최근 대형 건축물들은 접지그리드를 기반으로 한 공통접지방식을 채택하고 있다. 이러한 접지시스템의 성능평가는 접지저항만으로 불충분하므로 접지임피던스의 측정이 요구된다. 대형 접지시스템의 접지임피던스에 대한 측정 방법은 IEEE standard 81.2에 기술되었으나 세부적인 평가방법들은 제시되지 못한 상태이다. 본 논문은 15[m]$\times$15[m] 접지그리드에 대하여 수정된 전위강하법에 기반한 접지임피던스의 정확한 측정방법과 보조전극의 위치에 따른 도전유도 및 전자유도에 의한 측정오차를 기술한다. 그 결과 도전유도에 의한 오차는 보조전극의 거리가 늘어날수록 감소하였다. 전자유도에 의한 오차를 배제하기 위해서 전위측정선은 전류측정선과 90도를 이루어야 한다. 전위측정선과 전류측정선이 예각 또는 둔각을 이루었을 때 전자유도전압은 각각 + 또는 -를 나타내었다. 일반적으로 전자유도에 의한 오차는 예각에 비해서 둔각의 경로가 작게 나타났다.
최근 대형 건축물들은 접지그리드를 기반으로 한 공통접지방식을 채택하고 있다. 이러한 접지시스템의 성능평가는 접지저항만으로 불충분하므로 접지임피던스의 측정이 요구된다. 대형 접지시스템의 접지임피던스에 대한 측정 방법은 IEEE standard 81.2에 기술되었으나 세부적인 평가방법들은 제시되지 못한 상태이다. 본 논문은 15[m]$\times$15[m] 접지그리드에 대하여 수정된 전위강하법에 기반한 접지임피던스의 정확한 측정방법과 보조전극의 위치에 따른 도전유도 및 전자유도에 의한 측정오차를 기술한다. 그 결과 도전유도에 의한 오차는 보조전극의 거리가 늘어날수록 감소하였다. 전자유도에 의한 오차를 배제하기 위해서 전위측정선은 전류측정선과 90도를 이루어야 한다. 전위측정선과 전류측정선이 예각 또는 둔각을 이루었을 때 전자유도전압은 각각 + 또는 -를 나타내었다. 일반적으로 전자유도에 의한 오차는 예각에 비해서 둔각의 경로가 작게 나타났다.
Recently, the common grounding systems are adapted in most large structures. Since the ground resistance is insufficient to evaluate the performance of grounding systems, it is needed to measure grounding impedance. Even though the methods of measuring grounding impedance of large grounding systems ...
Recently, the common grounding systems are adapted in most large structures. Since the ground resistance is insufficient to evaluate the performance of grounding systems, it is needed to measure grounding impedance. Even though the methods of measuring grounding impedance of large grounding systems are presented in IEEE standard 81.2, but they have not been described in detail. In this paper, we present the accurate method of measuring grounding impedance based on the revised fall-of-potential method and measurement errors due to earth mutual resistance and ac mutual coupling depending on locating test electrodes at remote earth were examined for the 15[m]$\times$15[m] grounding grid. As a result, the measurement error due to earth mutual resistance is decreased when the distance to auxiliary electrodes increased. To get rid of measurement errors due to mutual coupling, the potential lead should be installed at a right angle to the current lead. When the angle between the potential and the current leads is an acute angle or an obtuse angle, the mutual couple voltage is positive or negative, respectively. Generally, the measurement errors due to mutual coupling with an obtuse angle route are lower than those with an acute angle route.
Recently, the common grounding systems are adapted in most large structures. Since the ground resistance is insufficient to evaluate the performance of grounding systems, it is needed to measure grounding impedance. Even though the methods of measuring grounding impedance of large grounding systems are presented in IEEE standard 81.2, but they have not been described in detail. In this paper, we present the accurate method of measuring grounding impedance based on the revised fall-of-potential method and measurement errors due to earth mutual resistance and ac mutual coupling depending on locating test electrodes at remote earth were examined for the 15[m]$\times$15[m] grounding grid. As a result, the measurement error due to earth mutual resistance is decreased when the distance to auxiliary electrodes increased. To get rid of measurement errors due to mutual coupling, the potential lead should be installed at a right angle to the current lead. When the angle between the potential and the current leads is an acute angle or an obtuse angle, the mutual couple voltage is positive or negative, respectively. Generally, the measurement errors due to mutual coupling with an obtuse angle route are lower than those with an acute angle route.
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문제 정의
본 연구에서는 접지그리드의 접지임피던스의 정확한 평가기법을 제안하기 위해 방향성에 차이가 없는 정방형의 15[m]×15[m]의 접지그리드를 시공하여 보조전극의 거리 및 측정선의 배치 등에 따른 도전유도와 전자유도에 의한 오차를 분석하였으며, 그 결과 대형 접지시스템에 대한 오차율을 최소화하는 접지임피던스 측정기법을 제안하였다.
가설 설정
전류보조극과 접지그리드의 유도에 의한 측정의 영향이 없다고 할 때 ①번을 제외하고 불가피하게 전위측정선이 접지그리드 상부를 경유하게 되기 때문에 그에 따른 측정의 정확도 제시가 필요하다. 본 실험에서는 전류보조전극과 전위보조전극의 거리를 도전유도에 의한 오차가 5[%] 이하인 150[m]로 고정하였으며, 전류보조전극과 접지그리드의 배치에 따른 영향은 없는 것으로 가정하였다. Point ②번에 대하여 측정선의 배치를 Case Ⅰ, Case Ⅱ, Case Ⅲ로 구분하여 측정방법별 접지임피던스를 비교하였고, 대칭성이 있는 Point ③번에서 전자유도가 전혀 포함되지 않은 결과와 비교하여 측정의 성능을 평가하였다.
제안 방법
본 실험에서는 전류보조전극과 전위보조전극의 거리를 도전유도에 의한 오차가 5[%] 이하인 150[m]로 고정하였으며, 전류보조전극과 접지그리드의 배치에 따른 영향은 없는 것으로 가정하였다. Point ②번에 대하여 측정선의 배치를 Case Ⅰ, Case Ⅱ, Case Ⅲ로 구분하여 측정방법별 접지임피던스를 비교하였고, 대칭성이 있는 Point ③번에서 전자유도가 전혀 포함되지 않은 결과와 비교하여 측정의 성능을 평가하였다.
그림 3은 측정방법별 접지임피던스의 주파수의존성을 나타낸다. Point ②와 Point ③은 대칭성이 있고 동일한 전류분기점이기 때문에 전자유도를 완전히 배제한 Point ③의 측정결과를 기준으로 평가하였다. 측정방법 Case Ⅰ의 경우가 Point ③과 거의 유사한 측정결과를 나타내었다.
그림 5는 전위보조전극의 각도를 전류보조전극과 45도 각도로 증가시키며 두 측정선간 또는 접지그리드와 전위측정선간의 전자유도에 의한 오차를 평가하기 위한 측정계를 나타낸다. 도전유도에 의한 영향이 약 5[%] 정도인 보조전극까지의 거리를 150[m]로 고정하였고 전류보조전극을 고정한 상태에서 전위보조전극의 각도만을 바꾸어 가며 실험을 진행하였다.
하지만 접지그리드의 경우 규모에 따라 메시의 간격이 더욱 큰 경우가 발생할 수 있고 이러한 경우 접지전극과 측정선간의 전자유도에 의한 오차는 크게 나타날 수 있으리라 판단된다. 따라서 2.3절에서는 접지전극과 측정선의 겹치는 범위가 커졌을 때 각도에 따른 전자유도에 대한 분석을 수행하였다. 또한 접지그리드와 같은 대형 접지시스템은 대부분 측정공간의 제약이 따르는 도심지에 위치하고 있으며, 2.
본 논문에서는 접지임피던스 측정을 위해 보조전극을 90[°]로 배치하였을 때 도전유도에 의한 오차를 평가하기 위해 그림 1과 같이 피측정접지그리드(E)로 부터 보조전극까지의 거리(D)를 15[m]×15[m]의 접지그리드의 최대대각선 길이(L)인 21.2[m]의 배수로 증가시키며 접지저항을 측정하고, D/L=6.5인 138[m] 거리에서 61.8[%]법을 이용하여 측정한 접지저항을 기준으로 하여 그 오차율을 식 (1)에 의하여 산출하였다.
성능/효과
(1) 접지그리드의 접지임피던스 측정을 위해 전자유도가 없는 수정된 전위강하법을 이용하여 측정하여야 하며, 보조전극을 90[°]로 설치하였을 때 발생하는 도전유도에 의한 오차를 최소화 한다면 측정의 신뢰도를 향상시킬 수 있다고 판단된다.
(2) 측정공간의 제약으로 90[°] 배치가 불가능할 경우 측정선과 측정대상 접지그리드를 모두 고려해야 하며, 전위측정선이 접지그리드 위에 놓이지 않게 되도록 측정선간 둔각을 이루도록 측정 하는 것이 바람직하다.
2.2절에서 접지전류 인가점의 위치에 따라 평가한 결과는 접지그리드와 측정선의 겹치는 길이가 매우 짧은 조건이기 때문에 측정결과에 큰 차이가 나타나지 않았다. 하지만 접지그리드의 경우 규모에 따라 메시의 간격이 더욱 큰 경우가 발생할 수 있고 이러한 경우 접지전극과 측정선간의 전자유도에 의한 오차는 크게 나타날 수 있으리라 판단된다.
끝으로 135[°]_2와 같이 측정선을 접지그리드 밖에 둔각으로 설치한 경우 매설지선에서 측정된 결과와 마찬가지로 전자유도에 의한 편차율이 최대 20[%]로 가장 작게 나타났다.
측정상의 오차를 최소화 하였을 때 접지임피던스는 약 50[kHz] 이상의 주파수에서 전류분기수에 따른 차이를 나타낸다. 분기수가 가장 많은 Point 4의 경우에서 50[kHz] 이상의 주파수에서 접지임피던스가 가장 낮게 나타났으며, 반면에 분기수가 가장 적은 Point 1의 경우 접지임피던스가 가장 높게 나타났다. 저주파수에서 측정된 접지저항과 달리 접지임피던스의 경우 전류의 분기점등에 따라 100[kHz] 이상의 주파수에서 2배 이상의 차이를 나타내기 때문에 접지그리드의 접지임피던스 측정시 전류의 인가점에 따른 접지임피던스의 측정이 필요하며, 정확한 측정을 위해 전자유도에 의한 오차를 최소화 하는 접지측정선의 배치가 요구된다.
전자유도가 완전히 배제된 90[°]에 비해 예각인 45[°]에서 측정한 결과는 접지그리드의 위치와 거의 무관하게 약 10[kHz]이상의 주파수에서 정(+)의 전자유도에 의한 오차를 나타내며 100[kHz]의 주파수에서는 90[°]에서 측정한 결과와 50[%] 이상의 편차를 나타내어 접지임피던스 측정값에 대한 신뢰성이 떨어지는 것으로 나타났다.
후속연구
(4) 현재까지 우리나라에는 접지임피던스의 측정방법에 대한 기준이나 지침이 존재하지 않기 때문에 본 논문에서 얻어진 결과들은 향후 접지그리드의 접지임피던스를 측정하는데 요구되는 기준이나 가이드 작성에 활용될 수 있다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
15[m]×15[m] 접지그리드의 접지임피던스 측정에 대하여 도전유도와 전자유도에 의한 오차를 분석하였다, 이에 대한 결과는?
(1) 접지그리드의 접지임피던스 측정을 위해 전자유도가 없는 수정된 전위강하법을 이용하여 측정하여야 하며, 보조전극을 90[°]로 설치하였을 때 발생하는 도전유도에 의한 오차를 최소화 한다면 측정의 신뢰도를 향상시킬 수 있다고 판단된다.
(2) 측정공간의 제약으로 90[°] 배치가 불가능할 경우 측정선과 측정대상 접지그리드를 모두 고려해야 하며, 전위측정선이 접지그리드 위에 놓이지 않게 되도록 측정선간 둔각을 이루도록 측정 하는 것이 바람직하다.
(3) 접지전류가 인가되는 접지도선이 접지그리드의 모퉁이에 접속하는 경우를 제외하고 접지그리드와 전위측정선간의 전자유도를 배제할 수 없기 때문에 전위측정선과 접지그리드가 겹치는 거리를 최소로 하고 접지그리드 외부에서는 측정선을 반드시 90[°]를 이루도록 해야 한다.
(4) 현재까지 우리나라에는 접지임피던스의 측정방법에 대한 기준이나 지침이 존재하지 않기 때문에 본 논문에서 얻어진 결과들은 향후 접지그리드의 접지임피던스를 측정하는데 요구되는 기준이나 가이드 작성에 활용될 수 있다고 판단된다.
대형 접지시스템의 경우 기존의 규정인 접지저항만으로 그 성능을 평가할 수 없는 이유는?
최근에 설계되고 있는 대형 건축물의 접지시스템은 공통접지방식의 접지그리드를 채택하여 건축물의 구조체와 본딩하는 방식으로 이루어진다. 대형 접지시스템의 경우 모든 접지시스템을 하나로 접속하고 있기 때문에 기존의 규정인 접지저항만으로 그 성능을 평가할 수 없다. 접지그리드에 대한 성능평가를 위해 접촉전압이나 보폭전압에 대한 평가가 수행되어야 하며[1], 뇌격전류나 고장전류와 같은 고주파 성분을 포함하는 전류에 대한 접지성능평가를 위해 접지임피던스에 대한 측정이 수행되어야 한다[2-3].
최근에 설계되고 있는 대형 건축물의 접지시스템은 어떤 방식으로 이루어지는가?
최근에 설계되고 있는 대형 건축물의 접지시스템은 공통접지방식의 접지그리드를 채택하여 건축물의 구조체와 본딩하는 방식으로 이루어진다. 대형 접지시스템의 경우 모든 접지시스템을 하나로 접속하고 있기 때문에 기존의 규정인 접지저항만으로 그 성능을 평가할 수 없다.
참고문헌 (9)
IEEE Std. 80-2000, 'IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding', pp. 23-29, 2000
Hideki Motoyama, 'Experimental and Analytical Studies on Lightning Surge Characteristics of Ground Mesh', IEEJ, Vol. 160, No. 4, pp. 16-23, 2007
J. H. Eom, T. H. Lee, S. C. Cho, Y. W. Yoo, 'Transient Impedance Analysis of Grounding Electrodes Using Variable Frequency Wave and Impulse Generator', 29th ICLP, 5a-9, 2008
IEEE Std. 81.2-1991, 'IEEE Guide for Measurement of Impedance and Safety Characteristics of Large, Extended or Interconnected Grounding Systems', pp.12-17, 1991
Jinxi Ma, Farid P. Dawalibi, 'Influence of Inductive Coupling Between Leads on Ground Impedance Measurements Using the Fall-of-potential Method', IEEE Trans. on P.D., Vol. 16, No. 4, pp.739-743, 2001
Jinxi Ma, Farid P. Dawalibi, 'Extended Analysis of Ground Impedance Measurement Using the Fall-of-Potential Method', IEEE Trans. P.D., Vol. 17, No. 4, pp. 881-885, 2002
Cheng-gang Wang, Takeshi Takasima, Tadahiro Sakuta, and Yoshimasa Tsubota, 'Grounding Resistance Measurement Using Fall-of-Potential Method with Potential Probe Located in Opposite Direction to the Current Probe', IEEE Trans. on PD., Vol.13, No.4, pp.1128-1135, 1998
최영철, 최종혁, 이복희, 전덕규 '수직 또는 수평으로 매설된 접지전극의 접지임피던스 측정시 보조전극 위치에 따른 전자유도의 영향', KIIEE, Vol. 23, No.8, pp.86-92, 2009
이복희, 엄주홍, 김성원, '전위강하법에 의한 접지저항측정에 미치는 전위보조전극 위치의 영향', KIIEE, Vol. 15, No. 2, pp. 97-104, 2001
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