THE ELECTRIC ARC — GENERATION, STRUCTURE AND WAVEFORMS

아크

아크는 전류가 절연 매질을 통과하는 자기 지속 방전으로, 코어 온도는 6000℃를 초과할 수 있습니다. 아크의 발생 조건, 물리적 구조 및 전류 파형 특성을 이해하는 것이 전자식 아크 검출 기술을 이해하는 기초입니다.

2.1 아크의 발생

아크는 전류가 공기 등의 절연 매질을 통과할 때 발생하는 자기 지속 방전 현상입니다. 도선 접속이 느슨해지거나 절연이 손상되거나 도체가 부분적으로 절단되면, 갭 양단의 전계 강도가 매질의 절연파괴 강도를 초과하여 아크가 발생할 수 있으며 강한 빛, 고열, 소음을 동반합니다. 아크 코어 온도는 6000℃를 초과할 수 있어 동재를 녹이고 주변 가연물에 착화할 수 있습니다.

아크의 발생은 일반적으로 세 단계를 거칩니다. 접속 열화(이완, 부식, 손상) → 갭 형성(접촉면 분리, 절연 탄화) → 절연파괴 및 아크 발생(갭이 전계에 의해 절연파괴되어 자기 지속 방전 통로 형성).

2.2 기체 절연파괴와 파센 법칙

갭이 절연파괴되어 아크가 발생하는지는 갭 거리와 기압의 곱에 달려 있으며, 이는 파센 곡선으로 설명됩니다. 공기의 경우 최소 절연파괴 전압은 약 327V이고 이때 갭 거리는 약 7.5μm입니다. 이로 보면 230V 저압 회로에서는 아크가 발생할 수 없을 것 같습니다.

그러나 실제 회로에서는 절연 재료가 열분해되어 탄소 입자를 방출하고 갭 표면에 부착되어 절연파괴 임계값을 크게 낮춥니다. 실측에 따르면 오염된 전극 간의 발생 전압은 전원 전압 이하로 낮아질 수 있습니다. 이것이 노후 배선이 위험한 이유이며, 정격 220V 회로는 아크를 유지할 조건을 충분히 갖추고 있습니다.

2.3 아크의 물리적 구조와 전압-전류 특성

아크는 아크 갭을 따라 세 영역으로 나눌 수 있습니다. 음극에 인접한 음극 영역(전압 강하 약 10~20V, 전자가 열전자 방출과 전계 방출로 방출), 중간의 양주 영역(플라즈마 통로, 온도 6000K 이상), 양극에 인접한 양극 영역(전압 강하 약 5~10V, 금속 용융, 재료 침식)입니다. 아크 전압은 주로 두 전극 영역의 전압 강하로 구성되므로, 아크 길이가 일정 범위 내에서 변해도 아크 전압은 거의 일정합니다.

아크의 전압-전류 특성은 부성 저항 특성을 나타냅니다. 전류가 클수록 아크 유지에 필요한 전압은 낮아집니다. 상용 주파수 시험 회로에서 아크 전압은 전류 영점 부근에서 빠르게 소멸하고 재점화하여 특징적인 전압 평탄부를 형성합니다.

2.4 아크 전류의 파형 특성(60Hz)

정상 부하 전류는 매끄러운 정현파이지만, 아크 전류는 매 반파 영점 부근에서 뚜렷한 “숄더”(평탄 영역)가 나타납니다. 영점 통과 후 갭이 재점화될 때까지 기다렸다가 상승하므로 파형이 왜곡되고 고주파 노이즈가 동반됩니다.

전자식 아크 보호는 전류 파형의 숄더, 고주파 성분, 에너지 누적 등의 특징량을 지속적으로 분석하여 정상 부하(스위칭 전원, 디머 등 비선형 부하 포함)와 위험 아크를 구분합니다.

2.5 아크의 간헐성과 전압 등급

아크의 지속 여부는 전압 등급에 크게 좌우됩니다. 115Vrms 회로에서는 아크가 주로 간헐적으로 군집 발생하지만, 230Vrms 회로에서는 영점 통과 후 재점화 확률이 크게 높아져 아크가 거의 지속적으로 존재하며 화재 위험이 현저히 높아집니다.

또한 전극 간격, 직렬 부하의 크기, 방열 조건 및 인근 가연 재료도 아크의 안정성에 영향을 줍니다. 한국의 220V / 60Hz 계통은 고전압 등급 적용으로 아크가 한번 발생하면 더 쉽게 지속되므로 방호의 필요성이 특히 큽니다.