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전기 화재 예방을 위한 아크차단기(AFCI) 활용
2011년 12월 9일 (금) 14:38:10 |   지면 발행 ( 2011년 11월호 - 전체 보기 )



전체 화재 발생 건수 중 전기 화재는 2008년과 2009년에 19.8%를, 2010년에 22.6%를 차지했다. 전기 화재 감소율은 왜, 제자리걸음일까. 혹자는 "화재 발생 원인을 밝혀내지 못할 경우 전기 화재로 치부하기 때문이다"라고 말한다. 이러한 전기 화재의 오명汚名을 벗어 던지려면, 전기계부터 아크차단기에 관심을 기울여야 한다. 누전 차단기는 감전 사고 예방 기능만 할뿐 정상 역역에서 발생하는 전기 화재 예방 기능은 없기 때문이다. 아크차단기 설치를 의무화한 선진국에서 전체 화재 발생 건수 중 전기 화재 점유율을 10%대까지 떨어뜨렸음에 주목하고, 조속히 우리나라 환경에 적합한 아크차단기 시험 방법 및 기준 등을 마련해 시행해야 한다. 본지는 화재 발생 빈도가 높은 계절을 맞아 전력 기술 동향 코너에 방선배 박사<전기안전연구원 선임연구원>의 '전기 화재 예방을 위한 아크차단기(AFCI) 활용'을 싣는다. - 편집자 註

방선배 <전기안전연구원 선임연구원/공학박사> (031)580-3062 bsb1586@kesco.or.kr

감전 사고와 전기 화재를 예방하고자 1976년 KS 4613 누전차단기(ELB : Earth Leakage Breaker) 국내 표준을 제정해 주택 인입구에 누전차단기를 설치하도록 법제화했다. 누전차단기는 과전류와 누설전류를 차단하는 장치로 감전사고를 예방하는 효과는 크다. 그러나 <그림 1>과 같이 정상 영역에서 발생하는 아크에 의한 전기 화재는 전혀 예방할 수 없다. 이러한 이유로 국내 전기 화재 점유율은 더 이상 줄지 못하고 한계에 머물러 있다.
2010년 발생한 화재는 총 4만 1862건이며, 그 중 전기 화재는 9442건으로 약 22.6%를 점유한다(<표 1> 참조). 이러한 전기 화재의 발생 원인은 단락이 무려 61.5%인 5808건이며, 접촉 불량과 반단선半斷線이 10.6%인 1000건을 차지한다(<표 2> 참조). 이를 통해 전기 화재의 70% 이상이 아크(Arc-Fault)로 말미암아 발생한다는 결론을 내릴 수 있다.
미국과 캐나다 등 선진국에선 전기 화재를 예방하고자 2002년 1월 1일부터 일반 주택에 아크차단기(AFCI) 설치를 의무화했으며, 2008년부터 욕실과 부엌 등 감전 사고 위험이 높은 회로를 제외한 모든 회로에 아크차단기를 사용한다. 이러한 조치로 전기 화재 점유율이 20%에서 10% 이하로 감소하자 아크차단기 확대 설치의 필요성을 인식했다.

최근 태양광 설비, 이동용 캠핑카, 조립식 건물 등에 이르기까지 아크차단기를 설치하고 있다. 즉, <그림 2>와 같이 전기 화재 예방은 아크차단기가, 감전 사고 예방은 누전차단기가 담당하도록 규정을 개정하는 실정이다.
우리나라도 전기 화재 예방과 전기 화재 점유율을 획기적으로 줄이려면 조속히 아크차단기를 도입해야 한다. 또한 아크차단기의 올바른 정착을 위해 우리 모두 관심을 가져야 한다. 여기에서 아크차단기의 국내외 개발 동향과 기술 수준, 성능 검증 방법, 향후 계획에 대해 살펴보고자 한다.


* 위 이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다.

국내외 개발 동향 및 기술 수준
미국전기전자학회(IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers)와 국제전기표준회의(IEC : International Electro-technical Commission)의 자료를 분석하면, 1970년 이후 아크 사고 신호 분석, 모델링 기법, 아크차단기 개발 등과 관련한 많은 연구 논문이 발표됐으며, 최근 높은 기술적 수준으로 정립돼 가는 실정이다.
미국은 앞에서 살펴본 대로 <그림 3>과 같이 2008년부터 주택의 욕실과 부엌 등 감전 사고 위험이 높은 회로를 제외한 모든 회로에 아크차단기를 설치했다. 또한, <그림 4>와 같이 아크차단기의 성능을 지속적으로 향상시키고자 매년 'UL 1699 STP(Standard Technical Panel) 회의'를 개최해 UL, 학계, 연구소, 유관 업체 들을 중심으로 현장 적용 시 문제점, 개선 방안과 전기환경 변화에 따른 규정 개정 등 기술 교류가 활발하다. 슈나이더Schneider, 지멘스Siemens, 제너럴 일렉트릭GE, 이튼Eaton 등이 아크차단기 관련 유수 기업체로 많은 연구를 통해 시장을 선도하고 있다. 최근 다수의 중소·중견기업도 활발한 연구 개발을 통해 관련 지적재산권을 대폭 출원하는 실정이다.

<그림 5>는 미국 뉴저지 주 신규 주택의 전원 인입 설비로써 계량기함 2차 측에 인입구 차단기 1개를 설치하고, 지하실에 1, 2층 분전반용 분기 차단기를 설치했다. 아크차단기를 1층 분전반에 8개, 2층 분전반에 7개 설치했다.
우리나라와 마찬가지로 중국도 학계, 연구계, 산업계에서 아크차단기와 관련한 연구를 많이 진행하지만, 자국의 표준이 없고 공인 시험 설비가 없어 활성화하지 못하는 실정이다. <그림 6>은 중국의 아크차단기 개발 업체 현관에 설치한 아크차단기 동작 시연 전시 모형으로, 아크차단기가 전기 화재를 예방하는 획기적 방법임을 방문자에게 홍보한다. <그림 7>은 업체에서 개발한 단독 부하형(코드형) 아크 차단 장치, <그림 8>은 멀티콘센트용 아크 차단 장치, <그림 9>는 주택 3회로용 아크 차단 장치다.

우리나라는 극히 일부 대학에서 기초 수준의 아크 차단 장치 관련 연구를 수행할 뿐이다. 한편, LS산전과 현대중공업 등 차단기 생산 업체에서 아크 차단 장치의 중요성을 인식해 상당 부분 연구 개발을 진행한 상태며, 극소수 중소기업체가 가세하는 실정이다. 그러나 국내 표준 부재와 국민 인식 부족 등으로 시장이 이뤄지지 않아 매우 어려운 상태다.
그 뿐만 아니라 최근 전력 IT와 스마트 그리드 등과 관련해 아크 사고와 관련 기술에 관심이 많아졌음에도, 우리나라 환경에 적합한 시험 방법과 기준 등이 없어 미국 UL 규격에만 의존하기에 혼란스런 상태다.

아크차단기 성능 검증 방법
아크차단기는 전압·전류 신호를 분석해 발생한 유해 아크를 차단하고, 정상 아크는 차단하지 않아야 한다. 유해 아크는 전기 화재를 유발할 수 있는 아크를, 정상 아크는 스위치 개폐와 전기 드릴 브러시Brush 등에서 정상적으로 발생하는 아크를 말한다.
기기의 정상 동작 상태에서 발생하는 아크는 문제를 일으키지 않기에 아크차단기는 일정 시간 이내에 입력 신호를 분석해 정상 아크인지, 유해 아크인지를 판단해야 한다. 일반적으로 정상 아크와 유해 아크는 유사하고, 그 경계도 모호하다. 아크차단기 개발이 까다로울 뿐만 아니라 아크차단기가 오동작을 일으키는 이유다. 따라서 아크차단기의 성능을 정확히 검증하는 작업은 어려우며 시간도 많이 걸린다.
다음은 UL 1699 기준을 기반으로 최소한의 아크 차단기 성능을 검증하기 위한 시험 방법이다.

직렬 아크 시험(Arc Generator Test)
직렬 아크는 <그림 10>과 같이 부하와 직렬로 연결한 배선에서 발생하며, 아크 신호는 부하 동작 특성과 부하 전류 크기에 따라 달라진다. 직렬 아크 성능 검증 장치는 <그림 11>과 같이 정지 전극과 이동 전극으로 구성하며, 양 전극을 접촉시켜 완전히 폐회로로 만들어 전원을 인가한 후 측면 조절 장치로 이동 전극을 정지 전극과 분리해 아크를 발생시킨다. 이 아크를 통해 아크차단기의 성능을 검증한다.

EMI 필터 시험
EMI(Electro Magnetic Interference) 필터 시험은 EMI 필터 영향으로 아크 신호가 감쇄할 때, 아크 신호 검출 성능을 평가하는 장치를 말한다. EMI필터 시험은 <그림 12>, <그림 13>과 같이 커패시터Capacitor 또는 상용품인 EMI 필터를 이용하는 방법이 있다.

병렬 아크 시험(Point Contact Test)

병렬 아크 시험 방법은 <그림 14>와 같이 전선과 전선의 단락으로 발생하는 아크를 이용한다. 일반적인 배선을 단락시킬 경우 대전류가 발생하기에 전류를 제한하는 장치가 필요하다. 시험 전류는 75A, 100A, 150A, 200A, 300A, 500A, 1000A다.

탄화 경로 아크 시험(Carbonized Path Test)
탄화 경로 아크 시험은 <그림 17>과 같이 잘린 도선 사이에 7500V를 인가해 탄화 경로를 생성시키고, 여기에 정상 전압을 인가한 상태에서 아크를 발생시킨다.

<그림 17>은 탄화 경로 아크 점화 시험 회로도로 직렬 아크 시험이다. 입력 측에 시험을 위한 아크차단기를 설치하고 전원을 인가하면, 이 전원은 접점NC를 통해 15㎸ 변압기 1차에 인가돼 2차 측 회로에 7500V를 발생시킨다. 이때 잘린 도선 사이에 탄화 도전로가 생기고, 10초 후 NO 접점이 ON으로 바뀌어 부하에 전원 전압(220V)을 인가하며, 이때 인가된 전원 전압으로 생긴 탄화 도전로에서 아크가 발생한다. 이 아크로 아크차단기의 성능을 검증한다. 아크차단기가 동작하지 않으면, 10초 간격으로 탄화 생성 동작을 반복한다.

<그림 18>은 탄화 경로 아크 차단 시험 회로도로 병렬 아크 시험이다. 따라서 전류를 제한하기 위한 전류 제한 장치를 입력 측에 설치해야 한다(시험 전류는 75A와 100A). 시험 원리는 <그림 17>과 유사하다.

크로스 토크Cross Talk 시험
크로스 토크 시험은 아크가 발생한 회로의 영향이 다른 회로에 어느 정도 미치는지 파악하는 것이다.
한 회로에 병렬 아크 고장이 발생하면, 다른 회로에 그 영향이 미치지 않아야 한다. 크로스 토크 성능 시험은 <그림 20>과 같이 덕트Duct를 이용하는 방법과 <그림 21>과 같이 스테이플러Stapler를 이용하는 방법이 있다.

덕트를 이용하는 방법은 <그림 20>과 같이 두 개의 회로를 하나의 덕트에 삽입하고, 각각의 회로에 과전류차단기(MCCB)와 아크차단기(AFCI)를 설치한다. 과전류차단기 회로에 병렬 아크 고장 시험을 실시할 경우, 옆에 설치한 아크차단기에 영향이 없어야 한다.
스테이플러를 이용하는 방법은 <그림 21>과 같이 두 개의 케이블을 일렬로 배열하고, 스테이플러를 이용해 1.22m 간격으로 고정한 후 각각의 회로에 과전류차단기와 아크차단기를 설치한다. 과전류차단기 회로에서 병렬 아크 고장 시험을 실시할 경우, 옆에 설치한 아크차단기에 영향이 없어야 한다. 케이블 길이는 7.62m, 시험 전류는 150A다.

라인 임피던스Line impedance 시험
라인 임피던스 시험은 아크가 발생한 지점부터 차단기까지 배선이 길어져 배선에 나타나는 임피던스 영향으로 아크 신호가 감쇄할 경우, <그림 22>와 <그림 23>과 같은 방법으로 아크차단기의 성능을 시험하는 방법이다. 또한, 접지 아크 시험으로, 전원선과 대지 사이에 발생하는 아크를 검출하기 위한 것이다(시험 전류는 75A, 100A).

오동작 시험
개발한 아크차단기의 신뢰성을 확보하려면, 아크고장을 검출하는 기능과 정상 상태에서 발생하는 아크에 오동작이 없어야 한다. 이러한 신뢰성 시험은 매우 중요하다. 오동작 시험은 일반 가정에서 사용하는 가전 기기를 사용하며, 동작 특성상 세 가지 조건으로 나눌 수 있다. ▲돌입 전류가 발생하는 부하 : 백열 램프, 수은 램프, 메탈 핼라이드 램프Metal Halide Lamp, 컴프레서 등 ▲정상 아크가 발생하는 부하 : 공기 청소기, 핸드 드릴, 공기 청정기, 실링팬 등 ▲비선형 전류가 발생하는 부하 : SMPS, 조도 조절기, 형광 램프, 에어컨 등. 선정된 시험용 부하의 시험 방법을 간단히 요약하면 다음과 같다.

백열 램프 | 150W 4개와 100W 4개로 구성한다. 스위치를 이용해 입력 전압을 30°, 60°, 90°제어하거나, 불규칙적으로 60회 ON/OFF한다. 과도전류의 최대치는 90°위상 제어 시 100A 이상이어야 한다. 각각의 시험을 수행하면 램프를 1분 이상 방열한다.

수은 램프 | 1500W 수은 램프를 불규칙적으로 5회 ON한다. 램프를 ON하기 전에 램프 필라멘트를 완전히 방열한다.

고압 방전 램프(MH) | 2.5A 고압 방전(메탈 핼라이드) 램프를 ON하고, 3분 동안 유지한 후 OFF하며, 5분간 램프를 방열한다. 시험을 5회 반복한다.

컴프레서 | 과도 전류 최대치가 75A ±10%인 컴프레서(커패시터 기동 모터)를 공기 탱크가 완전히 빈 상태에서 기동시키고, 1분 동안 운전한 후 스위치를 OFF하며, 모터가 완전히 멈출 때까지 충분한 시간을 갖는다. 시험은 공기 탱크가 완전히 빈 상태에서 5회 반복한다.

공기 청소기 | 4∼5A 정격을 갖는 공기 청소기를 1분 동안 가동하고, 부착된 스위치를 이용해 OFF한다. 시험은 5회 반복한다. 청소기에 부착된 스위치가 ON 상태에서 플러그를 이용해 청소기를 1분 동안 운전시킨 후, 플러그를 이용해 OFF한다. 시험을 5회 반복한다. 모터를 OFF한 후 모터가 완전히 멈출 때까지 충분한 시간을 갖는다.

핸드 드릴 | 무부하에서 최대 속도로 24시간 이상 사용한 2∼3.5A 정격을 갖는 핸드 드릴을 이용한다. 핸드 드릴을 최저 속도에서 최대 속도로, 다시 최저 속도로 변경한다. 시험을 무부하 상태에서 1분 동안 10초씩 6회 반복한다.

공기 청정기 | 공기 청정기를 플러그를 이용해 1분 동안 동작시킨 후, 플러그로 OFF한다. 시험을 20회 수행한다. 공기 청정기는 다음에 따르는 동작 상태를 갖는다. ▲공기 청정 기능 - ON, UV 램프 기능 - ON. ▲공기 청정 기능 - OFF, UV 램프 기능 - OFF.

실링팬 | 0.6∼0.8A 정격을 갖는 실링팬과 속도 제어기를 이용한다. 실링팬의 속도를 최저 속도(OFF 위치)에서 최대 속도로, 다시 최저 속도(OFF 위치)로 변경한다. 시험을 1분 동안 10초씩 6회 반복한다.

SMPS | THD가 100%(3th - 75%, 5th - 50%, 7th - 25%) 이상이고, 2.5A 부하 전류를 갖는 SMPS를 이용한다. SMPS를 동작시키고 1분 동안 유지한 후, SMPS를 OFF한다.

조도 조절기 | 200W 3개와 100W 4개로 구성된 1000W 텅스텐 램프 조도 조절기를 사용한다. 조도 조절기에 필터가 포함돼야 한다. 조도 조절기는 최대 위상각 60°, 90°, 120°램프를 유지하기 위한 최소 위상각에서 1분씩 유지한다. 1분 동안 램프를 동작시킨 후 1분 동안 램프를 방열한다. 시험을 200W 2개와 100W 2개로 구성된 600W 텅스텐 램프와 필터가 없는 조도 조절기를 이용해 반복한다.

에어컨 | 5∼7A 에어컨을 이용한다. 온도 조절 스위치를 이용해 실내 온도보다 5℃ 이하로 온도를 조절한다. 에어컨을 ON하고, 5분 동안 유지한 후 OFF 한다. 시험을 5회 반복한다.

복합 부하(Multiple Load) 시험 | 핸드 드릴과 에어컨을 복합 부하로 시험한다. 저항을 이용해 AFCI정격과 동등한 전류로 시험한다.

*

최근 우리나라에서 아크 차단 장치, 아크 콘센트, 아크 검출 장치 등 여러 종류의 전기 화재 예방 장치를 개발하고 있다. 그러나 이러한 장치들을 국가표준과 적합한 시험 설비가 없는 상황에서 특별한 검증 절차 없이 현장에 보급함으로써 전반적인 전기 설비의 신뢰도를 저하시킬 뿐만 아니라 이로 인한 2차 사고 발생 우려까지 야기하는 실정이다. 이에 따라 아크차단기의 성능을 검증하고 신뢰도를 평가하기 위한 시험 및 성능 검증 설비를 조속한 시일 내에 구축해야 한다. 또한 이와 함께 국내 환경에 적합한 시험 표준도 마련해야 한다. 현재, 아크차단기와 관련한 국제적인 시험 표준을 제정하기 위해 2008년 7월 이후 IEC 62606에서 검토 중이나, 우리나라에선 관련 연구의 관심도가 매우 낮은 실정이다.
이에 따라 전기안전연구원에서 국가 전기 화재 감소율 확보를 위해 2005년부터 아크차단기 관련 많은 연구를 수행해 왔으며, 관련 시험 설비 개발 연구 수행으로 2011년 5월 UL 평가를 통해 'UL WTDP Lab. 인증'을 획득해 아크 차단 장치 관련 시험 설비의 신뢰성을 확보했다. 또한, 많은 기업과 더불어 아크차단기 또는 아크 차단 장치를 개발해 기술 이전 및 보급 사업을 추진하고 있다.

<Energy News>

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2011년 11월호
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