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문제 정의
- 본 논문에서는 매설지선에 임펄스전류를 인가한 경우 매설지선의 길이별 대지구조에 따른 과도접지임피던스를 분석하여 다음과 같은 결론을얻었다.
- 본 논문에서는 매설지선의 길이별 대지구조와 임펄스전류의 인가위치에 따른 과도접지임피던스의 특성을 상호 비교하여 평가할 목적으로 2층 대지구조에 길이 25, 50[m]인 매설지선을 각각 설치하고 임펄스전류의 상승시간을 변화시키면서 과도접지임피던스와 규약접지임피던스를 측정하고 분석하였다. 특히 고주파수에 상응하는 상승시간이 짧은 영역에서의 과도적 특성에 대하여 집중적으로 검토하였다.
제안 방법
- 인위적으로 구성된 2층 대지구조에 그림 2 (b)와 (c)와 같이 길이 50[m], 25[m]인 매설지선을 설치하여 접지임피던스를 측정하였다. 매설지선의 길이별 인가전류와 전위상승의 전형적인 파형의 예를 그림 7에 나타내었다.
- 또한 측정대상 접지전극(E극)으로부터 P극 또는 C 극 사이의 이격거리를 도전유도에 의한 오차가 5[%] 이하가 되도록 측정대상 접지전극(E극)으로부터 P극과 C극을 각각 75[m] 이격시켰다. 접지전극의 정상상태 접지저항은 도전유도의 영향이 없는 61.
- 이때 인가전류는 주파수 대역이 0∼5[MHz]인 전류프로브로 측정하였으며, 접지전극의 전위는 최대 75[MHz]까지 측정할 수 있는 능동형 차동프로브로 측정하였다.
- 이때 인가전류는 주파수 대역이 0∼5[MHz]인 전류프로브로 측정하였으며, 접지전극의 전위는 최대 75[MHz]까지 측정할 수 있는 능동형 차동프로브로 측정하였다. 인가전류와 전위파형은 디지털 오실로스코프로 관측하여 과도접지임피던스와 규약접지임피던스를 산출하였다.
- 임펄스 전류의 크기는 10[A]로 하였으며, 임펄스전류발생장 치의 커패시터의 정전용량에 따라 임펄스전류의 상승 시간을 1∼60[㎲]의 범위에서 실험하였다.
- 임펄스전류는 측정대상 접지전극(E)과 전류보조전극(C) 사이에 인가하였고, 접지전위상승은 측정대상 접지전극(E)과 전위보조전극(P)간의 전위차로 측정하였다. 이때 인가전류는 주파수 대역이 0∼5[MHz]인 전류프로브로 측정하였으며, 접지전극의 전위는 최대 75[MHz]까지 측정할 수 있는 능동형 차동프로브로 측정하였다.
- 본 논문에서는 매설지선의 길이별 대지구조와 임펄스전류의 인가위치에 따른 과도접지임피던스의 특성을 상호 비교하여 평가할 목적으로 2층 대지구조에 길이 25, 50[m]인 매설지선을 각각 설치하고 임펄스전류의 상승시간을 변화시키면서 과도접지임피던스와 규약접지임피던스를 측정하고 분석하였다. 특히 고주파수에 상응하는 상승시간이 짧은 영역에서의 과도적 특성에 대하여 집중적으로 검토하였다.
대상 데이터
- 균질인 대지에서 50[m] 매설지선의 실험을 실시한 후 그림 2 (b)와 같이 50[m] 매설지선의 중앙을 기준으로 절반인 25[m]에 대한 토양을 폭 1[m], 깊이 1[m] 만큼 도전율이 높은 탄소를 혼합하여 2층 구조로 만들었다. 또한 그림 2 (c)와 같이 50[m] 매설지선의 중앙을 절단하여 다른 대지저항률의 토양에 매설된 길이 25[m] 매설지선 2개를 실험의 대상으로 하였다.
- 임펄스 전류의 크기는 10[A]로 하였으며, 임펄스전류발생장 치의 커패시터의 정전용량에 따라 임펄스전류의 상승 시간을 1∼60[㎲]의 범위에서 실험하였다. E극과 C극 사이의 전선은 인덕턴스의 영향을 줄이기 위하여 단면적 10[mm2]인 4심 케이블을 일괄하여 사용하였다.
이론/모형
- 임펄스전류에 의한 접지임피던스의 측정방법으로는 전자유도에 의한 측정오차를 최대한 줄이기 위하여 IEEE Std 81.2-1991에서 권고하고 있는 전류보조전극(C)을 전위보조전극(P)과 90[°] 혹은 180[°]가 되도록 설치하는 수정된 전위강하법을 적용하였다[7].
- 또한 측정대상 접지전극(E극)으로부터 P극 또는 C 극 사이의 이격거리를 도전유도에 의한 오차가 5[%] 이하가 되도록 측정대상 접지전극(E극)으로부터 P극과 C극을 각각 75[m] 이격시켰다. 접지전극의 정상상태 접지저항은 도전유도의 영향이 없는 61.8[%]법으로 측정하였다.
성능/효과
- (1) 상승시간이 짧은 임펄스전류에 대한 매설지선의 과도접지임피던스는 중앙점에 인가한 경우 작게 나타났으며, 대지저항률이 낮은 쪽에 인가한 경우 작게 나타났다.
- (2) 임펄스전류에 의한 과도접지임피던스의 크기는 규약접지임피던스와 유사한 경향을 가지므로 임펄스전류에 의한 과도접지임피던스로부터 접지임피던스의 주파수의존성을 추정할 수도 있다.
- (3) 매설지선의 과도접지임피던스는 임펄스전류의 인가위치 근방의 대지저항률에 크게 의존함으로, 매설지선을 시공할 장소의 대지구조를 정확히 파악하여 대지저항률이 낮은 곳에 접지전극을 시공하고 접지도선을 접속하는 것이 바람직하다.
- 50[m] 매설지선의 접지저항이 25[m] 매설지선의 접지저항보다 작지만 빠른 시간영역에서는 50[m] 매설지선의 인덕턴스 성분이 크게 작용한 것으로 보인다. 25[m] 매설지선과 50[m] 매설지선의 과도접지임피던스는 약 0.5[㎲]에서 교차점이 나타났으며, 0.5[㎲]이전에서는 50[m] 매설지선의 과도접지임피던스가 25[m] 매설지선의 과도접지임피던스보다 높으며, 0.5[㎲]이후에는 반대로 50[m] 매설지선의 과도접지임피던스가 25[m] 매설지선의 과도접지임피던스보다 낮게 나타났으며, 시간이 길어짐에 따라 각각 접지저항에 수렴하는 것을 알 수 있다. 또한 2층 대지구조에서 50[m] 매설지 선의 Low와 High 위치에서의 과도접지임피던스는약 8[㎲]이전에서 시간이 짧을수록 Low 인가점보다 High 인가점에서 더 크게 나타났으며, 약 8[㎲]이후에서 시간이 길어짐에 따라 접지저항에 수렴하는 것을 알 수 있다.
- 2층 대지구조에서 대지저항률이 낮은 쪽의 25[m] 매설지선, 대지저항률이 높은 쪽의 25[m] 매설지선, 그리고 50[m] 매설지선의 규약접지임피던스를 그림 9에 나타내었다. 2층 대지구조에서 대지저항률이 높은 쪽(High) 인가점에서 길이 25[m] 매설지선과 50[m] 매설지선의 규약접지임피던스는 약 2[㎲]이전에 유사한 추세를 나타냈으며, 이것은 2[㎲] 이하의 상승시간을 갖는 뇌서지전류에 대해서는 길이가 25[m]보다 짧은 매설지선의 길이가 유효함을 알 수 있다. 대지저항률이 낮은 쪽(Low) 인가점에서 길이 25[m] 매설지선과 50[m] 매설지선의 과도접지임피던스는 약 3[㎲] 이전에 유사한 추세를 나타내었다.
- 2층 대지구조에서 대지저항률이 높은 쪽에 매설된 25[m] 매설지선과 50[m] 매설지선의 High 위치에 임펄스전류를 인가하여 산출한 과도접지임피던스를 비교한 결과, 25[m] 매설지선과 50[m] 매설지선의 과도 접지임피던스는 약 0.9[㎲]에서 교차점이 나타났다. 0.
- 이런 특성은 빠른 시간영역에서 전류가 주로 인가위치 근방에 흐르기 때문에 인가위치 근방의 대지저항률에 크게 의존한다고 판단된다. 2층 대지구조의 대지와 균질인 대지에 설치된 50[m] 매설지선의 과도접지임피던스를 비교한 결과, 2층 대지구조에 설치된 50[m] 매설지선의 High 인가점(③)과 대지저항률이 균질인 대지에 설치된 50[m] 매설지선의 끝단(①)에서 과도접지임피던스의곡선이 0.4[㎲]이전에 거의 일치하였다.
- 대지저항률이 낮은 쪽(Low) 인가점에서 길이 25[m] 매설지선과 50[m] 매설지선의 과도접지임피던스는 약 3[㎲] 이전에 유사한 추세를 나타내었다. 3[㎲] 이하의 상승시간을 갖는 뇌서지전류에 대해서는 길이가 25[m]보다 짧은 매설지선의 길이가 유효함을 알 수 있다.
- 이는 Low 인가점 주위의 대지저항률은 약 150[Ωㆍm]이고, High 인가점 주위의 대지저항률은 약 376[Ωㆍm]으로 측정점 근방의 대지저항률의 영향을 크게 받는 것을 알 수 있다. 또한 대지구조와 상관없이 인가전류가한 방향으로 흐르는 끝단보다 전류가 양방향으로 분기되는 중앙점에 임펄스전류를 인가할 때 전위상승이 낮게 나타났다.
- 빠른 시간영역에서 2층 대지구조에 설치된 50[m] 매설지선의 과도접지임피던스는 임펄스전류를 끝단보다 중앙에 인가할 때 낮게 나타났으며, 대지저항률이 높은 High 인가점보다 낮은 Low 인가점에서 과도 접지임피던스가 낮게 나타났다. 이런 특성은 빠른 시간영역에서 전류가 주로 인가위치 근방에 흐르기 때문에 인가위치 근방의 대지저항률에 크게 의존한다고 판단된다.
- 임펄스전류를 접지전극에 인가하였을 때 저항률이 균질인 대지보다 2층 대지구조로 변경 후 설치한 50[m] 매설지선의 전위상승이 낮게 나타났다. 그리고 2층 대지구조에서 그림 4 (b)와 같이 Low 인가점보다 High 인가점의 전위상승이 더 높게 나타났다.
- 대지구조에 따른 50[m] 매설지선의 규약접지임피던스를 측정하여 임펄스전류의 인가위치별로 도시한 결과를 그림 6에 나타내었다. 임펄스전류의 상승시간의 변화에 따른 규약접지임피던스의 특성은 그림 5의 과도접지임피던스의 특성과 비슷한 양상으로, 대지구 조에 크게 의존하는 것으로 나타났다. 저항률이 균질인 대지에 매설한 경우 임펄스전류를 중앙점에 인가한 경우 규약접지임피던스는 용량성으로 나타났다.
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