This study fabricated a simulation facility which reduced the structure of a current distribution line to 50:1 in order to analyze the induced lightning shielding effect of a 22.9kV-Y distribution line according to ground resistance capacity, grounding locations, etc. When installing an overhead gro...
This study fabricated a simulation facility which reduced the structure of a current distribution line to 50:1 in order to analyze the induced lightning shielding effect of a 22.9kV-Y distribution line according to ground resistance capacity, grounding locations, etc. When installing an overhead ground wire, the standard for grounding a distribution line with a current of 22.9kV-Y requires that ground resistance in common use with the neutral line be maintained less than $50\Omega$every 200m span. The reduced line for simulation had 7 electric poles and induced lightning was applied to the ground plane 2m apart from the line in a direction perpendicular to it using an impulse generator. If induced voltage occurred in the line and induced current flowed through the line due to the applied current, the induced voltage and current of the 'A' phase were measured respectively using an oscilloscope. When all 7 electric poles were grounded with a ground resistance of less than $50\Omega$ respectively, the combined resistance of the line was $7.4\Omega$. When an average current of 230A was applied, the average induced voltage and current measured were 1,052V and 13.8A, respectively. Under the same conditions, when the number of grounding locations was reduced, the combined resistance as well as induced voltage and current showed a tendency to increase. When all 7 electric poles were grounded with a ground resistance of less than $100\Omega$, the combined resistance of the line was $14.9\Omega$. When an average current of 236A was applied, the average induced voltage and current of the 'A' phase calculated were 1,068V and 15.6A, respectively. That is, in this case, only the combined resistance was greater than when all 7 electrical poles were grounded, and the induced voltage and current were reduced. Therefore, it is thought that even though ground resistance is slightly higher under a construction environment with the same conditions, it is advantageous to ground all electric poles to ensure system safety.
This study fabricated a simulation facility which reduced the structure of a current distribution line to 50:1 in order to analyze the induced lightning shielding effect of a 22.9kV-Y distribution line according to ground resistance capacity, grounding locations, etc. When installing an overhead ground wire, the standard for grounding a distribution line with a current of 22.9kV-Y requires that ground resistance in common use with the neutral line be maintained less than $50\Omega$every 200m span. The reduced line for simulation had 7 electric poles and induced lightning was applied to the ground plane 2m apart from the line in a direction perpendicular to it using an impulse generator. If induced voltage occurred in the line and induced current flowed through the line due to the applied current, the induced voltage and current of the 'A' phase were measured respectively using an oscilloscope. When all 7 electric poles were grounded with a ground resistance of less than $50\Omega$ respectively, the combined resistance of the line was $7.4\Omega$. When an average current of 230A was applied, the average induced voltage and current measured were 1,052V and 13.8A, respectively. Under the same conditions, when the number of grounding locations was reduced, the combined resistance as well as induced voltage and current showed a tendency to increase. When all 7 electric poles were grounded with a ground resistance of less than $100\Omega$, the combined resistance of the line was $14.9\Omega$. When an average current of 236A was applied, the average induced voltage and current of the 'A' phase calculated were 1,068V and 15.6A, respectively. That is, in this case, only the combined resistance was greater than when all 7 electrical poles were grounded, and the induced voltage and current were reduced. Therefore, it is thought that even though ground resistance is slightly higher under a construction environment with the same conditions, it is advantageous to ground all electric poles to ensure system safety.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 22.9㎸-Y 배전선로의 접지저항 크기 및 접지개소에 따른 유도뢰의 차폐효과를 분석하기 위해 현행 배전선로 구조를 50:1로 축소한 모의설비를 제작하였다. 또한 유도전압의 파형 및 크기 등을 분석하여 유도뢰에 대한 접지저항의 영향을 제시하고자 한다.
9㎸-Y 배전선로의 접지저항 크기 및 접지개소에 따른 유도뢰의 차폐효과를 분석하기 위해 현행 배전선로 구조를 50:1로 축소한 모의설비를 제작하였다. 또한 유도전압의 파형 및 크기 등을 분석하여 유도뢰에 대한 접지저항의 영향을 제시하고자 한다.
이에 본 논문에서는 축소 모의선로를 제작하여 3상 4선식 22.9㎸ 중성점 다중접지 방식의 계통특성을 해석하고자 한다. 즉, 가공지선과 전력선 및 중성선이 설치된 특별고압 2회선 전선로를 구성하였으며, 실제 선로를 일정 비율로 축소하여 전선로를 제작하였다.
제안 방법
(1) 축소 제작된 전선로의 전주는 7개이며, 유도뢰 인가는 임펄스 제너레이터(impulse generator)를 이용하여 전선로로부터 직각 방향으로 2m 떨어진 지점에서 접지면(ground plane)에 인가하였다. 인가된 전류에 의해 전선로에 유도전압이 발생하고 유도전류가 흐르면 오실로스코프를 이용하여 A상의 유도전압 및 유도전류를 각각 측정하였다.
또한 모의선로의 말단(1번 전주, 7번 전주)으로부터 발생되는 반사파의 영향을 방지하기 위해 정합저항 480Ω을 말단에 설치하였다.
또한 접지저항의 크기에 따른 유도뢰의 영향을 보고자 현행 접지 시공 기준인 50Ω과 현행 기준보다 다소 높은 100Ω의 저항을 연결하여 실험을 진행하였다.
배전선로의 접지저항 크기 및 접지개소 등에 따른 유도뢰의 차폐효과를 분석하기 위해서 현행 22.9㎸ 중성점 다중 접지방식의 배전선로 구조를 축소한 모의실험 분석에서 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 실험에서는 측정장비 및 선로 특성을 고려하여 제너레이터의 출력부에 1,000Ω의 저항을 연결하고 임펄스 제너레이터를 최대로 충전한 후 전극과 접지면 전극 사이를 10cm 간격으로 유지시켜 발생된 아크를 통해 전류를 인가시켰다.
실험이 진행될 때의 측정 프로브 위치는 채널 1(Ch1)은 인가 전류, 채널 2(Ch2)는 A상의 유도전압과 접지(Gnd), 채널 3(Ch3)은 A상 유도전류와 접지(Gnd) 사이를 각각 측정하였다. 또한 모의선로의 말단(1번 전주, 7번 전주)으로부터 발생되는 반사파의 영향을 방지하기 위해 정합저항 480Ω을 말단에 설치하였다.
또한 접지저항의 크기에 따른 유도뢰의 영향을 보고자 현행 접지 시공 기준인 50Ω과 현행 기준보다 다소 높은 100Ω의 저항을 연결하여 실험을 진행하였다. 아울러 다양한 경우의 유도뢰 현상을 모의하기 위해 접지 위치 및 접지개소 수를 변경하여 실험을 진행하였다. 실험결과 전주 7개소 모두를 각각 50Ω의 접지시설이 되었을 때 측정된 주요 데이터는 표 3과 같다.
유도뢰 실험은 전주 4번과 직선거리로 2m 떨어진 접지면에 아크를 통해 전류를 인가하고, 제시된 실험조건을 통해 축소 모의된 배전선로의 유도뢰 전압을 측정하여 진행되었다. 데이터는 각 조건에서 20회를 측정하였으며, 이들의 평균을 취해 결과로 사용하였다.
이 전류의 전자기 결합에 의해 선로에 유도전압이 발생하고 유도전류가 흐른다. 이 때 오실로스코프(TDS 3014, Tektronix, 100MHz, 1.25GS/s)를 이용하여 A상에서 유도전압(Tek P5100, Tektronix, DC to 250MHz 10ft, 100x, 2500Vpk 1.75ns, 10MΩ/2.75pF)과 유도전류(TCP 202, Tektronix, 15A peak DC to 50MHz 50A MAX pulse)를 검출하며, 인가전류는 고주파 CT(2878, Pearson, 0.1 V/A, 400A MAX 10Arms, 6ns)를 사용하여 검출하여 고속의 디지털 오실로스코프에 파형을 저장하도록 구성하였다.
임펄스 제너레이터는 최대 360㎸까지 충전가능하며 단락 시 최대 3㎄ 전류를 발생시킨다. 이때 임펄스 제너레이터로부터 발생한 아크가 선로에 직접 방전되는 것을 방지하기 위해 그림 5와 같은 격자형의 차폐 공간 내(Faraday cage)에 제너레이터를 설치하여 외부 전자계의 영향을 받지 않도록 시스템을 최적화 하였다. 본 실험에서는 측정장비 및 선로 특성을 고려하여 제너레이터의 출력부에 1,000Ω의 저항을 연결하고 임펄스 제너레이터를 최대로 충전한 후 전극과 접지면 전극 사이를 10cm 간격으로 유지시켜 발생된 아크를 통해 전류를 인가시켰다.
(1) 축소 제작된 전선로의 전주는 7개이며, 유도뢰 인가는 임펄스 제너레이터(impulse generator)를 이용하여 전선로로부터 직각 방향으로 2m 떨어진 지점에서 접지면(ground plane)에 인가하였다. 인가된 전류에 의해 전선로에 유도전압이 발생하고 유도전류가 흐르면 오실로스코프를 이용하여 A상의 유도전압 및 유도전류를 각각 측정하였다.
전주 1개소를 50Ω 이하로 접지했을 때의 데이터를 표 4에 나타냈다. 접지는 측정점 1개소에 시설되었으며 동일한 조건에서 실험을 20회 반복 실시하였다. 전 선로의 합성저항은 36.
9㎸ 중성점 다중접지 방식의 계통특성을 해석하고자 한다. 즉, 가공지선과 전력선 및 중성선이 설치된 특별고압 2회선 전선로를 구성하였으며, 실제 선로를 일정 비율로 축소하여 전선로를 제작하였다. 이 때 축소비율 및 구조는 다음 표 1 및 그림 3과 같다.
축소 모의된 배전선로는 전력계통에 동요가 발생한 후 각 타입에 따른 전력계통의 과도현상을 예측하기 위해 도입되었다. 이는 변압기에 미치는 영향, 안테나 및 레이더, 송전선로, 변전소의 전계 및 배전계통의 해석 등에 이용되며 최근에는 EMTP(Electromagnetic Transient Program)와 같이 전력계통의 과도현상을 보다 혁신적으로 정밀하게 계산할 수 있는 해석적 기법과 함께 사용되고 있다.
대상 데이터
유도뢰 실험은 전주 4번과 직선거리로 2m 떨어진 접지면에 아크를 통해 전류를 인가하고, 제시된 실험조건을 통해 축소 모의된 배전선로의 유도뢰 전압을 측정하여 진행되었다. 데이터는 각 조건에서 20회를 측정하였으며, 이들의 평균을 취해 결과로 사용하였다. 제시된 실험조건은 표 2와 같다.
성능/효과
(2) 전주 7개소 모두가 각각 50Ω 이하의 접지시설이 되었을 때 전선로의 합성저항은 7.4Ω이었으며, 동일한 조건에서 접지 개소를 감소시키면 합성저항은 증가하며, 유도전압 및 유도전류 역시 증가하는 경향을 나타냈다.
(3) 전주 7개소 모두가 100Ω 이하로 접지시설이 되었을 때 전선로의 합성저항은 14.9Ω이었으며, 50Ω 이하로 7개 전주 모두를 접지했을 때에 비해 유도전압 및 유도전류는 크게 증가하지 않는 것으로 확인되었다.
상기의 결과에서 보여지듯 전주 모두를 100Ω 이하로 접지 시공했을 때보다 일부 개소만 접지했을 경우 합성저항 및 유도전압이 증가하였으며, 유도전류는 약간 감소한 것을 고려할 때 접지개소가 적고 접지저항이 커지면 시스템은 불안정한 것으로 판단된다.
측정점을 접지하지 않은 상태에서 전주 2개소를 50Ω 이하로 접지했을 때의 데이터를 표 5에 나타냈다. 전 선로의 합성저항은 21.8Ω이었으며, 인가 전류가 평균 236A 일 때 A상의 평균 유도전압은 1,393V, 평균 유도전류는 16.1A로 각각 측정되었다. 즉, 동일한 조건에서 측정점 비접지 시 접지 개소를 증가시키면 합성저항은 15Ω 감소하나 유도전압은 227V로 오히려 증가하였으며 이때의 유도전류는 차이가 거의 없음을 알 수 있다.
실험결과 전주 7개소 모두를 각각 50Ω의 접지시설이 되었을 때 측정된 주요 데이터는 표 3과 같다. 전선로의 합성저항은 7.4Ω이었으며, 인가 전류가 평균 230A 일 때 A상의 평균 유도전압은 1,052V, 평균 유도전류는 13.8A로 각각 측정되었다.
즉, 50Ω 이하로 7개 전주 모두를 접지했을 때에 비해 합성저항은 두 배 가까이 증가하였지만 유도전압 및 유도전류는 크게 증가하지 않는 것으로 확인되었다.
즉, 동일한 조건에서 측정점 비접지 시 접지 개소를 증가시키면 합성저항은 15Ω 감소하나 유도전압은 227V로 오히려 증가하였으며 이때의 유도전류는 차이가 거의 없음을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유도뢰의 특징은?
반면 유도뢰는 건물 또는 시설 주변에 낙뢰가 쳐 통신, 전기 등 설비에 영향을 미치는 경우 또는 뇌운 상호간 또는 뇌운과 대지 사이에 방전이 발생하는 경우, 뇌운 아래의 전력선에 이상전압을 발생시키는 경우 등이 있다. 이러한 유도뢰는 직격뢰에 비해서 발생빈도가 많고 60㎸ 이하의 송전선에서는 유도뢰전압에 의해서 섬락을 일으킬 수 있다. 유도뢰에 대한 전압 계산 및 실험 등에 대한 연구는 송전선, 배전선과 같은 전력선을 대상으로 하고 있으나 국내에서는 연구가 미진한 실정이다[4-5].
직격뢰란?
낙뢰는 직격뢰와 유도뢰 두 가지로 구분된다. 직격뢰는 건물 또는 시설이 낙뢰에 직접 맞는 것을 말한다. 반면 유도뢰는 건물 또는 시설 주변에 낙뢰가 쳐 통신, 전기 등 설비에 영향을 미치는 경우 또는 뇌운 상호간 또는 뇌운과 대지 사이에 방전이 발생하는 경우, 뇌운 아래의 전력선에 이상전압을 발생시키는 경우 등이 있다.
배전선로의 접지저항 크기 및 접지개소 등에 따른 유도뢰의 차폐효과를 분석하기 위해서 현행 22.9㎸ 중성점 다중 접지방식의 배전선로 구조를 축소한 모의실험 분석에서 얻은 결과는?
(1) 축소 제작된 전선로의 전주는 7개이며, 유도뢰 인가는 임펄스 제너레이터(impulse generator)를 이용하여 전선로로 부터 직각 방향으로 2m 떨어진 지점에서 접지면(ground plane)에 인가하였다. 인가된 전류에 의해 전선로에 유도전압이 발생하고 유도전류가 흐르면 오실로스코프를 이용하여 A상의 유도전압 및 유도전류를 각각 측정하였다.
(2) 전주 7개소 모두가 각각 50Ω 이하의 접지시설이 되었을 때 전선로의 합성저항은 7.4Ω이었으며, 동일한 조건에서 접지 개소를 감소시키면 합성저항은 증가하며, 유도전압 및 유도전류 역시 증가하는 경향을 나타냈다.
(3) 전주 7개소 모두가 100Ω 이하로 접지시설이 되었을때 전선로의 합성저항은 14.9Ω이었으며, 50Ω 이하로 7개 전주 모두를 접지했을 때에 비해 유도전압 및 유도전류는 크게 증가하지 않는 것으로 확인되었다.
따라서 축소 제작된 전선로의 해석에서 알 수 있듯이 전주의 접지저항을 낮게 유지하는 것도 중요하지만 더욱 중요한 것은 모든 전주를 접지 시공하는 것이 전선로의 안전성 측면에서는 유리함을 알 수 있다.
참고문헌 (11)
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C. A. Nucci, "Lightning-Induced Voltages on Distribution Systems : Influence of Ground Resistivity and System Topology", Journal of Lightning Research, Vol.1, pp.148-157, 2007.
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