KR100249992B1 - 접지시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력계통내부에서 야기되는 사고 또는 낙뢰와 같은 외부적인 요인에 의해 발생되는 고장전류 혹은 써지를 효과적으로 대지로 분산시키는 접지시스템에 관한 것이다. 종래에는 접지극과 토양사이의 접촉면적 그리고 접지극의 자체의 저항, 접지극 면적 등의 요인에만 비중을 두어 상술한 바와 같이 동선을 굵게 형성하고, 매설된 동선의 단부에는 메쉬접지망이나 방사상 접지망 또는 단순한 동으로된 접지봉, 접지선 등과 같은 접지극을 넓은 지역으로 분포시키거나 설치면적이 작을 경우에는 접지극을 지하의 암반의 아래 혹은 지하수층이 닿을 정도까지 타설하는 방법 등 접지극의 접촉저항 및 대지의 고유저항과 같은 접지저항을 충분히 고려하지 않고 접지설비를 시공하였기 때문에 낙뢰가 침입하면 이를 신속하게 대지로 방전시키지 못하여 대지전위의 상승에 의해 역섬락이 발생하여 시설물이나 전자기기를 파괴시키게 되는 것이다.

따라서 본 발명은 금속으로된 어스봉의 둘레에 다수개의 사방으로 향한 방전침을 다수개 형성한 침상전극봉을 구비하여 이를 낙뢰와 같이 외부적 요인에 의해 발생된 전기에너지를 지중으로 유도하는 리드선과 연결하여 지중에 매설하였다.

이로서 다수개의 방전침에 의해 지중방전효과를 높혀 낙뢰로인한 각종 전자기기 예를 들면 통신기기 레이더기기 등의 절연파괴를 효과적으로 방지할 수 있다.

Description

접지시스템

본 발명은 전력계통내부에서 야기되는 사고 또는 낙뢰와 같은 외부적인 요인에 의해 발생되는 고장전류 혹은 써지를 효과적으로 대지로 분산시킴으로서 역섬락에 의한 각종 전자기기 예를 들면 통신기기 레이더기기 등의 절연파괴를 방지하는 접지시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 낙뢰는 활발한 기류의 유동에 의해 정전기와 같이 대전되어 발생된 엄청난 전기에너지가 지표면으로 방전되는 현상이다. 지구는 거대한 용량의 콘덴서와 같기 때문에 낙뇌와 같은 전류가 충전된다하여도 이를 충분히 흡수할 수 있으므로 전위상승과 같은 현상은 발생되지 않는다.

이러한 낙뢰는 엄청난 파괴력을 지니고 있기 때문에 각종 시설물을 시공할 때에는 반드시 접지시설을 갖추어 낙뢰를 받았을 때 전류를 신속하게 지중으로 방전시킴으로써 낙뢰로 인한 피해를 방지하는 것이다.

접지는 일반적으로 접지극을 대지에 매설하는 것으로서, 접지극에 가해지는 전류는 외부에서 발생한 낙뢰와 같은 써지와 전력계통 및 전기기기의 고장에 의한 고장전류 및 3상불평형에 의한 불평형전류 등이 있다. 이러한 전류는 접지극을 통해 대지로 흡수된다.

접지시설은 낙뢰피해가 우려되는 건축물, 철골구조물에 접지극을 리드선으로 연결하여 지중에 매설시킨 것으로, 특히 건물의 최상단부에 피뢰침을 설치하고 이 피뢰침을 동선으로 연결하여 지면에 접지시킨 것이다. 그리고 매설된 동선의 단부에는 메쉬접지망이나 방사상 접지망 또는 단순한 동으로된 접지봉, 접지선 등과 같은 접지극을 연결하여 넓은 지역으로 분포시켰다.

이러한 접지시설은 송전선철탑, 방송통신용 송수신 철탑, 발전 또는 변전기기, 위험물·저장석유탱크류, 접지저항이 높은 토양(모래,석분,암반)에 시설된 구조물이나 건축물 및 군사기지(레이더기지) 등에는 많은 비용을 들여 낙뢰와 같은 전류를 지중으로 방전시키는 접지시설을 갖추어 왔다.

그러나 이러한 고가의 시설을 갖추고 있음에도 불구하고 여전히 낙뢰로 인한 피해는 줄어들지 않고 있다.

그 이유는 접지극의 접촉저항 및 대지의 고유저항과 같은 접지저항을 충분히 고려하지 않고 접지설비를 시공하였기 때문에 아무리 많은 비용을 들여 접지시설을 갖추더라도 낙뢰에 의한 피해를 막을 수가 없었던 것이다.

즉, 종래에는 접지극과 토양사이의 접촉면적 그리고 접지극의 자체의 저항, 접지극 면적 등의 요인에만 비중을 두어 상술한 바와 같이 동선을 굵게 형성하고, 매설된 동선의 단부에는 메쉬접지망이나 방사상 접지망 또는 단순한 동으로된 접지봉, 접지선 등과 같은 접지극을 넓은 지역으로 분포시키거나 설치면적이 작을 경우에는 접지극을 지하의 암반의 아래 혹은 지하수층이 닿을 정도까지 타설하는 방법 등으로 시공하였기 때문에 낙뢰가 침입하면 이를 신속하게 대지로 방전시키지 못하여 대지전위의 상승에 의해 역섬락이 발생하여 시설물이나 전자기기를 파괴시키게 되는 것이다.

따라서 본 발명은 접지극을 설치면적을 작게 차지하면서 낙뢰와 같은 외부적인 요인에 의해 발생되는 고장전류 혹은 써지를 효과적으로 대지로 분산시킬 수 있는 형상을 갖는 침상전극봉을 구비하여 낙뢰의 피해가 우려되는 건출물이나 철골 구조물에 설치하여 그 피해를 방지하는 접지시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 접지시스템의 침상전극봉의 사시도,

도 2a,2b,2c,2d는 본 발명에 따른 침상전극봉 설치상태도,

도 3은 대지전위를 설명하기 위한 대지전위분포도,

도 4는 접촉전압을 이해하기 위한 도해도,

도 5는 보폭전압을 이해하기 위한 도해도,

도 6은 접지전극의 반구형 모델도,

도 7은 단일 접지봉의 접지모델도,

도 8은 비저항성 동적 모델도,

도 9는 본 발명의 침상전극봉의 방전현상 관측을 위한 시험회로도,

도 10은 본 발명의 침상전극봉 방전현상 관측시험에 사용한 침상봉 구조도,

도 11은 본 발명의 시험에서 지중방전이 일어난 유입전류와 대지전위상승 전압의 파형도,

도 12는 본 발명의 시험에서 임펄스 임피던스의 변화를 나타낸 도면,

도 13은 본 발명의 시험에서 방전현상에 의해 임피던스의 동적특성을 나타낸 도면,

도 14는 유입전류의 FFT 스펙트럼도,

도 15는 대지전위상승 전압의 FFT스펙트럼도,

도 16은 지중방전을 확인하기 위한 임펄스 임피던스 궤적도,

도 17은 대지전위의 크기와 방전개시 시간비교도,

도 18은 지중방전현상에 의한 대지전위상승 억제된 상태를 나타낸 도면,

도 19는 지중방전에 의한 임펄스 임피던스 저감효과를 비교한 비교도,

도 20은 침상봉과 방전현상 촬영위치를 나타낸 촬영 실시도,

도 21은 지중방전현상을 촬영한 것으로 21a는 수평면에서 21b는 침이 필름의 상부에 위치한 경우, 21c는 침의 방향을 방사상으로 하고 촬영한 지중방전 현상도,

도 22는 매설된 수평전극봉과 등가전송선 모델도,

도 23은 EMPT를 이용한 접지전극을 매설한 상태도,

도 24는 매설된 접지선의 전압분포도,

도 25는 대지저항율로 표시되는 V₀와 V_X의 비(k)를 나타낸 도면,

도 26은 임펄스전류 상승시간으로 표시되는 V₀와 V_X의 비(k)를 나타낸 도면,

도 27은 임펄스를 가했을 때 대지저항율로 표시되는 임펄스 임피던스를 나타낸 도면,

도 28은 접지극별 임펄스 임피던스 측정회로도,

도 29는 접지극별 임펄스 임피던스의 회로도,

도 30은 임펄스 볼테이지 테스트시스템 블록 다이아 그램도,

도 31은 방사상2.5m의 대지전위와 유입전류의 파형도,

도 32는 유입전류 파형 FFT 스펙트럼도,

도 33은 대지전위상승 파형의 FFT 스펙트럼도,

도 34는 방사상 접지망 5.0m의 전압 전류파형도,

도 35는 유입전류 파형의 FFT 스펙트럼도,

도 36은 대지전위상승 전압의 FFT 스펙트럼도,

도 37은 침상봉의 유입전류파형과 대지전위상승 전압파형도,

도 38은 유입전류 파형의 FFT 스팩트럼도,

도 39는 대지전위상승 전압의 FFT 분석곡선도,

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 접지시스템은 금속으로된 어스봉의 둘레에 다수개의 사방으로 향한 방전침을 다수개 형성한 침상전극봉을 구비하여 이를 낙뢰와 같이 외부적 요인에 의해 발생된 전기에너지를 지중으로 유도하는 리드선의 리드단자와 연결하여 지중에 매설하여 달성된다.

이하, 본 발명의 구조를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 접지시스템의 침상전극봉의 사시도로서, 침상전극봉(10)의 구성은 어스봉(11)과 그 둘레에 사방으로 돌출된 다수개의 방전침(12)과, 시설물과 어스봉(11)을 전기적으로 연결해주는 리드단자(13), 리드선(14) 및 압축단자(15)로 구성되어 있다.

어스봉(11)의 재질은 전도체로서 저항이 작은 것이면 좋으나 갑자기 큰 전압이 걸렸을 때 녹아내리지 않는 재질의 금속이면 더욱더 좋다. 이러한 금속으로 현재 스테인레스를 사용한다. 그리고, 어스봉(11)의 둘레에 설치되는 방전침(12) 또한 같은 성질의 금속의 것이 바람직할 것이다. 이 방전침(12)은 4개가 한 조를 이루어 사방을 향하도록 방사형태로 설치되며, 이러한 한 조의 방전침(12)들이 어스봉(11)의 외주에 일정한 간격을 두고 설치된다.

어스봉(11)의 일측단부에는 결합부(11a)가 형성되어 있어 리드단자(13)와 연결된다. 리드단자(13)는 리드선(14)이 연결되어 있으며, 내부에는 결합구멍이 형성되어 있어 어스봉(11)의 결합부(11a)에 망치로 타격하여 억지끼움식으로 강하게 결합시킨다. 리드선(14)의 타측 단부에는 압축단자(15)가 설치되어 있으며, 이 압축단자(15)는 낙뢰피해가 우려되는 시설물에 도 2a,2b,2c,2d와 같이 연결된다.

이러한 구조를 갖는 침상전극봉(10)은 적어도 1개 이상을 설치한다. 침상전극봉(10)의 수가 많으면 많을 수록 그 효과는 증대될 것이다. 설치시 대지를 50㎝ 또는 그 이상의 깊이로 파고 침상전극봉(10)을 수평으로 매설한다. 물론 수직으로 설치하여도 동일한 효과를 얻을 수가 있는데, 이는 시설하고자 하는 지역의 환경에 맞도록 시공한다. 이때 방전침(12)이 손상되지 않도록 주의하여 매립하며, 강우 등에 노출되지 않도록 지면을 잘 다진다.

이와 같이 침상전극봉(10)을 갖는 접지시스템은 낙뢰가 침입했을 때 그 전류를 침상전극봉(10)의 방전침(12)을 통해 효과적으로 방전시킨다.

즉, 전류는 끝이 뾰족한 부분을 통해 방전이 쉽게 일어나기 때문에 방전효과가 뛰어남을 예측할 수가 있으며, 실지 실험상으로도 입증되었다.

이를 접지의 개념에서부터 상세히 설명하고, 또 실험에 의해 얻어진 결과들을 소개하기로 한다.

1. 접지

접지는 전기와 대지와의 결합을 의미한다. 또 접지는 인위적인 전원을 대상으로 하는 접지와 자연적인 낙뢰를 대상으로 하는 접지가 있다. 인위적인 전원에 의한 전류는 상대적으로 낮은 주파수의 연속적인 전류이므로 집중정수선로로 모의되나 낙뢰는 써지의 개념으로 전류의 상승률이 높은 진행파의 개념으로 모의되므로 서로 다른 특성을 나타낸다. 이러한 두 가지의 전류를 대상으로 하는 접지는 모두 대지와 완벽한 결합, 즉 양호한 접지저항을 얻을 수 있다면 최상의 접지효과를 얻을 수 있을 것이다.

1-1. 접지저항의 종류

접지계통에 발생되는 전류를 주파수적인 관점에서 분류하면 전력계통의 정상상태 운전에서도 나타날 수 있는 3상 불평형에 의한 불평형 전류가 존재하고 이는 상용주파수를 갖는 전류이다. 이때의 저항을 접지저항이라하고 일반적으로 저항성분만 갖는다.

차단기의 동작이나 계통고장시 주파수영역에서의 성질상 대지가 갖는 비선형성 때문에 상용주파수외에 고주파 혹은 저주파수의 전류가 발생하게 된다. 저주파수의 경우는 용량성의 성질이 주로 나타나게 되고 고주파의 경우에는 재질이 동인 접지극의 리액턴스 성분이 크게 작용하면 유도성의 성질을 나타나게 된다. 이때의 접지저항은 접지임피던스라고 한다.

자연계의 현상중에 전력설비에 가장 나쁜 영향을 미치는 낙뢰의 침입에 의한 급준파는 유입전류의 상승률이 높고, 파두장이 짧다. 이러한 낙뢰는 에너지의 측면에서 적은 양을 갖지만 대지전위의 상승이나 절연파괴측면에서 상당한 파괴력을 지닌다. 전력설비의 절연파괴나 역섬락등의 치명적으로 전력설비에 악영향을 가하는 급준파전류를 빠르게 대지로 방사시키는 것이 전력사업의 측면에서 보면 앞에서 설명한 접지저항이나 접지 임피던스의 저감보다 훨씬 중요하다. 이때 급준파전류에 대한 순간 전위상승의 비를 임펄스 임피던스 혹은 써지 임피던스라고 한다. 일반적으로 급준파전류는 수 ㎒에 이르는 고주파도 존재하므로 진행파의 개념으로 해석된다. 이를 전송측면에서보면 분포정수회로로 해석해야 한다는 것이고 분포정수회로로 해석한다는 의미는 다루고자하는 전송선로를 거리의 측면에서보면 순간적인 전압, 전류가 다르다는 것이다. 즉 비록 다루고자하는 선로가 접지봉과 같이 수 m정도라 하더라도 침입한 급준파가 고주파이면 접지봉의 침입점과 끝점에서의 전압, 전류 크기가 다르다는 의미이다.

앞에서도 언급했듯이 급준파는 일반적으로 진행파의 개념으로 다루어진다. 그러면 도대체 진행파와 일반전력을 전송하는 개념에서는 어떠한 차이가 있는가에 대한 의문점이 있다. 이를 전송측면에서 보면 분포정수회로로 해석해야 한다는 것이고 분포정수회로로 해석한다는 의미는 다루고자하는 선로가 접지봉과 같이 수m정도라 하더라도 침입한 급준파가 고주파이면 접지봉의 침입점과 끝점에서의 전압, 전류가 크기가 다르다는 의미이다.

접지측면에서 볼 때 급준파가 갖는 또 다른 중요한 의미는 일반적으로 접지면적으로 접지저항을 저감시키는 방법으로는 임펄스 임피던스를 저감할 수 없다는 의미도 포함된다. 왜냐하면 급준파 파두장이 1㎲인 급준파를 일반 접지망에 주입하는 경우 넓은 접지망이 전부 써지의 저감에 작용하지 않고 주입점 일부분만 써지의 저감에 기여하게 된다는 점이다. 결국 급준파의 경우 접지면적이 넓다하여 임펄스 임피던스 갑이 면적에 반비례하여 저감되지 않는다는 점이다.

1-2. 대지전위

앞에서도 언급했듯이 접지의 이상적인 경우라고 하면 접지극이 대지와의 사이에 접촉저항없이 전기적으로 완벽하게 결합되는 것과 대지의 고유저항율이 낮아 전류의 흐름에 아무런 방해도 받지 않고 흘러 대지에 흡수되는 것이다. 그러나 실제로는 접지극에도 임피던스(저항 및 인덕턴스성분)가 존재하고 대지고유저항율도 수백에서 수천에 이르고 있으므로 대지로 흘러 들어가는 전류는 당연히 방해를 받게 되고 접지극의 유입점에는 전류와 임피던스가 곱해진 만큼의 전압이 생기게 된다. 이 전압이 "대지전위"라고 하는데, 결국 유입점에는 도 3에서 나타낸 바와 같이 방사상으로 멀어질 수록 작용하는 저항성분이 적어지므로 대지전위는 유입점보다 작아지게 된다. 그러므로 유입점을 기준으로 볼때 거리가 멀어지면 전위는 영이 될 것이다. 이때의 전위를 "영전위"라고 부른다. 결국 유입점을 정점으로 하는 떨어지는 낙하산 형태의 모양을 갖게 된다. 또한 이 영전위는 접지저항을 측정할 때 기준 전위를 사용하게 된다.

1-3. 접촉전압

도 4는 접촉전압을 이해하기 위한 도해도로서, 대지의 각점에서 무한대를 기준으로 하여 계산한 전위는 서로 다르므로 가장 볼록한 정점의 전위와 다소 거리가 떨어진 지점의 전위의 차에 해당하는 전압이 인체에 미치게 될 것이고 이 전압이 바로 접촉전압이다. 결국 그림의 볼록한 경사가 적으면 접촉전압도 적게 될 것이다. 또한 대지표면을 고무 등의 절연체로 포설하는 경우 접촉전압의 크기는 감소하지 않지만 인체에 작용하는 전류의 크기는 줄일 수 있다는 결론에 도달할 수 있다.

1-4. 보폭전압

볼록한 부분중 일상적인 사람의 발과 발사이의 거리 만큼에 걸리는 전위차, 즉 전압이 보폭전압에 해당된다. 이 경우도 바닥을 절연체로 포설하는 경우 인체에 미치는 영향은 상당히 감소시킬 수 있게 된다. 그렇지만 절연체 등을 바닥에 포설하면 접촉전압과 보폭전압에 의한 인체의 영향을 감소시켜 안전사고 예방에는 도움이 되겠지만 대지전압상승에 의한 기기의 절연파괴 및 계전기에 미치는 영향 등은 감소시킬 수가 없으므로 효율적인 접지설계를 하여 접지저항을 낮추는 것이 안전 측면과 기기보호측면을 함께 도모할 수 있다.

도 5는 보폭전압을 나타내기 위한 도면으로 이 도면 역시 전위상승을 기본으로 되어 있다. 부연하면 저항으로 표현되는 톱니 하나는 같은 저항의 크기를 표현한다. 그러므로 대지전위가 낮은 부분에서는 같은 보폭에 걸리는 전압은 상대적으로 작다는 것을 알 수 있다. 대지 표면에 절연체를 포설하면 그림에서R_F(한쪽 발과 대지와의 접촉저항)가 커지게 되고, 병렬회로에서도 이 저항이 커지게 되므로 흐르는 전류도 작게 되어 인체로 통과하는 전류가 작게 된다.

1-5. 접지저항의 측정

접지저항의 측정원리는 오옴의 법칙이 적용된다. 우선 접지저항의 정의는 접지극에 I라는 전류가 흘렀을 때 유입점에서의 전위가 V라면 접지저항은 전압/전류비(V/I)이다. 결국 유입되는 전류와 상승되는 전위를 영전위를 기준으로 하여 측정하면 접지저항은 쉽게 구할 수 있다. 가장 기본적이고 실용화된 방법으로는 전위 강하법이 있다. 일반적으로 전류는 전류원을 사용하는 것이 아니고 전압원으로 전압을 가변시키면서 전류를 접지극에 흘리고 이 전류를 CT등을 이용하여 측정하고 이를 유입전류라 한다. 전위상승은 원리상으로는 무한대지점을 기준으로 해야하나 이것이 불가능하므로 실제로 영전위가 되는 100∼200m 정도에 임의의 접지극을 매설하고 이점을 영전위로 하여 접지극의 전위를 측정한다.

1-6. 접지저항의 저감법

접지저항을 어떻게 저감할 것인가를 고려하려면 우선 접지계가 어떤 요소로 구성되어 있고, 그 구성 요소는 또한 어떤 인자에 의해 영향을 받는가를 알면 그 인자를 인위적으로 변화시켜 접지저항을 저감시킬 수 있다는 결론을 도달하게 된다. 이에 대하여 아래의 표에 접지저항의 구성요소를 나열하고 그에 따른 영향인자와 감소방법을 소개한다.

(접지저항의 구성요소)

	구성요소	영향인자	감소방법
①	접지봉의 저항	접지극의 매질, 접지극의 형상, 접지극의 면적	교류(저주파, 고주파), 써지, EMC에 효과가 있는 접지극 형상설계
②	접지극 표면과 토양사이의 접촉저항	접촉면적, 밀착도, 매질 변화의 최소화	양호한 다짐도, 접촉성이 좋은 토양으로 대체, 접촉면적 최적화
③	대지저항	대지고유저항율, 대지의 유전율	토양종류, 함수율, 다짐도

물론 표에 나타낸 항목들이 전부 효과를 발휘할 수는 있겠지만 현실성을 고려하여 전기구조물이 위치할 환경을 고려하여 경제적인 측면과 접지의 효율성을 함께 고려한 최적점의 설계를 하는 것이 바람직할 것이다.

1-7. 접지설계시 고려사항

위의 표 내용은 고창 765㎸ 실증시험장의 부지에서 자체 설계 제작한 저주파 전원장치와 고주파 전원장치를 이용하여 주파수에 대한 시험과 충격전압발생장치에 의한 임펄스 시험을 통해 실증한 결과이다.

변전소, 발전소 및 송전선의 접지설계는 그 지역의 환경 및 계통조건이 서로 다르므로 일률적인 진단이나 접지설계를 위한 현상이 동일하게 적용될 수는 없다. 그러므로 우선적으로 계통조건에 의한 고장전류의 크기, 뇌우일수와 뇌격의 크기를 산정한 낙뢰의 조건을 만족하는 접지설계의 필요성이 요구된다.

2. 임펄스 임피던스 해석

임펄스 임피던스는 낙뢰와 같은 써지성격이 급준파가 전력설비와 같은 전기시설물에 침입되었을 때의 접지특성을 나타내는 용어이다. 이와 같은 급준파의 특징은 해석적으로는 분포정수회로로 다루어야한다는 점이고, 파형의 특징은 파형이 상당히 가파른 기울기를 갖고 있다는 점과 연속적이지 않다는 점이다. 해석적인 측면에서 분포정수회로로 다룬다는 의미는 침입써지의 성격이 전파와 같아서 집중선로에서의 해석인 저항에 의한 감소나 인덕턴스와 캐패시턴스에 의한 지연 혹은 앞섬과 같이 해석되지 않고 매질의 변화에 따라 투과파 혹은 반사파의 개념으로 해석되어야 한다는 것이다. 또한 전류의 파형이 급준하다는 것은 시간에 대한 변화율이 크다는 의미가 되므로 예를 들어 작은 인덕턴스 성분을 만나더라도 여기서 유기되는 전압은 가 되므로 가 상당히 큰 값이 되므로 유기전압도 상당히 큰 값이 된다. 결국 이 큰 유기전압에 의해 철탑의 역섬락, 변전기기의 절연파괴, 대지전위상승에 의한 접촉전압, 보폭전압, 통신 및 scada 설비의 파손의 원인이 된다. 또 다른 특징 중 한가지는 연속적이지 않기 때문에 파형은 적분알고리즘으로 적분하고 임펄스 시험결과를 바탕으로 설명하면 높은 전압에 의해 애자련을 파손시키는 현상도 에너지 측면에서 보면 수백와트정도에 불과하다는 것이다. 결국 급준파의 위험성은 에너지가 커서 위험하다기 보다는 높은 유기전압에 의한 절연파괴라는 점이다. 또 다른 특징은 이러한 급준파가 접지망에 침입할 경우를 컴퓨터 시뮬레이션 하면 대지전위상승은 거리에 따라 대지고유저항이 낮을 수록 지수적으로 급격히 감소하는 특성을 보인다. 그러나 대지고유저항이 큰 경우 감쇠가 거리에 따라 거의 일어나지 않는 특성을 나타내므로 접지극 전반에 걸쳐 큰 대지전위상승의 영향을 받게 된다. 이러한 현상의 의미는 접지면적은 넓게 한다해도 임펄스 임피던스를 낮출 수 없다는 점이다. 결국, 임펄스 임피던스를 낮추기 위해서는 대지고유저항율이 큰 경우 접지면적을 넓히는 방법이 아닌 다른 방법을 강구해야 한다.

접지기술은 전부터 좁은 면적을 이용하여 경제적이고 낮은 접지저항을 얻는 방향으로 추진되어왔다. 예를 들어 접지봉을 상당히 깊게 때에 따라서는 암반의 아래까지 혹은 지하수층이 닿을 정도까지 타설하여 낮은 접지저항을 얻는 방법등이 사용되고 있으나, 이 경우 대지고유저항율이 높은 우리나라의 지형에서는 효과가 적다. 접지저항에 대해서는 뇌전류에 대한 시험의 필요성은 잘 알려져 있으나 위에서 언급한 접지법의 개량·발전은 주로 교류(60 ㎐)에 의한 측정으로부터 얻은 것이다. 뇌격전류가 접지극에 침입하면 우선 영향을 미치는 범위가 적어 전달특성은 위에서의 측정치와는 상이하므로 주의해야 한다. 또한 과도특성에도 전극의 주변에 지중코로나가 발생하면 양상이 크게 다르다. 지중방전이 일어나면 순간적으로 에너지가 지중으로 방사되므로 전위상승을 억제하는 효과가 탁월하다.

2-1. 접지저항의 변화

2-1-1. 정상접지저항

접지저항 계산의 기본은 비저항(ρ)이 일정한 대지에 바구형의 금속전극(반경 γ₀)을 도 6과 같이 위치시키고 외부전극(토양을 담는 그릇에 상당, 반경 γ_a)과의 사이의 저항은 알려진 바와 같이 식(2.1)으로 주어진다.

R_g= -----------------------------------------(2.1)

대지가 일정하게 무한대로 확대되는 경우에는 r →∞ _a이므로 윗식의 우변의 2번째 항은 간단한 식이 된다. 이 때 접지저항은 전극반경에 비례한다. 그리고 복잡한 형상의 전극인 경우와 혹은 지중코로나가 발생하여 실효적으로 전극형상이 변화하는 경우에는 전극의 크기를 등가반경에 의해 표현하는 것이 자주 이용되고 있다.

또한 단일의 접지봉의 접지저항은 Dwight에 의해 유도된 다음 식이 자주 이용된다.

R_g= -----------------------------------------(2.2)

또한 Liew에 의하면 도 7과 같이 반구형 모델을 확장한 도형을 고안하여 식(3)을 얻고 있다.

R_g= -----------------------------------------(2.3)

도 7은 지중코로나에 의해 지중방전이 일언나면 접지극과 대지사이에서 절연파괴가 일어나는 현상으로 마치 방전코로나가 접지극의 단면적이 늘어나는 것과 같다고 모의한 방법이다. 실제로 방전에 의한 코로나는 도체와 같은 현상을 나타내므로 접지극의 단면적이 늘어난 것과 같은 효과를 거둘 수 있다. 뒤에서 시험한 결과로 다시 설명될 기회가 있겠지만 실제로 뇌써지와 같은 써지성격의 임펄스가 접지극에 침입하면 위와 같은 방전현상이 일어나고 이렇게 방전현상이 일어나면 순간적으로 전류량은 증가하고 대지전위상승인 전압은 감소하는 현상은 오실로스코프를 통해 보면 육안으로도 확인이 가능하다.

앞의 저항에 대해서 설명하였듯이 접지의 관점에서 본 써지의 특징은 에너지는 적지만 급준파의 성격이 강하다. 그러므로 유기전압에 의한 절연파괴나 역섬락이 우려된다.

이런 관점에서 보면 지중방전을 임펄스임피던스의 저감효과에 이용하려면 다음의 두 가지 조건을 만족하여야한다.

첫째 가능하면 낮은 전압에서 방전이 일어나야 한다.

둘째 역섬락이 일어나기 전에 방전에 의해 에너지를 지중으로 방전해야한다.

시험에 의하면 다음 두 가지의 시험결과가 도출된다.

첫째 대지의 고유저항율이 높을수록 방전개시전압이 낮아진다.

둘째 일반접지봉에 침의 형상을 달아놓으면 방전개시전압이 상당히 낮아진다.

위의 사항중 첫 번째는 상당히 중요한 의미를 갖는다. 왜냐하면 일반적으로 대지고유저항이 높으면 접지저항이 높아지므로 양호한 접지저항을 얻는데 어려움이 있다. 그런데 방전개시전압은 고유저항이 높으면 낮아지는 현상은 대지고유저항율이 높은 지역에서 낮은 임펄스 임피던스를 얻는데 좋은 현상으로 시험을 통해 입증하였다.

대지고유저항이 높은 토양에서는 접지극과 대지사이에 접촉저항도 상대적으로 크게 되므로 일정한 임펄스 전류가 접지극에 유입되면 전압분배 법칙에 의해 큰 저항에 큰 전압이 걸리게 된다.

그러므로 접촉저항에 큰 전압이 걸리게 되고 상대적으로 큰 전압에 의해 방전이 촉진되는 현상이다.

사실 우리나라의 토양은 대부분 암반으로 대지고유저항율이 수백에서 수천[Ω-m]에 이른다. 또한 양호한 접지저항을 얻는데 더욱더 열악한 환경은 지하로 깊이 들어갈수록 대지고유저항율이 높아지는 구조를 갖고 있어 심타전극법으로 봉을 깊이 타설한다해도 양호한 접지의 보장은 쉽지 않다. 이러한 상황을 고려한다면 방전에 의한 접지저항의 감소법은 우리나라의 전력환경에 적합한 방법이라고 사료된다.

2-1-2. 대지의 비저항의 변화

이 절에서는 지중방전에 의해 대지비저항이 변화하게 되고 지중코로나에 의한 임펄스 임피던스의 변화를 이론적으로 고찰하고자 한다.

위에서의 저항값은 교류에 대한 값이나 뇌전류에 대한 동적 모델(dynamic nodel)을 고려하면 다음의 설명과 같이 된다. 토양은 반도체로 자연의 대지를 구성하는 토양은 염분류나 수분의 함유도에 의해 그 비저항률은 통상 수㏀ - ㎝의 범위에 걸쳐 큰 폭으로 변화하나 여기서는 토양이 등질(homogeneous)로 등방적(isotropic)인 것으로 취급한다.

토양이 저항체로써 갖는 특징중의 하나는 전류밀도에 의해 그 비저항이 큰 폭으로 변화하는 것이다. 그림3은 그 측정 결과의 일례이다. 백색 모래를 시료로 사용한 결과이다. 이 데이터에 의해 알 수 있듯이 비저항은 어떤 전류밀도를 경계로 급격하게 변화한다. 대전류의유입에 대해 특히 접지전극 주변에 전류밀도가 크게 변화하므로 비저항체의 변화도 크게 된다.

전류밀도(J)가 임계갑(J_C)을 넘으면 ρ·J = E(대지중의 전계)가 대지의 절연내력(E_C)을 넘어 대지중에 코로나가 발생하고 그 범위에서는 대지의 비저항 (ρ)의 저감이 일어나기 시작하여 거의 도체의 성질로 근접해간다. 즉, 전류(I)에 의한 전극표면의 전계(g₀)는 J₀·ρ(J₀는 전극표면의 전류밀도)이므로 g₀＞ g_c(g_c는 대지의 파괴전계강도)로 되는 뇌격전류가 흐르면 전극부근의 지중코로나가 일어나기 시작하고

토양의 비저항ρ₁(r,t) = ρ₀·exp(-t₁/τ) ------------------(2.4)

단, τ: 전류의 증가에 대한 이온화 시정수

t₁: 이온화가 일어나기 시작한 점으로부터의 경과시간

r : 전극중심으로부터의 거리

또한 전류가 감소할 때는 r ＞ r_c이고, J ＜ J_C의 경우

ρ = ρ₁+ (ρ₀- ρ₁)·(1 - exp(-t₂/ τ₂))·(1 - J/J₀)²----------(2.5)

단, τ₂: 이온화 소멸에 관한 시정수이고,

t₂: 코로나 감쇠가 지작점으로부터의 경과시간이다.

도 8을 방전의 현상과 관련하여 이해해 보자. 우선 써지전류가 증가하면 전위상승이 일어나고 이 전위는 접지극의 저항, 접지극과 토양과의 접촉저항, 대지의 저항이 나누어 분담하게 된다. 이러한 급준파전류는 무한대까지 확산되지 못하므로 접촉저항이 상대적으로 큰 전위를 분담하게 되고 점점 커지는 전위가 토양의 절연파괴전압 이상이 되면 이온화현상이 일어나기 시작한다. 이점이 위의 그림에서 a와 c가 이루는 꼭지점에 해당한다. 즉 방전에 의해 전류가 증가하고 전압이 낮아지면서 저항율이 떨어지는 현상이다.

파라메터	Liew	Bellaschi	Hayashi
ρ0[㏀ - ㎝]	5.05 5.0	15.7 31.0	9.9 90 980
gc[㎸-㎝-1]	3.0 1.1	2.0 0.7	9.3 12 13.5
τ1[μS]	2.0 2.0	2.0 2.0
τ2[μS]	4.5 4.5	0.5 2.0

그러나 r ＜ r_c인 즉, J ＞ J_C의 경우에는 이온화가 계속되고 J = J_C가 될 때까지는 ρ = ρ₀·exp(-t/τ)에 따른다. 이러한 변화의 양상을 모델화한 것이 그림2.3이다. 또한 표2.1은 τ₁, τ₂및 E_C의 실측치의 일례이다. 이처럼 접지전극 주변의 토양이 이온화하여 도전성이 증가하면 전극의 반경 r₀가 실제상으로 증가한 것과 등가가 되고 이때의 접지저항 R₁은 식(2.1)을 참조하여 식(2.6)이 된다.

R₁= ------------------------------------------------------(2.6)

단 r_e: 코로나 등가반경

r_a→ ∞

2-2. 실증시험에 의한 검증

이 절에서는 위에서 설명한 이론적 배경을 실등시험을 통해 증명하고자 한다. 시험은 765㎸ 고창실증시험장의 옥외충격전압장치를 이용하고 지중방전현상이 쉽게 일어나도록 고안된 침상전극봉(Electric Rod with Needles; 이하 침상봉이라 한다.)을 대상으로 하여 실험한 결과를 검토한다. 그러나 이 절에서는 여러가지의 접지극을 대상으로 하여 실험한 결과를 검토한다. 그러나 이 절에서는 여러가지의 접지극을 대상으로한 시험에 대해서는 다루지 않고 단지 침상봉 1개의 결과만을 다루고 다음 장에서 여러가지의 접지극에 대한 시험결과를 다루도록 한다.

2-2-1. 시험회로와 방법

도 9는 옥외충격전압발생장치(Impulse Generator: 이하 IG라 한다.)를 포함한 시험회로도이다. 각 부분에 대한 사양 및 설명은 다음 장에서 설명하기로 한다.

시험 대상인 침상봉의 재원을 보면 본체 : 14^ψ× 1500mm( 재질 : 스테인레스 SUS304 )이고, 리드단자 Ⅳ 연선 22^?× 2500mm(압축단자부분)으로서 이를 도 10에 도시한다. 이때 침상봉의 매설은 횡으로 50㎝ 깊이로 매설한다.

2-2-2. 시험결과와 해석

이 절에서는 2-2-1절에서 다룬 이론적 근거를 실증시험에 의해 검증하고자 시도하였다.

도 11은 방전현상이 쉽게 일어나도록 고안된 침상전극봉을 석분에 매설한 다음 충격전압발생장치를 이용하여 파두장이 7.6㎲인 인가전압을 가했을 때의 대지전위상승곡선과 유입전류파형을 오실로스코프의 auto-trigger기능을 이용하여 포착하고 이를 파일로 저장한 후 상용프로그램인 MATLAB를 이용하여 그림으로 표현한 그림이고 이후의 그림은 이 데이터 파일을 연구진이 설계·작성한 프로세싱 프로그램(processing program)에 의해 데이터를 가공하여 여러가지 정보를 얻은 결과이다.

도 12에서와 같이 위쪽이 유입전류에 해당하는 파형이고, 아래가 대지전위상승에 해당하는 파형이다. 전류가 증가하여 전위가 상승하면 접지극과 토양사이의 접촉저항에 높은 전압이 걸리고 결국 방전되기 시작한다. 도시된 바와 같이 전류에 해당하는 상부곡선이 갑자기 증가한 것을 눈으로 확인할 수 있다. 이때가 방전이 일어나는 점이 된다. 같은 시각 유입된 에너지가 대지로 방사함에 따라 대지전위는 갑작스럽게 감소하게 되는 현상이 한눈에 볼 수 있다. 이러한 현상은 앞에서도 언급했지만 급준파의 특징은 기울기가 커서 파괴력은 크지만 전체 에너지는 그다지 크지 않다는 특징을 그대로 반영하고 있다. 즉, 지중방전이 일어나면서 에너지가 대지로 방류되므로 대지전위는 급격히 저하하는 특성을 보인다.

그렇지만 이 도면만으로 임펄스 임피던스의 감소현상을 설명할 수는 없다. 왜냐하면 방전이 일어나는 시점이 이미 최대전위상승이 일어난 후에 방전이 일어났으므로 지중방전에 의한 임펄스 임피던스의 감소효과는 위의 그림에서는 기대할 수 없다. 그러나 뒤에서 설명되는 도 18, 도 19, 도 20에서 도시된 바와 같이 인가전압이 증가할 수록 방전개시점에 앞쪽으로 당겨지고 결국 인가전압이 높아도 최대전위상승은 오히려 작아지는 현상을 보인다.

도 12는 도 11의 전압을 전류로 나눈 임펄스 임피던스 궤적을 표현하고 있다. 도시된 바와 같이 방전개시점에서 임펄스 임피던스가 급격히 감소하는 현상을 확인할 수 있다. 이것은 전류는 증가하고 전압은 감소하는 방전현상의 특성을 잘 보여주고 있다. 결국 이러한 방전개시점을 파두의 상승점으로 이동하면 최대임펄스임피던스의 감소가 이루어지게 되는 것이다.

도 13은 도 11을 좀더 쉽게 이해할 수 있도록 프로세싱(processing)한 것으로 방전현상을 설명한 도 9와 비교하면 쉽게 이해될 수 있다. 도시된 바와 같이 처음에는 일정한 임펄스 임피던스를 나타내고 있지만 방전이 개시되면서 급격히 저감하는 현상(위쪽에서 급격히 감소하는 부분)과 방전이 끝나면 서서히 도로 증가한다. 그후 일정한 영역에서 머무르는 현상을 확인할 수 있다. 이 부분이 도 8의 비저항의 동특성과 유사한 곡선으로 마치 변압기 권선의 히스테리스시 곡선과 같은 특성을 나타낸다.

도 14는 유입전류파형을 FFT전개하여 얻은 주파수 스펙트럼으로 저주파수성분이 강하고 고주파성분은 약 1[㎒]까지 분포되어 있다. 도면에서 알 수 있는 것은 급준파는 상당히 빠른 파두장 즉, 급경사의 기울기를 갖고 있어 진행파로 처리되지만 성질은 저주파의 성질을 갖고 있음을 알 수 있다. 주파수별로 접지임피던스를 측정해 보면 고주파 정현파를 인가했을 때보다 저주파를 인가했을 때가 상당히 큰 접지 임피던스가 측정된다. 특히 10[㎐]이하의 정현파를 가할 때 접지임피던스는 정상상태의 수백배에 이른다는 것이 실증시험을 통해 입증되었다.

도 15는 도 14와 관련하여 설명하면 주파수 영역의 관점에서 보면 도 14의 전류스펙트럼은 접지시스템을 전달함수로 보았을 때 입력주파수에 해당하고 도 15의 전압파형은 출력에 해당한다. 이 두 도면에서 알 수 있는 두 가지 특이한 현상중 하나는 입력에 없는 주파수 대역이 출력이 도 15에 존재한다는 것이다. 이것은 정현파주파수를 인가할 때와는 달리 주파수 영역에서 비선형특성을 나타낸다는 점이다. 또 한가지는 각각의 주파수에서의 이득 또한 주파수의 함수로 표현될 수 없다는 현상이다. 이 두 가지 현상으로부터 방전현상에 의한 임펄스 임피던스의 주파수 응답특성은 정량적으로 해석되기는 어렵고 측정에 의한 분석이 현상을 이해하는데 보다 유익한 방법이다.

도 16은 도 11에서와 같은 전압,전류파형을 x축에 전류를 y축에 전압으로 나타낸 것으로 임펄스 임피던스의 거동 중에서 어느 부분에서 방전이 일어났는가와 얼마나 크게 일어났는가를 확연하게 나타내 준다. 도면에서 보면 좌표(0,0)에서 거의 일직선으로 상승하는 부분은 기울기가 일정하다는 의미이므로 즉 임펄스임피던스의 변화가 없는 영역임을 알 수 있다. 그 다음의 영역은 전류는 증가하고 전압은 감소하는 현상으로 이 영역이 방전이 일어나는 영역이다. 즉 직선의 기울기가 부분적으로 음이 되는 선분이 존재하면 그 부분에서 방전이 있었음을 나타내는 증거가 된다. 실제로 인가전압이 커져서 입력전류의 상승 중에 방전이 일어나면 전압, 전류의 파형만으로 방전 유무를 판단하기 어렵다. 이때 이러한 그림을 그려보면 방전유무를 확인할 수 있다.

도 17은 인가전압이 증가할 수록 방전개시점이 시간적으로 앞당겨짐을 알 수 있다. 35[㎸], 39[㎸], 46[㎸]는 대지전위상승의 최대 값을 표현하고 있고, PT에 해당하는 Divider의 배율이 350:1이므로 횡축의 값에 350을 곱하면 위의 수치와 일치한다. 이 그림에서도 알 수 있듯이 이미 대지전위상승의 최대 값이 지난 후에 지중방전이 일어났으므로 방전이 임펄스임피던스의 저감에는 기여하지 못한다. 그렇다면 다음과 같은 문제점을 생각해보자.

어떤 경우에 지중방전이 임펄스 임피던스의 저감에 기여하게 되는가?

만일 인가전압을 더욱 증가시키면 어떻게 될 것인가?

이 두 가지에 대한 해답은 도 18에 잘 나타나 있다.

도 18은 인가전압이 75[㎸]인 파형보다 인가전압이 147[㎸]인 대지전위인 전압파형의 방전시전압이 시간상으로 '0'초 부근으로 이동되어 있다. 이 상태에서 인가전압을 더욱더 증가시켜 188[㎸]가 되면 대지전위상승이 인가전압을 147[㎸]로 했을 때보다 오히려 감소하는 현상을 나타내고 있다.

이 실험에서 다음과 같은 결론이 도출된다. 즉, 방전은 대지전위상승이 높을수록 인가순간인 '0'초 부근으로 앞당겨져 빨리 일어난다. 또한 이러한 현상은 송전철탑의 역섬락이 일어나기 이전에 발생하여 역섬락을 억제한다.

인가전압이 증가하여 유입전류의증가 중에 방전이 일어나면 도 18의 안가전압188[㎸]곡선과 같은, 지중방전에 의한 임펄스임피던스의 저감효과는 만족할 만하다. 즉, 인가전압이 클수록 방전현상에 의한 임펄스임피던스의 저감효과는 두드러진다. 4장에서 설명되고 증명되겠지만 이러한 방전전압은 대지고유저항율이 높을 수록 낮은 대지전위상승점에서 일어난다. 즉, 방전에 의한 임펄스임피던스의 저감은 큰 낙뇌 일 수록 대지의 접지저항이 높을 수록 효과적으로 작용한다.

도 19는 방전전과 방전후의 임펄스 임피던스값을 비교한 것이다. 전위상승이 20[㎸]되는 전압이 방전개시전압이다. 방전이 일어나면서 방전전보다 40%이하로 감소되고 전위상승이 높아질수록 임펄스 임피던스의 저감은 더욱더 두드러진다.

처음에 일정한 값을 유지하다가 전면 방전이 아닌 부분방전이 일어나는 부분이 약간 경사진 부분이다. 전면방전이 일어나면서 급격한 경사를 이루면서 감소하는 현상을 보이고 있다.

2-3. 지중코로나의 관측

앞에서 언급한 바와 같이 접지저항의 저감효과는 주로 지중코로나의 발생이 원인으로써 관찰하면 잘 설명이 되나 2차적으로는 전극과 대지와의 접촉저항이나 토양 비저항의 변화 등도 고려되어 결정적으로는 다소 미흡한 감이 없지 않다 또한 지중코로나는 충격전류와 공연히 단시간에 생성 소멸되고 그 형상도 시시각각으로 변화하여 불투명한 공간 중에서 직접적으로 관찰하는 것은 가스중의 코로나와 달리 상당히 곤란하다.

여기서 소개하는 것은 지중의 전극직하에 X선 필름을 수직으로 매설하여 지중에서 발생한 코로나를 필름상의 영상으로써 출력한 것으로 영상의 크기, 형상으로부터 접지저항을 계산하면 실험치와 비교적 잘 일치한다는 점에서 이 방법이 개발된 것이다.

도 20은 지중방전현상을 촬영하기 위해 지중에 매설된 침상봉과 필름의 위치를 입체적으로 보여주고 있다. 제일 왼쪽의 필름위치는 수평으로 뻗어있는 침의 지중형상을 관찰하기 위한 필름의 위치를 나타내었고 이에 해당하는 방전촬영 현상이 도 21a에 해당하고, 가운데 필름 위치는 수직으로 뻗은 침의 끝에서 일어나는 현상을 나타내고 있고 여기에 해당하는 지중방전현상이 도 21b이다. 그리고 제일 오른쪽에 세워진 필름은 방사상으로 뻗은 침에서의 방전현상을 촬영하기 위한 위치이고 이에 해당하는 현상이 22c이다.

도 21a는 침상봉을 지하 50[㎝]의 깊이에 수평으로 매설한 후 IG(충격전압발생장치)를 이용하여 첨두치 1㎲, 석분, 인가전압42[㎸], 대지전위상승 24[㎸]의 조건으로 1997년 월 7일 촬영한 지중방전사진이다. 여기서 오른쪽이 전류가 유입되는 방향이다. 사진에서 알 수 있듯이 인입점에서의 방전효과가 가장 크고 두 번째는 다소 적고 세 번째는 두 번째보다 다소 크다가 점점 세력이 약해지는 특성이 이 시험뿐만이 아니고 다른 유사한 경우에서도 같은 경향성을 보인다.

도 21b는 침상본의 침을 필름과 1[㎝]의 간격을 두고 촬영한 그림으로 왼쪽이 전류유입방향이 된다. 이 또한 첫 번째의 방전이 크게 일어나고 두 번째는 다소 작다가 세 번째부터 다시 줄어드는 경향을 나타낸다.

도 21c는 침이 방사상으로된 경우를 촬영한 사진으로서 방사상으로 방전현상이 관측됨을 알 수 있다.

도 21a,21b,21c의 현상을 종합해보면 몇 가지 특징을 살펴볼 수 있다. 우선 유입측의 방전현상이 가장 크고 침상봉의 끝으로 갈수록 방전현상이 적어진다. 또한 3가지 촬영사진을 입체적인 측면으로 상상해보면 방전현상은 나무를 거꾸로 메달은 형상으로 유추된다.

다음의 표는 접지전극의 등가반경과 접지저항을 측정한 것이다.

ρ : 2㏀의 경우, 토양의 전계파괴강도 4.9㎸/㎝

Em[㎸]	Im[A]	Rmin[Ω]	Re[㎝]	rs[㎝]
32.6	630	46.1	6.4	6.0
39.0	1.090	24.0	8.4	8.0

(주) E_m, I_m: 전압, 전류의 파고치(정극성)

R_min: 최저의 저항치

r_e: R_min으로 계산한 등가반경

r_s: 필름상의 스트리머 형상의 등가반경

위의 표는 일본 관서전력에서 실험한 결과이다.

2-4. 지중코로나의 촉진

지중코로나는 위에서 설명한 바와 같이 접지극의 형상이 반드시 침의 형상을 가져야 한다는 것은 아니다. 그러나 침의 형상을 가지면 침의 형상을 갖지 않은 일반봉의 경우보다 방전개시전압이 낮으므로 절연보호, 임펄스임피던스의 감소측면에서 상당히 유리하다.

흔히 접지시스템에서 접지저항을 구성하는 요소는 접지극의 저항, 접지극과 토양이 맞닿는 접촉부분의 접촉저항, 그리고 대지의 저항으로 구성된다. 이중에서 특히 관심을 가져야 되는 부분은 접촉저항과 대지의 저항이다. 대지의 저항이나 접촉저항은 임의로 변경하기 어려운 부분이다. 강제로 매질을 변경시키는 것은 경제적으로 불가능에 가깝다. 대지의 고유저항율이 수천에 이르고 보호해야할 기기의 주요성이 아주 높은 경우에는 주변 토양을 고유저항율이 낮은 토양으로 교환하는 것도 효과가 있다.

결국, 매질이 바뀌지 않는 경우에는 접촉저항이 크게 작용하게 되고, 이 부분에 큰 전압이 걸리게 된다. 이러한 현상은 접지저항 측면에서는 상당히 분리한 현상이다. 그러나 이러한 현상은 지중방전특성에서 살펴보면 지중방전을 촉진시키는 역할을 하게 된다. 왜냐하면 접촉저항이 크면 침과 같은 부분에 전압이 크게 걸리게 되고, 특히 침과 같은 부분에 전위경도를 높이는 효과를 나타내게 되고 이것은 지중방전을 잔은 인가전압에서도 일으키는 효과를 발휘하게 된다. 이러한 현상은 지중방전이 매질의 고유저항율이 높을수록, 급준파의 준도가 클수록 임펄스임피던스의 저감효과가 큰 시험결과와 일치하는 현상이다.

접지전극에 침 모양의 돌기를 붙여 지중코로나의 발생을 촉진하여 접지저항의 저감을 측정하는 방법은 지중코로나의 존재가 예상된 시대로부터 제안되어 왔다. 예상되는 돌기의 효과중 하나는 코로나의 발생시간을 빠르게 하여 저감효과를 좋게 하고 애자의 역섬락의 지연시간내에 저감효과가 나타나는 것과 코로나의 성장이 크다는 점에 있다.

2-5. 지중방전에 의한 임펄스 임피던스 저감 검토

전력계통의 접지기술은 계통의 내뢰설계의 기초가 되나 그 충격전압특성은 1960년경 까지의 연구결과가 중심이 되고 있어 여러 접지관련 문언에도 새로운 것이 적은 편이다. 접지저항의 예측은 대지의 비저항 및 유전율의 분포, 비저항의 계절적 변동이나 전류밀도에 대한 변화 등이 잘 이해되지 않는 현상 때문에 요즈음에도 곤란한 경우가 많다. 더욱이 내뇌특성에 관해서도 지중코로나가 발생하고 이것이 시간경과와 따라 함께 변화하고 복잡한 양상에 이르기 때문에 뇌격전류에 대한 접지저항의 저감효과는 쉽게 예측하기 어렵고 이것은 접지설계의 안전율로써 취급되고 있는 것이 현상이다. 이후에는 지중코로나의 특성을 고려한 철탑전위상승율을 애자섬락특성과 연결 고찰하여 내뢰설계에 활용할 필요가 있다.

내뢰설계 뿐만 아니라 계통 내에서 발생 써지나 과전압, 불평형전류를 절연에 영향을 미치지 않을 정도로 크지 않게 접지설계하는 것은 전력사업에 매우 중요하다. 앞에서도 몇 번에 걸쳐 언급했지만 접지설계시 대지전압은 토양의 고유저항율, 유전율과 같은 자연적인 변수뿐만이 아니라 수분, 다짐도, 온도 등과 같은 환경의 영향도 있고, 계통조건, 낙뇌분포, 낙뇌파형, 선로나 변전소의 용량등 다양한 변수가 작용하므로 정확한 정답을 제시할 수는 없지만 전력연구원 전력계통연구실 76㎸ 송변전그룹에서 고창실증시험장의 IG를 이용하여 행한 실증시험의 결과를 근거로 다음과 같은 의견을 제시한다.

임펄스 임피던스는 대지고유저항이 양호한 토양에서도 상용주파 접지저항의 수십에서 수백배 크다. 그러므로 보통 접지저항이 기준치에 만족한다해도 써지측면에서 만족하다고 할 수 없다.

지중방전현상을 접지에 사용하면 임펄스 임피던스가 감소한다.

또한 지중방전현상은 낮은 전압에서 일어날수록 대지전위상승 억제의 효과가 크다.

시험결과에 의하면 토양과 유입임펄스의 파형에 영향을 받지만 방전개시전압은 대지전위상승전압을 기준으로 보면 침상봉의 경우 20[㎸]∼30[㎸]에서 시작되고, 일반봉의 경우는 40[㎸]∼50[㎸]사이에서 일어난다. 일반적인 경향은 유입임펄스 파형의 급준도가 높을 수록 즉, 파형의 증가기울기가 클수록, 매질의 고유저항율이 클수록 낮은 대지전위상승에서 방전이 개시된다.

고장전류, 낙뇌의 침입에 의한 대지전위상승이 적어도 20[㎸]∼30[㎸]이상인 전력설비의 경우 방전효과에 의한 임펄스임피던스의 저감대책이 요구된다. 정현파에 대한 설명은 정현파 실험보고서에서 설명한다.

대지전위상승이 20[㎸]∼30[㎸]정도까지 이르지 않더라도 급준한 써지의 영향을 받기 쉽고 암반 및 모래지역의 토양에서 작용하는 통신설비는 초기 부분방전에 의한 써지의 흡수효과도 기대할 수 있다.

송전선의 탑각에 설치하여 역섬락을 방지하는 효과가 있다. 이것은 대지고유저항율이 높은 송전선에 해당하는 부분으로 지중방전효과에 의해 에너지를 대지로 방사함으로서 역섬락을 방지하는 효과를 이용하는 것이다. 지중방전에 의한 에너지 방사효과는 우리의 시험에 의해서도 입증되었으나 시간적으로 역섬락보다 대지의 방사현상이 먼저 일어나는 현상은 실증하지 못했으나 일본의 시험결과를 이용했다.

2-6. 진행파이론에 의한 임펄스 임피던스 해석

일반적으로 접지시스템을 해석하기 위한 접근방법은 다음의 3가지로 대별된다. 첫째 회로망적인 접근으로 접지도체를 집중 R-L-C로 모의하는 방법이고, 두 번째는 전송선로와 같은 분포정수회로로 다루는 방법이고, 세 번째는 전자계적인 해법으로 해석을 시도하는 것이다.

이중에서 두번째 방법은 상호 연결된 선형 접지도체망의 구조를 Bergeron에 의해 개척된 진행파 기법이다. 이 방법에 의해 전력계통의 과도상태를 분석하는 프로그램인 EMTP이다.

본 논문에서는 접지전극의 형태중 가장 일반적인 도체봉을 대상으로 하고 급준파의 침입시 도체봉의 임펄스 임피던스의 거동을 파악하고자 한다.

2-6-1. 지중도체의 전송선로 모델

도 22는 선형 접지전극으로부터, 복잡한 값을 갖는 주파수의 존 파라메터인 Z_C(ω)와 R(ω)를 사용하여 어떻게 등가의 전송선로로 변환되는가를 보여준다. (단 Z_C(ω) : 특성 임피던스,

r(ω) : 전파함수(propagation function)

Z_C= -------------------------------------------(2.7)

γ(ω) = -----------------------------------(2.8)

여기서 각주파수(ω)는 2πf이고 f는 주파수[㎐]이다. 이 형태는 모든 두 도체 전송선로와도 부합한다. Sunde는 대지를 통해 되돌아오는 전류를 가정하여, 토양과 접촉한 단도체의 등가식을 유도하였다. 평행도체의 단위길이당 임피던스 Z'와 단위길이당 어드미턴스 Y'는 다음과 같은 방법에서 대지귀로항과 내부항을 구성한다.

Z' ≈ Z_i' + --------------------(2.9)

Y' ≈ Y'_i ^-1+ -----------------(2.10)

여기서,Z', 반경 a, 매설깊이 z인 도체의 내부임피던스를 나타내며, 표피효과에 크게 좌우된다. Y'주변매질과 접촉한 도체의 절연 어드미턴스(insulation admittance)를 나타내며, 토양의 도전율 σ_E, 유전율 ε_PE, 투자율 μ₀,에 따라 좌우된다. 이 세 가지 모두는 전파함수(propagation function),

r(ω) = --------------------------------(2.11)

을 구성한다. 이 함수는, 이와 같은 파라메타를 갖는 균일 토양 내의 도체를 따라서 전송되는 impulse를 좌우한다. Pluney, Kouteynikoff는 수직 접지봉의 해석식을 유도하였다.

Z' ---------------------------(2.12)

Y'^-1 ≈ Y'^-1+ --------------(2.13)

식(2.7)은 (2.8),(2.9)식과 함께 복잡한 값을 갖는 풀기 어려운 전파함수의 방정식

γ = ------------------------------------------(2.14)

을 만들어내며, 이 식은 표준 IMSL루틴을 이용하여, 고려대상의 모든 주파수에 대하여 반복적으로 풀게 된다.

공학에서는 전파함수를 전달함수(H = ·exp(- γl), 또는 단위길이당 감쇄(h')와 위상속도(C_ph)로 표현하는 것이 일반적이다.

h'(ω) + {γ(ω)}-----------(2.15)

C_ph(ω) = ------------------------------------------(2.16)

오직 저주파수인 경우, 대지의 성질이 토양의 도전율에 의해서 배타적으로 결정된다. 수십㎑이상이 되면, 대부분의특성은 도체의 인덕턴스에 의해서 좌우된다.

2-6-2. 접지전극의 임펄스 특성

임펄스전류하에서 접지극의 성능은 낙뢰로부터 기기보호시 발생하는 문제점을 분석하기 위해 자세히 파악할 필요가 있다. 상용주파수에서 접지극의 거동은 비교적 잘 알려진 상태이나, 낙뢰를 분산시키기 위한 접지계의 해석은 좀더 복잡하게 된다.

대지와 수평으로 0.5m이상의 깊이 h로 매설된 전선의 길이 L에 임펄스전류가 주사된 경우, 전극의 거동은 균일하게 분포된 장거리 전송선로와 같은 형태로 모의 가능하다. 단지 장거리 전송선로와 다른 점은 금속인 접지극의 저항은 유도성 인덕턴스에 비해 무시할 수 있고, 용량성 리액턴스는 누설컨덕턴스에 비해 무시할 수 있다.

2-6-3. EMTP를 이용한 접지전극의 특성모의

도 23의 매설된 접지선의 L과 γ은 공식에 의해 다음과 같이 계산된다.

L = 0.2 [μΗ/m]

[Ω/m]

여기서

L : 단위길이당 전극의 인덕턴스 [Η/m]

γ : 단위길이당 접지저항[Ω/m]

g : l / γ : 단위길이당 접지 컨덕턴스 [Ω·m]

이렇게 가정하여, 단위길이당 전극의 인덕턴스와 단위길이당 접지저항으로 구성된 전극으로 EMTP 모델을 만들었고, 땅의 특성, 전류 파형과 크기가 변화할 때 전극이 임펄스에 대응하는 거동을 살펴보았다. 아래의 표 1은 계산시 사용된 매개변수 값이다.

T1[μs]	T2[μs]	I[kA]
1	7	5
7	28
25	28
ρ= 3.30, 150, 300,600,1000[Ω·m]d = 3[mm]h ＞ 80[㎝]l = 500[m]

도 24는 25/100㎲(크기 = 5kA)의 임펄스 전류 파형 i₀(t)가 나타나고, 전류주입점에서 멀어질수록 전위는 점점 작게 나타남을 알 수 있다.

도 25는 대지저항율에 따라 x=0인 지점에서의 전압의 최대값(V₀)과 접지선의 각 지점에 나타나는 전압의 최대치(V_X)의 비(k)를 나타내고 있다. 저항율이 낮은 대지에서는 인덕턴스가 전극을 따라 빠르게 전압강하를 일으키는 원인이 된다. 즉 전극의 앞부분(전류가 입사되는 부분)이 땅속으로 전류를 분산하는 작용을 담당하게 된다. 전극의 효과적인 길이는 높은 전도율을 가진 대지에서는 짧게 되며, 저항율의 증가에 의해 길어진다.

도 26은 임펄스전류파형의 첨두부의 경사에 따라 x = 0인 지점에서의 전압 최대값(V₀)과 접지선의 각 지점에 나타나는 전압의 최대치(V_x)의 비(k)를 나타내고 있다. 임펄스전류파형 첨두부의 경사가 심하면 접지선의 인덕턴스는 증가하며, 전극의 앞부분(전류가 입사되는 부분)이 땅속으로 전류를 분산하는 작용을 담당하게 된다. 전극의 효과적인 길이는 임펄스 전류파형 첨두부의 경사가 급할 수록 짧게 된다. 또 전류파형의 첨두부의 경사가 심하면 접지선의 인덕턴스는 증가한다.

전극을 대상으로 한 현상을 고찰하여보면 도 27에서도 확인되듯이 대지저항율로 표시되는 대지의 임펄스 임피던스는 각각의 전류파형에 대해서 변화하는 경향을 보인다. 높은 저항율을 가진 대지에서는 하나의 도체로 낮은 임피던스를 얻는 것은 불가능하다.

2-6-4. 검토

본 벌에서는 접지봉을 대상으로 써지에 대한 특성을 EMTP MODEL을 통하여 파악하고자 하였다. 단, 여기서 검토한 특성은 접지봉이 방전을 일으키는 경우의 Modeling은 배제하였다. 임펄스전류를 주입하는 경우 전위상승은 대부분 주입점에서 크게 나타난다. 또한 대지저항율이 적을수록 전위상승억제효과가 크게 나타나고 첨두치가 적을수록 주입점의 전위상승이 높다는 것을 확인하였다. 추후, 주입점의 전위상승 억제에 대한 방법과 방전현상의 모델링, 실증에 희한 모델링의 신뢰도 향상을 기하여야 한다.

3. 실험회로 및 방법

임펄스 임피던스를 측정하기 위한 대상접지극으로는 다음과 같은 접지극을 선정하였다.

① 침상전극봉 4개(Electrode with needles, 조합사용)

② 일반접지동봉 4개(조합사용)

③ 방사상 접지망(반경 2.5m)

④ 메쉬접지망(80m × 100m,간격 2m, 깊이 2.5m)

이와 같이 선정한 11가지 경우의 접지극을 대상으로 하고 충격전압장치에 의해 파두장을 가변하면서 대지전위상승과 유입전류를 측정하고 이를 자체 개발한 분석소프트웨어에 의한 해석을 통해 임펄스 임피던스를 계산하였다.

또한 침상전극봉과 일반접지봉의 경우에는 매질을 석분, 모래, 콘크리트로 바꾸어 가면서 측정하여 대지고유저항율이 높은 매질에서의 지중방전특성을 X-ray필름을 이용하여 촬영하였고, 지중방전현상에 의한 임펄스 임피던스 저감효과를 관찰하였다.

3-1. 매설방법

각각의 접지극은 수평으로 매설하였고 매설깊이는 50㎝로 하였다.

침상봉과 일반봉은 각각 4개씩을 방사상으로 매설하고 개별시험과 조합시험이 가능하도록 매설했다. 침상봉과 일반봉을 수평으로 매설한 것은 기본적으로 침상봉은 변전소와 같이 접지망이 이미 포설된 곳은 보조접지극의 개념으로 사용되므로 수평으로 포설하는 것이 매설이 편리하다. 물론 수평으로 묻을 경우와 수직으로 묻을 경우의 접지효과는 대등한 시험결과가 있다. 단, 가능하면 깊이는 더 깊이 매설해도 관계없지만 시설하고자 하는 지역의 환경에 맞도록 편리하게 매설하면 된다.

방사상 접지망도 수평으로 깊이 50㎝로 매설했다.

3-2. 시험회로

도 28은 충격전압발생장치에 의한 임펄스임피던스 측정회로를 보여주고 있다.

3-3. 시험방법

①IG의 파두저항과 파미저항을 조정하여 원하는 파두치를 선택한다.

②리드선을 대상접지극에 인가하고 임펄스전압을 접지극에 인가한다.

③임펄스전압의 인가와 동시에 인가전압과 유입전류, 대지전위상승을 오실로스코프의 자동트리거 기능을 이용하여 포착한다.

④포착한 파일을 컴퓨터에 입력하여 범용 프로그램언어에서 사용가능한 아스키 파일로 생성한 다음 저장한다.

⑤자체개발한 분석프로그램을 이용하여 최대 인가전압, 최대유입전류, 임펄스 임피던스, FFT를 이용한 주파수 해석은 이용하여 분석한다.

⑥ 경향성 및 특성을 분석하고 관찰한다.

3-4. 옥외충격전압 발생장치

3-4-1. 개요

765㎸ 공기절연거리 실증시험의 핵심 설비인 옥외충격전압 발생장치는 시험에 필요한 뇌충격전압(lightning Impulse) 및 개폐충격전압(switching Impulse)을 발생시키는 설비로서 독일 Highvolts사의 것으로 실시하였다.

IG는 도 29에서와 같이 크게 충전부, IG본체 및 제어, 측정부의 3부분으로 나눌 수 있는데 충전부의 rectifier를 이용하여 본체의 capacitor를 , 병렬로 충전시키고 충전된 capacitor를 직렬 gap을 통하여 방전시키면 높은 충격전압 및 파형을 얻을 수 있다. 본 IG는 옥외형으로 IG본체 외부에 FRP 재질의 외피가 씌워져 있고 내부에 에어컨이 설치되어 있어 외부의 기후조건에 영향을 받지 않고 시험할 수 있도록 설계되었다.

3-4-2. 충격전압압발생장치의 구성요소

도 30에서 충격전압압발생장치의 구성요소를 블록다이아그램으로 나타낸다.

3-4-3. 규격

가. 주전원

a 주회로

-전 압 : 2φ, 380V

-주파수 : 60㎐

-소비전류 : 180A 이하

b 제어회로

-전 압 : 3φ, 380/220V

-주파수 : 60㎐

-소비전류 : 16A 이하

c 에어컨, 크레인, 전등

-전 압 : 3φ, 380/220V

-소비전류 : 125A 이하

나. IG본체

a 공칭 충전에너지 : 400kJ

b 공칭 충전전압 : 4,000㎸

c 공칭 임펄스 캐패서턴스 : 50㎋

c 스테이지(stage)수 :20

d 스테이지당 충전에너지 : 20kJ 이하

e 스테이지당 충전전압 : 20㎸ 이하

f 스테이지당 임펄스 캐패서턴스 : 1μF

g 공칭에너지에서 임펄스 사이의 최소시간 간격 : 60 초

h 접지장치의 가동시간 : 50초 이내

i 출력파형

- LI : 1.2/50㎲

- SI : 100/2,500㎲

150/2,500㎲

200/2,500㎲

250/2,500㎲

300/2,500㎲

500/2,500㎲

1,000/2,500㎲

j. 최대출력 impulse 전압

- LI : 1.8㎋의 피시물의 경우 3,700㎸

- SI : 7.0㎋의 피시물의 경우 2,500㎸

k. 설치방법 : FRP외피내에 고정식으로 설치

다. 정류장치

a 주전원

-전 압 : 1φ, 380V

-주파수 : 60㎐

-소비전류 : 43kVA 이하

b 공칭 DC 전압 : 2×100kV

c 공칭 DC 전압 : 120mA

d 극성절환 : 모터에 의한 원격제어

e 설치방법 : 프레임내에 고정식으로 설치

라. damped capacitive impulse voltage divider

a 공칭 LI 전압 : 400kV

b 공칭 SI 전압 : 2,500㎸

c AC 전압 1000 공칭 kV(r.m.s)

d 공칭 캐패서턴스 : 600pF

e 공칭 댐핑(damping) 저항 : 240Ω

f 스테이지(stage)수 :20

g 스테이지당 캐패서턴스 : 4.8nF

h 스테이지당 댐핑저항 : 30Ω

i 저압 캐패서턴스 : 1,650nF

j 정격 디바이더 레티오(divider ratio) : 2,800

k 설치방법 : 바퀴를 부착하여 이동식으로 설치

마. damped capacitive impulse voltage rdfer ence divider

a 공칭 LI 전압 : 500kV

b 공칭 SI 전압 : 500㎸

c AC 전압 : 125 kV(r.m.s)

d 공칭 캐패서턴스 : 600pF

e 공칭 댐핑(damping) 저항 : (500+200)Ω

i 저압 캐패서턴스 : 208nF

j 정격 디바이더 레티오(divider ratio) : 350

k 설치방법 : 바퀴를 부착하여 이동식으로 설치

바. 특정장치

a 입력전압 범위 : 150V ∼ 1,600V(step factor 1.26)

b analog bandwidth : DC to 50MHz, -3dB

c linearity : 2LSB(0.2%)

d amplitude error : 1% 이하

e amplitude error : 10bits(0.2%)

f sampling rate : 2.5kHz ∼100MHz

g memory depth :65,536 data points

사. 주위조건

a 표 고 : 1,000m 미만

b 동작온도범위

- 옥 외 : -15 ∼40℃

- 제어실 : 15 ∼ 32℃ 결로방지

c 상대습도

- 옥 외 : 100% 미만

- 제어실 : 90% 미만

d 내진한계 : 0.2g 이하

e 풍속

- 10분 평균 : 130km/hour

- 순 간 : 175km/hour 이하

f 외부절연을 위한 표준기상 조건

- 기 압 : 0.1 MPa

- 기 온 : 20℃

- 절대습도 : 11g/m³

4. 실험결과

여기서는 접지형상별 토양별로 임펄스 임피던스를 구하기 위해 IG를 이용하여 시험한 결과를 정리하고 각각의 시험에 의미를 분석함으로서 접지설계에 참고가 되고자 한다. 가능하면 쉬운 용어와 자세한 설명으로 이해가 쉽도록 서술하려 한다.

본 실험에서 사용한 접지 형상은 다음과 같습니다. 앞에서의 전체시험개략도를 참고하시면 이해가 편리하다.

a. 침상봉 4종(1개, 2개, 3개, 4개)

b. 일반봉 4종(1개, 2개, 3개, 4개)

c. 방사상 접지망 2종(지름 5m, 지름2.5m)

d. 메쉬 접지망 1종(100m × 80m, 매설깊이 2.5m)

4-1. 접지형상별 상용주파 접지저항과 임펄스 임피던스와의 비교

위에서 설명한 접지극을 대상으로 하고 파두장을 편화하면서 측정한 임펄스 임피던스와 상용주파 접지전항과 비교 검토한다.

아래의 표는 접지형상별 임펄스 임피던스이다.

＜방전이 없을 경우의 Z＞ IG step : 3단, 황토진흙

방전이 없을 경우에는 전압의 증감에 의한 임펄스 임피던스의 변화는 없다.

	대상	0.5㎲	%	1㎲	%	6.56㎲	%	13.28㎲	%	40㎲	%	비고
1	침상봉1	15	64	14.45	78.7	16.7	84	21.4	86	28	88
2	침상봉2	-	-	8.34	45	11	55	-	-	-	-
3	침상봉3	-	-	6.53	36	10.8	54	-	-	-	-
4	침상봉4	6.38	27	5.692	31	10	50	15.6	62.9	16.7	53
5	일반봉1	23.4	100	18.35	100	20	100	24.8	100	31.8	100
6	일반봉2	-	-	10.63	58	14.1	70.5	-	-	-	-
7	일반봉3	-	-	8.4	46	11.9	60	-	-	-	-
8	일반봉4	7.6	32	7.74	42	11	55	14.8	60	20.6	65
9	방사상2.5m	4.75	20	8.0	44	10.23	51	12.3	50	111	35	고주파 과다
10	방사상5.0m	3.3	14	7.296	40	4.8	24	72	29	7.3	23	고주파 발생
11	IG Mesh	4.8	21	5.8	32	6.5	33	11.4	46	11	35

위에서 사용한 대지는 고유저항율이 상당히 낮은 접지의 측면에서 보면 양호한 토양으로 정상접지저항이 1.0Ω이하로 측정된다.

취득된 파형을 여러가지 프로세싱작업을 통해 분석한 결과를 검토하면 준도가 크면 침봉의 경우 초기에 다소의 방전현상이 일어난다. 수치상으로는 방사상접지망과 침상봉 4개를 사용한 경우가 우수한 성능을 갖는 것으로 나타난다. 그러나 방사상 2.5m의 경우는 고주파의 발생이 너무 심해 실용상 권고하기는 다소 무리가 있는 것으로 판단된다. 방사상 5.0m의 경우는 고주파가 다소 발생하나 용접부분을 개선하면 주파수 영역의 접지 임피던스측면과 임펄스임피던스측면에서 우수한 성능을 갖는 접지극으로 손색이 없다.

침상봉의 경우 여기서의 토양과 같은 양호한 토양의 경우 인가전압을 증가시켜도 대지전위상승전류상응부분에서의 부분방전도 임펄스 임피던스를 저감시키는 효과가 있다.

여기서 사용한 IG 메쉬는 100m × 80m, 매설깊이 2.5m의 넓은 접지면적을 갖고 있지만 임펄스 임피던스측면에서는 단순하고 형태의 침상봉과 방사상접지망에 비해 우수한 성능을 보이지는 않는다. 다음의 표는 상용주파정상접지저항과 임펄스 임피던스와의 차이를 보여주고 있다.

접지저항과 임펄스 임피던스와의 비교

대상	상용접지저항(연구원개발장비)	상용접지저항(기존접지저항계)	임펄스 임피던스(1㎲)	임펄스임피던스/상용접지
일반봉 4개	6.2Ω	6.0Ω	7.74Ω	1.24배
침상봉 4개	4.47Ω	4.63Ω	5.69Ω	1.27배
방사상 2.5m	1.7Ω	1.361Ω	8.0Ω	4.7배
방사상 5.0m	3.52Ω	3.12Ω	7.3Ω	2.07배
IG 메쉬	0.47Ω	0.22Ω	6.5Ω	13.8배

위의 표에서는 중요한 몇 가지 정보를 우리에게 암시하고 있다. 우선 첫 번째는 우리 지금까지 굳게 믿고 있던 매쉬접지망이 낙뢰와 같은 써지성격의 임펄스 과전압에 대해서는 상용주파 접지저항이 그대로 임펄스 임피던스가 되지 않는다는 점을 암시하고 있다.

두 번째는 일반봉과 침상봉의 경우가 임펄스 임피던스와 접지저항의 차이가 적다는 점이다. 뒤에서 설명하겠지만 대지고유저항율이 큰 모래나 석분의 경우는 오히려 상용주파 접지저항이 더 2∼3배 크게 된다.

4-2. FFT 스펙트럼에 의한 주파수 영역의 해석

앞에서의 접지극별 시험결과를 나타낸 표에서 방사상접지망의 시험결과에 고주파성분이 많이 발생하고 있다고 언급하였다. 이 절에서는 유입절류와 대지전위상승의 파형을 FFT스펙트럼으로 방사상접지망 2.5m와 5.0m, 침상봉을 대상으로 분석한다. 도 31, 도 32, 도 33에서와 같이 방사상접지망 2.5m를 대상으로 실험한 전압, 전류파형의 FFT결과를 나타내고 있다. 독자가 쉽게 이해 가능하도록 설명하면 두 번째 전류 FFT는 유입된 임펄스 전류가 갖는 주파수 스펙트럼이다. 이 파형을 보면 전류파형의 갖는 주파수성분은 대부분 0.1㎒이하의 성분으로 구성되어 있고 이 주파수가 접지시스템에 유입되는 것이다.

그런데 유입전류의 주파수대역과 대지전위상승에 해당하는 전압의 FFT스펙트럼을 살펴보면 전류에도 없는 주파수대역이 0.5㎒에 까지 분포되어 있는 것을 볼 수 있다.

결국 입력으로 가하지도 않는 주파수 성분이 출력인 전압파형에 함유되어 있다는 현상은 방사상 접지망2.5m의 경우 접지시스템이 주파수해석적 측면에서 비선형성을 갖는다는 의미이고, 새로운 고주파 성분이 생긴다는 의미로 해석되므로 임펄스 임피던스측면에서 효과가 좋다하더라도 다수의 고주파성분을 함유한 대지전압상승이 야기되므로 사용에 적합하지 않다고 검토된다.

도 34, 도 35, 도 36은 방사접지망 5.0m에 대한 파형과 전압, 전류 FFT스펙트럼으로, 앞의 2.5m와 비교하면서 설명하기로 하자. 전류 스펙트럼과 전압 스펙트럼을 비교해 보면 일부분의 주파수 영역에서는 입력되지 않은 주파수가 전압스펙트럼에 나타나지만 대부분 주파수 대역에서 크기의 차이는 다소 있으나 유사한 형태를 갖고 있다. 일부 영역에서 비선형성인 새로운 주파수 영역이 생기는 이유는 제조과정에서 생긴 용접부위에서 써지임피던스의 변화가 생겨 투반사에 의한 영향으로 판단되므로 이를 개선하면 반사상 5.9m의 경우 현장의 변전소 신설시 보조 접지극으로서 사용되면 큰 효과가 있을 것으로 판단된다.

도 37, 도 38, 도 39는 침상봉의 경우의 전압, 전류 FFT결과이다. 만일 전압, 전류 두 개의 그래프를 겹쳐서 보면 거의 일치하는 현상을 볼 수 있다.

결국 주파수 측면에서 거의 안정한 특성을 보이고 봉의 형상에 의한 새로운 고주파의 발생현상은 일반봉과 침상봉에서는 나타나지 않는다.

뒷부분의 결론에서 언급이 되겠지만 접지설계자를 위한 권고사항으로 이 부분의 검토사항을 언급하면 임펄스 임피던스의 저감을 위해 침상봉이나 방사상접지망을 보조접지극으로 사용하고자 한다면 방사상접지망의 경우 반경이 적어도 5m 이상이 되어야 한다. 그러므로 포설면적과 포설방법을 검토하여 신설변전소의 경우라면 방사상 접지망과 침상봉의 병용사용을 검토가능하고, 기존 변전소나 송전선의 접지를 보강하고자 하는 경우에는 침상봉의 사용이 합리적일 것이다.

4-3. 파두장에 의한 임펄스 임피던스

파두장에 따른 임펄스 임피던스(방전이 없는 경우)

	대상	0.5㎲	1㎲	6.56㎲	13.28㎲	40㎲
1	침상봉1	15	14.48	16.7	21.4	28
2	침상봉4	6.38	5.69	10	15.6	16.7
3	일반봉1	23.4	18.35	20	24.8	31.8
4	일반봉4	7.6	7.74	11	14.8	20.6
5	방사상2.5m	4.75	8.0	10.23	12.3	11
6	방사상5.0m	3.3	7.3	4.8	7.2	1.3
7	IG 메쉬	4.9	5.8	6.5	11.4	11

위의 표에 나타낸 수치는 지중방전을 일으키지 않은 상태에서 임펄스 임피던스를 측정한 결과이다. 방전이 일어나지 않도록 인가전압을 가했을 때 침상봉과 일반봉의 경향성을 살펴보면 봉의 파두장이 1㎲에서 가장 낮은 임펄스 임피던스값을 나타내고 파두장이 더 길거나 짧으면 다소 증가하는 경향성을 나타내고 있는 반면 방사상접지망과 메쉬망의 경우는 일정한 경향성을 나타내고 있지 않다.

4-4. 지중방전현상에 의한 임펄스 임피던스의 저감효과

모래토양을 대상으로한 임펄스 임피던스 측정시험결과 (방전이 없는 경우/방전의 경우), 함수율 1.93

	대상	0.5㎲	%	1㎲	%	6.56㎲	%	상용접지 저항Ω
1	침상봉1	283/194	61/42	245/186	64/49	258/180	37/26	891
2	침상봉2	270/172	59/37	223/153	58/40	247/129	26/19	541
3	일반봉1	461/243	100/53	382/237	100/62	694/266	100/38	1474
4	일반봉2	364/303	79/66	334/266	87/70	435/179	63/40	813

석분토양을 대상으로한 임펄스 임피던스 측정시험 결과(방전의 경우/방전없는 경우), 함수율 1.14

	대상	0.5㎲	%	1㎲	%	6.56㎲	%	상용접지 저항Ω
1	침상봉1	210/120	60/34	201/103	57/30	376/231	82/50	601
2	침상봉2	208/119	59/34	186/89	53/25	221/195	48/43	320
3	일반봉1	353/150	100/43	350/153	100/44	458/355	100/78	1338
4	일반봉2	299/148	85/42	288/135	82/39	366/330	80/72	571

위의 표에서 일반봉1은 일반봉 1개, 일반봉2는 일반봉 2개 병렬로, 침상봉1은 침상봉1개를, 침상봉2는 침상봉2개를 병렬로 매설한 것을 의미한다. 위의 표는 방전이 일어난 경우와 일어나지 않은 경우의 임펄스 임피던스를 비교하고, 침봉과 일반봉의 임펄스 임피던스를 비교한다. 표에서'/'앞의 수치는 방전이 없는 경우이고'/' 후의 수치는 방전이 일어난 경우의 임펄스 임피던스이고 '%'는 일반봉을 100%는 일반봉을 100%로 했을 때의 임펄스 임피던스이다. 이 시험결과를 보면 일반봉의 경우에 방전이 일어나고 방전에 의한 감소비율도 상당히 크다는 것을 알 수 있다. 이것은 방전이 없을 때의 임펄스 임피던스가 크기 때문이다. 이미 앞에서 방전현상을 설명하면서 언급이 되었지만 침상봉과 일반봉의 가장 큰 차이점은 방전개시전압이 서로 다르다는 것이다. 토양, 수분, 급준도등에 의해서 다소의 영향을 받지만 침상봉은 대지전위상승이 20㎸∼30㎸에서 일어나고 일반봉은 40㎸∼50㎸사이에서 일어난다. 방전개시전압이 낮을수록 임펄스 임피던스의 저감효과가 크다.

4-5. 콘크리트 내부에서의 방전현상

보통 전기구조물은 대지에 시설되고 여기에 반드시 수반되는 구조물이 콘크리트이다. 연구진은 도전성 콘크리트에 큰 전류가 유입되면 도전성을 좌우하는 내부의 탄소성분이 응용될 수 있다는 약점을 비공식으로 입수하였기에 도전성 콘크리트가 아닌 일반 콘크리트 내부에 일반봉과 침상봉을 넣어 콘크리트 궤를 만들고 이 궤를 대상으로 임펄스 시험과 주파수 시험을 시행했다.

콘크리트 내부에서의 임펄스 임피던스

임펄스 임피던스(방전무/방전유)
대상	0.5㎲파두장	1㎲ 파두장	80Ω
침상봉1	62/20(28KV)	64/36 (24㎸)	80Ω
일반봉1	62/24(42KV)	64/38 (47kV)
	( ) : 방전개시전압

대지에 묻혀있는 콘크리트는 임펄스 임피던스 측면과 상용주파 접지저항 측면에서 모래나 석분보다 상당히 우수한 성능을 갖는다. 방전개시전압이 낮아 방전효과에 의한 임펄스 임피던스의 저감효과가 기대된다. 이것은 고유저항율이 높은 모래나 바위, 석분으로 되어 있는 토양에서 변전소나 철탑을 건설해야하는 경우 기초에 접지극을 매설하고 리드선을 기기나 탑각에 접지하면 접지저항 측면이나 임펄스 임피던스 측면에서 유리하다고 판단된다.

4-6. 침봉개수에 따른 임퍽스 임피던스 비교

침상봉의 개수 변화에 의한 임펄스 임피던스 비교

	대상	방전시	%	무방전	%	비고
1	침상봉1	306	100	580	100	석분, 5.56㎲, 97.8.12
2	침상봉2	159	52	250	43
3	일반봉1	123	40	191	33
4	일반봉2	110	36	144	25

위의 표는 침상봉 개수에 의한 임펄스 임피던스의 변화를 비교한 시험결과이다. 침상봉의 매설은 50㎝의 깊이로 수평 매설하였고 매설방법은 방사상으로 위치시킨다. 2개를 매설하는 경우는 시계바늘이 6시와 12시를 가르키는 것과 같은 형사인 일직선이 되도록 매설하고 가운데 회전부분으로 인출선이 나오도록 매설했다. 3개의 경우는 12시, 3시, 6시 방향으로 매설했고, 4개의 경우는 12시, 3시, 6시, 9시방향으로 매설했다. 침상봉의 개수는 설계자의 의도에 따라 개수를 선정하면 되고 매설방법은 3개를 선택하는 경우 위에서와 같은 방법이 아닌 120도의 각도를 두고 방사상으로 매설하는 것이 위에서의 효과보다 더 좋다. 아래의 표는 침상봉 2개를 6시, 12시 방향으로 매서란 경우와 12시, 3시 방향으로 매설한 경우의 비교이다.

4-7. 포설방법에 의한 임펄스 임피던스 비교

매설방법에 의한 임펄스 임피던스 비교

인가전압KV	일직선매설	90도 매설	1㎲, 황토진흙, 97.7.17
22	8.0	8.6
30	8.1	8.7
44	8.2	8.8
44	8.2	8.6
70	8.1	8.7
평균	8.12	8.68

위의 표에서 보면 방사상 수평매설이 90도로 각도를 두고 매설하는 경우의 93.5%에 해당하므로 약6.5% 적은 임펄스 임피던스값을 갖게 된다. 이것은 접지극의 간격이 좁아지면 접지저항이 커지는 근접효과의 영향으로 판단된다. 결국 수평매설의 경우 방사상으로 매설하는 것이 효과적이라는 것을 증명하고 있다.

5. 결과

5-1. 결과

본 시험은 지금까지 다소 소홀하게 다루어졌던 낙뢰등에 의한 써지가 전기설비에 침입한 경우에 작용하는 접지 저항인 임펄스 임피던스 혹은 써지 임피던스를 접지극 별로 측정하고 분석결과를 다루었다.

또한 임펄스 임피던스와 상용주파 접지저항과 비교 검토하였다.

특히 임펄스 임피던스를 저감하기 위한 방법으로 알려진 지중방전 현상을 측정·촬영·분석하여 지중방전현상에 의한 임펄스 임피던스의 저감효과를 실증하므로써 현장적용의 가능성을 확대시켰다.

◇지중방전현상에 대한 검토

1. 지중방전현상에 의해 대지의 비저항이나 임펄스 임피던스의 동적특성이 변화한다.

2. 유입전류의 크기가 크고, 대지고유저항율이 높으면 방전에 의한 임펄스 임피던스의 저감효과는 더 크게 된다.

3. 지중방전 개시 전압은 침상봉의 경우 대지전위가 20kV∼30kV이고, 일반봉에서는 40kV∼50kV에서 일어난다. 결국 대지 고유저항이 큰 지형에서는 방전현상에 의한 임펄스 임피던스가 저감된다.

4. 유입전류가 크고, 대지 고유저항율이 높은 석분, 모래와 같은 지형이면 전류침입의 초기에 방전현상이 일어난다. 이 현상은 송전철탑의 역섬락 억제효과를 기대할 수 있다.

5. 침상봉의 방전현상은 1 ㎲이상의 급준파의 유입전류에서 초기 부분방전이 일어난다.

6. 대지 고유저항이 높으면 접지극이 접지망으로 되어 있어 대지전위의 감소는 거의 일어나지 않는다. (EMTP모의 결과). 그러므로 유입점에서 침상봉에 의한 임펄스 임피던스의 저감효과를 기대하는 것이 바람직하다.

◇접지극별 검토

1. 방사상 접지망은 면적이 허락되는 경우 접지저항과 임펄스 임피던스 측면에서 양호한 성능을 나타내므로 훌륭한 보조 접지극이다. 단 반경이 5m 이상이 바람직하고 그 이하에서는 고주파 생성으로 문제점이 발생한다.

2. 방전이 없는 경우 임펄스 임피던스의 실험결과는 방사상 5.0m와 침상봉을 4조를 사용하였을 때가 우수한 성능을 보이므로, 필요에 따라 병용하여 보조 접지극으로 사용하면 유리하다. 예를 들면 변전소 인입점, 변압기, 차단기 등의 기기접지와 인출철탑의 접지, 피뢰기접지에 사용가능하다. 방사상 접지망은 반경이 5m나 되므로 기존 변전소 및 시설물에 사용하기는 다소 어렵다.

◇상용주파 접지 저항과의 비교

1. 대지 고유저항율이 낮은, 즉 접지저항이 아주 양호한 토양에서는 임펄스 임피던스가 대지저항의 수배-수십배 큰 값을 갖는다.

2. 모래와 석분 등의 임펄스 임피던스는 접지저항 보다 수배-수십배 적은 값을 갖는다.

◇방전에 의한 임펄스 임피던스 저감효과

1. 침상봉의 경우 임펄스 임피던스는 최고 60%이상 감소한다.

2. 침상봉의 경우 방전 개시전압이 20㎸∼30㎸으로 일반봉의 40㎸∼50㎸ 보다 방전 개시전압이 낮음으로 유입전류를 초기에 흡수한다.

◇콘크리트 내부에서의 접지극 특성 검토

1. 대지에 묻혀있는 콘크리트는 임펄스 임피던스 측면이나 상용주파 접지저항 측면이나 모래나 석분보다 상당히 우수한 성능을 갖는다.

2. 방전개시전압이 낮아 방전효과에 의한 임펄스 임피던스의 저감효과가 기대된다. 이것은 고유저항율이 높은 모래나 바위, 석분으로 되어 있는 토양에서 변전소나 철탑을 건설해야하는 경우 기초에 접지극을 매설하고 리드선을 기기나 탑각에 접지하면 접지저항 측면이나 임펄스 임피던스 측면에서 유리하다고 판단된다.

◇ 봉을 매설하는 경우 방사상으로 매설하면 유리하다.

◇ 침상봉 4개를 1조로 매설하면 1개의 임펄스 임피던스를 100%로 했을 때 36%가 된다.

◇시험에 사용한 접지극은 지하 50㎝에 매설했다.

5-2. 침상봉의 적용

신설변전소나 발전소의 경우 과전압이나 뇌격의 피해가 우려되는 곳과 인출철탑, 변압기, 피뢰기, 차단기의 개소에는 방사상 접지망과 침상봉을 병용하여 보조접지극으로 사용하면 임펄스 임피던스와 접지저항의 저감효과를 함께 얻을 수 있다.

기설 변전소의 경우 망사상 접지망의 포설은 상당히 어렵고 시공 비용이 클 것으로 생각되므로 시공이 간단한 침상봉을 필요에 따라 조합하여 시공할 수 있다.

송전선의 경우 대지고유저항율이 낮거나 낙뢰의 우려가 없는 장소는 현재의 시공방법으로 문제점이 없을 것이나 반면 대지고유저항율이 높은 석분, 모래와 같은 지형은 접지저항 임펄스 임피던스가 상당히 높은 지형이므로 넓은 접지 면적이 필요치 않는 침상봉의 사용이 합리적이다.

신설 송전선의 경우 대지고유저항율이 높은 지형에는 모래나 석분보다 상당히 우수한 접지성능을 갖고 있는 콘크리트의 성질을 이용하는 것이 좋다. 즉, 기초시공시 침상봉을 콘크리트속에 넣고 시공하고 리드선을 탑각에 연결하면 임펄스 임피던스와 접지저항의 저감에 도움이 될 것이다.

지중선이나 통신등의 지중선로나 케이블선로의 경우 낙뢰의침입이 우려되는 인입점의 접지에 방사상접지망과 침상봉의 적용을 변전소 경우에 준하여 사용할 수 있다.

기타 낙뢰의 피해가 우려되는 건물이나 구조물의 피뢰기 접지에 효과가 있다.

이상에서 살펴본 본 발명의 침상전극봉은 접지극의 형상이 설치면적을 작게 차지하면서 낙뢰와 같은 외부적인 요인에 의해 발생되는 고장전류 혹은 써지를 효과적으로 대지로 분산시킬 수 있기 때문에 낙뢰의 피해가 우려되는 건출물이나 철골 구조물에 설치하여 그 피해를 방지할 수 있다.

Claims (2)

1. 금속으로된 어스봉(11)의 둘레에 다수개의 사방으로 향한 방전침(12)을 다수개 형성한 침상전극봉(10)을 구비하여 이를 낙뢰와 같이 외부적 요인에 의해 발생된 전기에너지를 지중으로 유도하는 리드선(14)과 연결하여 지중에 매설한 것을 특징으로 하는 접지시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 침상전극봉(10)을 설치할 때 다수개를 구비하여 방사상으로 설치하는 것을 특징으로 하는 접지시스템.