아크 플래시 감지 어플리케이션을 위한 파이버옵틱

글. Alek Indra, Asia Pacific Marketing Manager, Avago Technologies

개폐장치라고 하는 전력 시스템의 전기 장비를 제어, 보호, 차단하는 전기 차단 스위치를 비롯해 퓨즈 및/또는 회로 차단기에 오류가 발생하는 경우, 해당 전력을 사용하는 장비는 물론 인접해 있는 운용 인력 등을 포함한 전체 전력 시스템이 위험해질 수 있다. 위와 같은 상황은 회로의 단락시 더욱 많이 발생한다.

일반적으로 금속 단락과 아크 플래시 단락의 두 가지 유형이 있는데 아크 플래시 단락의 위험 수위가 더 높다. 이를 감지하지 못하고 즉시 대응하지 못하는 경우 아크 플래시는 화재를 발생시킬 수 있으며 장비 손상은 물론 신체에 손상을 미치기도 한다. 이러한 피해로는 구리 배선이 과열되거나 알루미늄 봉이 녹기도 하며 독가스 확산 등도 예를 들 수있다. 또한 과열이 되면 압력이 상승해 개폐 장치가 폭발하는 위험이 야기되기도 한다.

개폐 장치에 사용되는 보호 방법으로는 신속한 버스 보호, 전류 보호 및 아크 플래시 보호장치 백업 등이 있다. 신속한 버스 보호 방법은 고압 개폐장치에만 사용 가능하며 전류 보호 백업은 회로 차단기를 전환하는 시간이 너무 많이 소모된다. 따라서, 저전압 및 중전압 개폐장치는 빠른 탐지 시스템이 필요하다.

중요한 건 응답 시간
아크 플래시가 발생하게 되면 수천분의 일초 내에 엄청난 파괴력이 생긴다. 제 시간 안에 회로 차단기를 열지 못하면 엄청난 손상이 발생할 수 있다(그림 1). 아크 플래시 사고로 발생한 손해는 짧은 시간 안에 흐르는 전류량과 직접적인 관계가 있지만 시간과 전류량이라는 두가지의 변수 중 시간이 더욱 치명적이다. 따라서, 보호를 최대화 하려면 아크 플래시 탐지기 및 전체 개폐장치 시스템 모두 응답 시간이 빨라야 한다.

아크 플래시 탐지 방법
아크 플래시에 오류가 발생하면 즉각적으로 빛 에너지 및 발열 에너지를 포함한 대량의 복사 에너지가 방출된다. 아크에의해 발생한 빛의 강도는 일반적인 주변 빛보다 수천 배 높은 양이다.

아크 플래시 탐지 릴레이는 엄청나게 빠른 응답 시간을 발휘하기 위해 아크 플래시의 강도를 활용하기 때문에 기존의 릴레이에 비해 더욱 많은 피해를 줄일 수 있다. 따라서, 아크 플래시 탐지 기능은 모든 개폐장치 설비에 핵심 요건이 되었다. 단, 빛은 아크 플래시가 발생했음을 알려 주는 여러 가지 징후 중 일부에 지나지 않는다.

아크 플래시가 발생하면 빛, 압력, 열, 전류 및 심지어 소리까지 대폭 증가하기 때문에 개폐장치는 이러한 모든 현상을 모니터링, 탐지할 수 있도록 설계되었다. 빛을 탐지하는 방법이 가장 쉽고 빠른 탐지 방법일 수 있지만 대다수의 시스템은 두가지를 탐지하거나 심지어는 세개 이상 (예; 빛, 전류 및 소리)을 탐지한다.

세가지 이상을 탐지하면 더욱 철저하게 응답할 수 있지만 이 방법은 비용이 증가하고 더욱 복잡하기 때문에 한계가 있다. 따라서 가장 효율적이고 비용 대비 효과가 좋은 일반적인 방법은 빛과 전류를 검출하는 방법이다. 이 방법은 안전한 아크 플래시 탐지 시스템을 구축할 때 선택하는 해결책으로 급부상하고 있다.

아크 플래시 탐지 시스템
아크 플래시 탐지 시스템(빛 / 전류 탐지기)는 기본적으로 아크 플래시 모니터링 장치, 제어 장치, 광 탐지기, 전류 탐지기 및 전류 변류기로 구성되어 있다. 제어 장치는 고감도 광 탐지기 및 상류 전류 변류기 모두에서 신호를 수신해 회로 차단기 발생 여부를 결정할 수 있다.

이러한 신호 처리 프로세스는 빠르면서도 동시에 안정적으로 진행되어 위험 및 손상을 최소화시켜야 한다. 따라서, 파이버옵틱 고유의 속도 및 EMI 내성 요소는 이러한 환경에서 아크 플래시 탐지 시스템에 완벽한 매개체가 된다.

광 탐지기에는 광 방사체와 수신기, 베어 파이버 루프 형식의 광센서 및 파이버옵틱 케이블이 포함된다. 광센서는 아크 플래시를 수집한 뒤 파이버옵틱 케이블을 통해 아크 플래시를 파이버옵틱 수신기로 전송함으로써 광 신호를 전기 신호로 전환해 제어 시스템에 아크 플래시가 발생할 때 이를 알린다.

일반적으로 포인트 센서 및 루프 센서라는 두가지 유형의 광센서가 사용된다. 포인트 센서는 광센서 및 광수신기를 사용해 지정된 지역에서 빛을 감지하며 루프 센서(그림 3)는 장비 전체의 중요한 곳에 위치한 베어 파이버루프를 사용한다.

루프 센서 기술은 포인트 센서와 비교할 때 몇 가지 이점이 있다. 우선, 설치 비용이 대폭 절감된다. 한 개의 파이버옵틱 센서의 길이는 최대 200 피트까지 가능한데, 기존의 버스 차별화 보호 장치와 관련된 보호 영역과 동일한 영역을 처리할 수 있지만 포인트 센서보다 비용이 훨씬 저렴하다.

두 번째로, 루프 방식을 사용하면 내부 구조물의 그림자로 인해 아크 플래시에 직접 노출되지 못하는 우려가 없어진다. 세 번째로, 파이버옵틱 센서가 루프 안에 구성되어 있는 경우, 센서의 무결성 및 지속성을 주기적으로 스스로 확인할 수 있어 문제가 발생하면 알람이 즉시 작동한다.

파장 및 조도
일반적으로 아크 플래시의 파장 범위는 300nm ~ 1,500nm의 복합광이다. 따라서, 한 개의 센서에서 650nm 또는 820nm 광섬유 수신기를 사용해 아크 플래시의 빛을 탐지할 수 있다. 플라스틱 파이버옵틱(POF) 또는 멀티모드 유리 파이버옵틱 케이블이 이 파장 범위에서 사용가능하다.
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POF 케이블은 위와 같은 파장에서 최소로 감쇠하므로 650nm에 가장 적합하다. POF는 비용 또한 최저일 뿐 아니라 기타 파이버옵틱 케이블 유형 보다 설치가 용이하다. 멀티모드 유리 파이버옵틱 케이블은 POF 케이블(650nm의)보다 820nm에서 보다 적게 감쇠한다.

아바고 관련 제품
아바고는 파장 성능이 650nm, 820nm, 1300nm인 송수신기, 수신기 등 다양한 파이버옵틱 제품을 제공한다. 이러한 제품은 커넥터가 적은 아크 플래시 탐지기, Versatile Link 및 Miniature Link 시리즈에서 가장 적합하며, 이러한 장치에서 제공되는 선형성, 우수한 민감도성능 및 빠른 응답 시간은 아크 플래시 탐지 시스템에서 탁월하게 기능한다.

결론
단락은 개폐장치에 가장 일반적으로 발생하는 사고이다. 개폐장치에 탐지 및 보호 기능이 없는 경우, 단순히 금전적인 손실 뿐만이 아니라 인명 피해가 발생할 수 있다. 따라서 엄청난 손실을 방지하려면 각기 시스템에 문제가 발생하는 즉시 사고를 확실히 탐지하는 일이 급선무이다.

본 문서에 제시된 아크 플래시 탐지 시스템은 비용 및 성능 측면에서 가장 효율적인 방법이다. 파이버옵틱 구성 요소는 아크 플래시 탐지 체계를 구축하는 가장 용이하면서도 안전한 해결책이다.

아이씨엔 매거진 2013년 03월호