[기술노트] AFCI 기술소개 및 국내개발 현황

개요 전기화재의 많은 원인이 전기선로 및 배선기기에서의 아크현상으로 나타나고 있으나, 기존 보호기기로 일반적으로 사용되는 배선용차단기(MCCB)나 누전차단기(ELCB) 등은 이에 대한 보호기능을 만족시켜 주지 못하고 있다. 따라서 전기화재 사고의 예방을 위해서는 아크결함에 대한 보호대책이 강구되어야 하며 이를 위해 AFCI(Arc Fault Circuit Interrupter)가 대안으로 제시되고 있다. 배선용 차단기의 I-t 특성(<그림 1> 참조)은 과부하(영역 3) 및 단락사고(영역 4) 영역으로 이루어지는 배선용 차단기가 보호해야 할 영역과 정상적 부하 상태로 인식하는 (영역 1), (영역 2)로 구성된다. 그러나 이러한 보호영역 구분은 선로의 열적 특성을 기반으로 설정되는 것으로 정상부하 상태로 인식되는 영영에서도 아크결함은 발생될 수 있으며, 이 경우 배선용 차단기는 선로보호 책무를 수행할 수 없게 된다. 배선용차단기가 부착된 상태임에도 전기화재가 발생되는 경우는 이와 같이 배선용차단기의 보호개념에 아크결함에 의한 전기화재 대처를 위한 사각지역이 존재하기 때문으로 추정할 수 있다. 1. 아크 아크란 절연체에서 발생되며 보통 전극의 소손을 동반하게 되는 섬광의 방전현상이다. 아크의 발생은 순간에서부터 오랜 기간에 이르기까지 다양하며, 통전 전류의 크기와 아크 지속시간이 화재의 주요 요소가 된다. 또한 아크 결함은 비록 작은 전류일 경우에도 1,000℃ 이상의 온도 발생이 가능하다.(일반 PVC 전선 절연체의 발화점 영역은 250~400℃ 정도) 따라서 아크는 직접적인 화재 및 절연체 열화를 통한 화재 원인을 생성시켜 화재를 일으킨다. 2. 아크 결함의 종류 전기선로 상에 발생되는 아크발생의 유형으로는 병렬아크, 직렬아크 그리고 접지아크로 구분되며, 이들은 일상생활 속에서 어렵지 않게 대하게 되는 현상이다. (<그림 2> 참조)

① 병렬아크(선간아크) 병렬아크는 손상된 전원코드나 지속적이고 반복적인 굽힘동작(헤어드라이어의 콘센트 접속동작과 토스트기 보관 시 코드를 마는 상황에서 자주 발생), 문틈이나 무거운 물체로 압력을 받는 상태에서 발생한다. ② 직렬아크 직렬아크는 콘센트의 접속 부분에서 주로 발생하며, 전선을 연결하고 벽체에 고정시키는 과정에서 연결된 볼트에 힘을 받게 되는 경우, 접속 불량지점에서 발생된 고온으로 산화층이 생성되어 아산화동의 저항특성으로 절연체 탄화로 인해 발생한다. 직렬아크의 예를 <그림 4>로 나타내었으며, 직렬아크 및 절연체가 손상되면 병렬아크로 전이 가능하다.

③ 접지아크 접지아크는 전선 절연체가 못과 같은 외부영향으로 접지와의 절연성능이 약화된 경우에 발생한다. <그림 5>와 같이, 곧바로 절연사고가 발생하지는 않더라도 서지성 과도전압으로 탄화로 형성하여 접지아크를 발생시킬 수 있다.

이런 아크결함으로 인해 전기화재는 은밀하게 진행되고, 발생 시점은 달라질 수 있지만 언젠가는 발생하며 노후화된 시설은 물론 새 설비에도 예외가 없다는 특징을 가진다. 또한 전기설비나 기기를 사용하는 곳에서는 아크 결함을 피할 수 없으며, 매일 아무 일 없이 사용하던 전기설비 및 기구들에 갑자기 화재를 발생하게 하므로 아크 결함에 대한 보호대책은 필수적이라 하겠다. 전기선로 상에서 여러 사고원인들이 전기화재 및 감전으로 이어지게 되는 관계에서 보호 기기들의 수행 역할들은 <그림 6>과 같이 나타낼 수 있다. 접촉 불량과 도체단선과 같은 원인으로 인한 직렬 및 병렬아크 발생 시 나타나는 전기화재는 기존의 배선용 차단기나 누전차단기로 방지할 수 없으며, AFCI에 의해 보호효과를 기대할 수 있다. 직렬 및 병렬아크 현상은 일상생활에서 피하기 어려운 현상이며, 따라서 이에 대한 보호대책으로서의 AFCI 기술은 전기화재 예방 및 저감을 위해 절실히 요구되는 기술이라 할 수 있다. ACFI(Arc Fault Circuit Interrupter) 기술 1. 원리 및 구조 AFCI는 아크현상에 수반되는 여러 가지 물리적 현상 중 적절한 대상, 즉 아크전류나 전압 등을 검출하여 유해 아크의 발생여부를 확인하고 사고선로를 전원으로부터 차단시키는 기능을 수행하는 보호기기이다. 이러한 기능을 수행하기 위해서는 무엇보다 유해한 아크현상과 정상적 상태에서 발생될 수 있는 아크현상을 식별할 수 있게 되는 것이 무엇보다 중요하다고 볼 수 있다. 지금까지 북미지역을 중심으로 상용화되고 있는 AFCI는 직렬아크에 대한 식별기능만을 가지는 Branch/Feeder Type으로 아날로그 방식의 구현이 많이 사용되고 있으나, 2005 NEC에서 2008년부터 적용예정으로 되어 있는 Combination Type은 병렬아크는 물론 직렬아크에 대해서도 식별기능을 수행하게 되어 있어 회로구성 방식이 점차 논리회로 구성 및 디지털 회로방식으로 점차 옮겨가고 있는 경향이다. <그림 7>은 디지털 방식의 AFCI 구성 예를 나타낸 것으로, 아크전류 검출부, 유해아크 식별부 및 트립시험 회로부 등으로 되어있다. 한편, <그림 8>은 사용된 마이크로프로세서에 적용된 유해아크 식별 알고리즘을 나타낸 것으로, 병렬아크 및 직렬아크에 대해서 식별이 가능한 기능을 가지도록 구성되어 있다. 또한 병렬아크에 대한 동작 예로서 <그림 9>와 같이 아크전류의 일정 형태가 나타나면 이 신호를 정상상태의 아크신호와 구분하여 유해아크로 식별하고 회로 차단기에 트립신호를 출력하여 결함 선로를 전원측으로부터 분리시키게 된다.

2. 특징 및 효과 선로에 흐르는 전류신호로부터 아크현상을 검출하고 아크전류의 발생 형태로부터 유해아크의 발생유무를 식별하여 선로를 아크결함으로부터 보호하고, 정상적인 아크현상 발생에 대해서는 불필요한 트립동작이 발생되지 않도록 하는 것이 중요하다. 이러한 유해아크 식별기능은 선간단락에 의한 병렬 아크결함은 물론 정상 부하전류 크기영역에서 발생되는 직렬아크 결함에 대해서도 대처할 수 있도록 하여 옥내배전선로에서의 전기화재를 예방하도록 한다. AFCI 기술이 이루어야 할 성능으로는 현재 북미지역에서 상용화되고 있는 AFCI를 대상으로 UL1699에서 규정하고 있는 것이 유일하며, 여기에는 크게 아크결함 검출특성, 오동작 특성 그리고 장애환경에서 아크결함 검출특성 등을 검증하도록 하였다. 이러한 규정은 미국에서 주로 사용되는 110V, 15/20A 정격의 AFCI에 적용하도록 한정되어 있어, 적용환경과 대상 정격이 달라지면 규격내용의 변경이 이루어져야 할 것이다.(<그림 10>참조) 3. 국내외 개발 현황 국내에서는 기존의 배선용차단기 및 누전차단기 제조업체들이 AFCI에 대한 상당한 관심을 가지고 있으나, 국내시장 형성이 아직 구체화되어 있지 않기 때문에 실질적 기술개발과 투자가 미루어지고 있는 상태이다. 하지만 AFCI 기술개발을 위한 노력들은 이미 시작되고 있으며, 가장 먼저 본 기술의 도입을 법제화하고 있는 미국의 주요 AFCI 제작사에 OEM 방식 혹은 주요부품을 납품하는 형태로 국내에서도 관련 기술 산업이 이루어지고 있는 상황이다. 한국전기연구소에서는 AFCI 기술에 대한 관련연구 수행을 통하여 독자적인 기술을 확보하고, 국내 AFCI 기술적용에 대처할 수 있는 준비를 하고 있다. 그리고 2006년부터 국책과제를 통하여 AFCI 기술 규격 제정에 필요한 내용들을 수립하기 위해 관련 업체 및 기관들을 포함한 Working Group을 구성하고 의견들을 수렴하는 과정을 거쳤으며, 국내 여건에 적합한 AFCI 관련 규격안이 규격제정을 위해 해당기관에 제출되어 있는 상태이다. 한편, 국내외 AFCI 관련 시장 및 기술의 변화추이를 <그림 11>과 <표 1>로 나타내었다. 90년대 중반부터 유럽과 미국을 중심으로 본격화된 AFCI 기술개발이 2002년부터 미국에 적용 법제화가 이루어지기 시작하였고, 2008년부터는 병렬아크 뿐 아니라 직렬아크 결함에 대한 보호기능도 가지도록 규정되었다. 국내에서도 AFCI의 전기화재 예방효과에 대한 효율성을 인식하고 2000년대 초부터 일부업체에서 관심을 가지게 되어 2005년부터는 한국전기연구소의 관련기술 개발을 시작으로 더 한층 많은 업체들이 관심을 가지고 기술개발을 진행 중이다.

맺음말 전기화재 예방을 위한 효과적 방식으로서의 AFCI에 대한 인식제고가 사용자와 제조업체들에게 필요하며, 이와 더불어 AFCI 기술의 국내적용을 위한 환경구축이 하루빨리 이루어져야 할 것으로 보인다. 이에 대한 것으로는 먼저 국내 여건에 적합한 AFCI의 성능기준을 제시하는 기술규격의 제정이 필요하며 이 기술규격을 수용할 수 있는 AFCI 국내기술의 확보 그리고 성능검증을 수행하기 위한 성능인증시스템의 구축 등이 균형 있게 이루어져야 할 것이다.