낸다. 제어신호를 통해 모터 및 릴레이가 작동하여 이하 회로에 전원을 인가한다.

그림 4. 부하 접속방식 개발 상태

Fig. 4. Development Status for Load Connecting Units

표 4는 신뢰성 평가 시스템에 구성된 전기제품과 전류 특성을 요약하여 나타낸다. 표준화된 오동작시험에서 다루는 부하는 중복해 확인할 필요가 없기 때문에 가능한 배제하고 다양한 장소에서 사용되는 제품을 구비했다. 또한 확인하고자 하는 제품군을 평가 전에 추가 설치할 수 있도록 확장을 고려해 설계됐다. 신뢰성 평가용 부하의 RMS 전류와 순시전류를 그림 5와 그림 6에 각각 나타냈다. 100 ms 동안 취득된 전류파형에서 전기제품 고유의 전류특성을 확인할 수 있다. 다수 부하의 RMS 전류에서와 같이 시간에 따른 변동이 크지 않으나 기동중인 에어컨 부하에서는 상대적으로 변동이 크게 나타난다(그림 5b, 5d).

그림 5. 신뢰성 평가용 부하의 RMS 전류

Fig. 5. RMS Currents of Reliability Evaluation Loads

그림 6c는 5A 저항부하의 순시전류로 깨끗한 정현파를 띈다. 문서 세절기는 삼각파(그림 6a), 에어컨 부하는 인버터의 스위칭 제어에 의해 비선형적인 전류 형태가 대표적으로 나타난다(그림 6b). 이외에도 제품에 따라 독특한 형태의 전류파형을 확인할 수 있다. AFDD는 전류의 형태와 주파수 특성을 고려해 개발된 알고리즘에 따라 작동하므로 정상전류의 다양한 시간영역 및 주파수영역 특성을 인가할 때 구체적인 평가가 수행될 수 있다. 특히, 제어에 따라 사용전류가 변하는 부하의 경우에는 돌입단계뿐만 아니라 긴 시간 동안 전류의 변화를 관찰하며 AFDD의 오동작 여부를 평가할 필요가 있다.

그림 6. 신뢰성 평가용 부하의 순시전류

Fig. 6. Instantaneous Currents of Reliability Evaluation Loads