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문제 정의
- 최근 정보통신설비의 보급의 확충과 기후변화로 인한 낙뢰 발생빈도의 증가에 따라 전자기기와 컴퓨터 기반의 IT설비의 뇌서지 피해가 급증하고 있다[6]. 본 논문에서는 배전계통의 중성선을 통하여 침입하는 뇌서지의 저감에 효과적인 계통접지방식의 적용에 기초 자료를 확보하기 위해서 기존의 TT계통과 TN계통에 대한 뇌서지로부터 저압 설비의 보호를 위한 성능을 실험적으로 평가하였으며, 뇌서지에 의한 저압 기기의 보호를 위한 기법을 제안하였다.
- 단독 수용가의 경우 전원선 뿐만 아니라 TV안테나 또는 CATV케이블을 통하여도 서지가 침입할 수 있으며[8], 이 경우 입사하는 서지전압은 전원회로의 중성선에 침입한 때와 큰 차이가 있다. 본 연구에서는 CATV케이블을 통하여 뇌서지가 입사된 경우 저압기기에 미치는 영향을 평가하였다.
제안 방법
- 수용가에 저압 전원을 공급하는 주상변압기를 5[kVA] 용량의 절연변압기로 대체하였으며 변압기로부터 수용가의 분전반까지의 거리를 20[m]로 상정하였다. 10[Ω]의 접지저항을 갖는 접지극을 설치하여 제 2종 접지로 하였으며, 저압 수용가의 제 3종 접지를 위해 수용가 건물의 외곽에 20[Ω]의 접지저항을 갖는 접지극을 시설하였다. 수용가 건물의 금속구조체 접지의 접지저항은 2.
- CATV케이블에 뇌서지가 인가된 경우 인가전압을 높일 수 없는 TN계통에서 등전위본딩을 한 경우에 대하여는 1[kV]의 인가전압에 대한 결과만 산출하였다.
- CATV케이블에 뇌서지가 입사하는 것을 모의하기 위해 그림 1의 실험계에서 CATV케이블의 심선과 수용가의 금속구조체 사이에 임펄스전압을 인가하였다. TT계통에서 제3종 접지저항에 의해 인가되는 전류의 크기가 좌우되기 때문에 각 접지시스템별 동일한 조건에서의 비교를 위해 CATV케이블과 구조체(Ⓒ) 사이에 뇌서지전압을 인가하고 전압 Vab와 Vac를 측정하였다.
- TT, TN 계통에서 전원회로의 중성선 또는 CATV 케이블에 낙뢰가 침입한 경우 수용가 내의 접지단자와 중성선 또는 구조체 사이에 나타나는 전압을 측정/분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- TT계통에서 제3종 접지저항 또는 TN계통에서 추가접지저항의 크기에 따른 영향을 분석하기 위해 시공된 20[Ω]의 접지에 무유도 탄소피막저항을 직렬로 연결하여 제3종 접지 또는 추가접지저항을 20, 50, 100[Ω]으로 바꾸어 가며 실험하였다.
- CATV케이블에 뇌서지가 입사하는 것을 모의하기 위해 그림 1의 실험계에서 CATV케이블의 심선과 수용가의 금속구조체 사이에 임펄스전압을 인가하였다. TT계통에서 제3종 접지저항에 의해 인가되는 전류의 크기가 좌우되기 때문에 각 접지시스템별 동일한 조건에서의 비교를 위해 CATV케이블과 구조체(Ⓒ) 사이에 뇌서지전압을 인가하고 전압 Vab와 Vac를 측정하였다. 일반적으로 통신선 및 CATV 수신기 앞단에 SPD를 설치하여 뇌서지에 대한 보호를 하고 있기 때문에 본 연구에서도 CATV케이블에 뇌서지가 침입한 경우 SPD가 동작하여 서지전류가 접지로 흐르는 것을 모의하였다.
- 실험계에서 수용가 인입구에 스위치를 설치하여 저압 설비를 TT계통 또는 TN계통으로 전환할 수 있도록 하였으며, 스위치의 조작상태에 따른 접지계통을 표 1에 나타내었다. 뇌서지가 저압 수용가에 침입하는 경로는 크게 전원선과 CATV 케이블 등이며[7], 본 논문에서는 전원선의 중성선 또는 CATV 케이블을 통하여 뇌서지가 침입한 경우에 대한 전원계통별 기기의 외함과 중성점 또는 기기접지단자와 건물 구조체 접지 사이에 나타나는 전압을 측정하여 뇌서지레벨의 저감효과를 분석하였다.
- TT계통에서 제3종 접지저항 또는 TN계통에서 추가접지저항의 크기에 따른 영향을 분석하기 위해 시공된 20[Ω]의 접지에 무유도 탄소피막저항을 직렬로 연결하여 제3종 접지 또는 추가접지저항을 20, 50, 100[Ω]으로 바꾸어 가며 실험하였다. 또한 bc 사이에 SW4를 연결하여 등전위본딩의 유무에 따른 뇌서지의 저감 특성을 비교하였다. 인가된 임펄스전류는 20[MHz]의 주파수대역을 갖고 5[kA]까지 측정할 수 있는 전류프로브를 이용하여 검출하였으며, 중성선과 외함사이의 전위차(Vab)와 중성선과 제3종 접지의 전위차(Vac)를 4.
- TN계통은 TN-C, TN-S 및 TN-C-S계통으로 분류되며[7], 본 연구에서는 TN-C-S계통을 실험대상으로 하였다. 또한 보호도체에 수용가 인입구에서 추가 접지를 한 경우를 모의하여 기존에 널리 사용되는 방식인 TT계통에서 TN계통으로 전환할 수 있는 접지방식에 대한 분석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 우리나라의 배전계통의 가공지선에 낙뢰가 치거나 유도뢰에 의해 중성선을 통하여 뇌서지가 침입한 경우 저압 설비에 인가되는 뇌서지레벨을 저감시켜 보호하는 성능을 분석하기 위해 저압수용가를 모의하는 그림 1과 같은 실험계를 구성하였다. 수용가에 저압 전원을 공급하는 주상변압기를 5[kVA] 용량의 절연변압기로 대체하였으며 변압기로부터 수용가의 분전반까지의 거리를 20[m]로 상정하였다.
- 본 연구에서는 우리나라의 배전계통의 가공지선에 낙뢰가 치거나 유도뢰에 의해 중성선을 통하여 뇌서지가 침입한 경우 저압 설비에 인가되는 뇌서지레벨을 저감시켜 보호하는 성능을 분석하기 위해 저압수용가를 모의하는 그림 1과 같은 실험계를 구성하였다. 수용가에 저압 전원을 공급하는 주상변압기를 5[kVA] 용량의 절연변압기로 대체하였으며 변압기로부터 수용가의 분전반까지의 거리를 20[m]로 상정하였다. 10[Ω]의 접지저항을 갖는 접지극을 설치하여 제 2종 접지로 하였으며, 저압 수용가의 제 3종 접지를 위해 수용가 건물의 외곽에 20[Ω]의 접지저항을 갖는 접지극을 시설하였다.
- 실험계에서 수용가 인입구에 스위치를 설치하여 저압 설비를 TT계통 또는 TN계통으로 전환할 수 있도록 하였으며, 스위치의 조작상태에 따른 접지계통을 표 1에 나타내었다. 뇌서지가 저압 수용가에 침입하는 경로는 크게 전원선과 CATV 케이블 등이며[7], 본 논문에서는 전원선의 중성선 또는 CATV 케이블을 통하여 뇌서지가 침입한 경우에 대한 전원계통별 기기의 외함과 중성점 또는 기기접지단자와 건물 구조체 접지 사이에 나타나는 전압을 측정하여 뇌서지레벨의 저감효과를 분석하였다.
- 또한 bc 사이에 SW4를 연결하여 등전위본딩의 유무에 따른 뇌서지의 저감 특성을 비교하였다. 인가된 임펄스전류는 20[MHz]의 주파수대역을 갖고 5[kA]까지 측정할 수 있는 전류프로브를 이용하여 검출하였으며, 중성선과 외함사이의 전위차(Vab)와 중성선과 제3종 접지의 전위차(Vac)를 4.4[kV], 200[MHz]의 측정범위를 갖는 고전압 차동프로브를 이용하여 검출하였다. 프로브에 검출된 신호는 2.
- TT계통에서 제3종 접지저항에 의해 인가되는 전류의 크기가 좌우되기 때문에 각 접지시스템별 동일한 조건에서의 비교를 위해 CATV케이블과 구조체(Ⓒ) 사이에 뇌서지전압을 인가하고 전압 Vab와 Vac를 측정하였다. 일반적으로 통신선 및 CATV 수신기 앞단에 SPD를 설치하여 뇌서지에 대한 보호를 하고 있기 때문에 본 연구에서도 CATV케이블에 뇌서지가 침입한 경우 SPD가 동작하여 서지전류가 접지로 흐르는 것을 모의하였다.
- 전원계통의 중선선에 뇌서지가 입사되는 경우 접지방식에 따른 중성선과 저압 기기의 외함 사이의 전위차를 중점적으로 평가하였다. 저압 수용가를 모의하는 모델회로에서 그림 1과 같이 변압기 2차측 중성선과 수용가의 금속 구조체(Ⓒ) 사이에 임펄스전압을 인가하였다.
- 조합형 임펄스발생장치를 이용하여 실험조건에 따라 뇌서지 전압 및 전류의 크기에 따른 분석을 수행하였다. TT계통에서 제3종 접지저항 또는 TN계통에서 추가접지저항의 크기에 따른 영향을 분석하기 위해 시공된 20[Ω]의 접지에 무유도 탄소피막저항을 직렬로 연결하여 제3종 접지 또는 추가접지저항을 20, 50, 100[Ω]으로 바꾸어 가며 실험하였다.
- 저압 수용가를 모의하는 모델회로에서 그림 1과 같이 변압기 2차측 중성선과 수용가의 금속 구조체(Ⓒ) 사이에 임펄스전압을 인가하였다. 중성선과 구조체 사이에 인가된 임펄스전류의 크기에 따른 ab와 ac사이의 전위차 Vab와 Vac를 측정하고, 이의 결과를 검토하였다.
- 4[kV], 200[MHz]의 측정범위를 갖는 고전압 차동프로브를 이용하여 검출하였다. 프로브에 검출된 신호는 2.5[GS/s], 500[MHz]의 성능을 갖는 디지털 오실로스코프를 통하여 관측하였으며, 인가전류 또는 인가전압에 대한 피크값을 나타내었다.
대상 데이터
- TN계통은 TN-C, TN-S 및 TN-C-S계통으로 분류되며[7], 본 연구에서는 TN-C-S계통을 실험대상으로 하였다. 또한 보호도체에 수용가 인입구에서 추가 접지를 한 경우를 모의하여 기존에 널리 사용되는 방식인 TT계통에서 TN계통으로 전환할 수 있는 접지방식에 대한 분석을 수행하였다.
성능/효과
- (1) TT계통의 경우 뇌서지가 전원회로의 중성선 또는 CATV케이블에 침입하였을 때 기기의 접지와 중성선 사이에 큰 전위차가 발생하여 뇌서지에 대한 보호성능이 매우 취약한 것으로 나타났다.
- (2) TN계통은 기기의 접지단자와 중성선이 접속되어 있기 때문에 상호간에 전위차가 거의 발생하지 않으므로 기기의 절연보호에 적합한 것으로 나타났다. 하지만 등전위본딩을 하지 않은 경우 저압 기기의 외함에 접촉하고 있는 사람에게 서지전압이 인가되므로 감전의 위험성이 있다.
- (3) 추가접지를 한 TN계통도 중성선과 기기의 외함이 접속되며, 추가접지저항이 작을수록 중성선의 전위상승을 낮출 수 있는 접지방식이다.
- (4) TT계통에 방전갭을 설치하여 추가접지된 TN계통으로 전환하는 경우 중성선과 기기 외함 사이의 전위차를 방전갭의 제한전압에 따라 일정하게 유지할 수 있어 뇌서지에 대하여 저압기기의 절연보호를 할 수 있다.
- 인가된 임펄스전류의 크기에 따른 접지단자에 침입한 서지전압의 측정결과를 그림 3에 나타내었다. TT접지계통에서 중성선과 접지단자 또는 구조체 사이에 발생되는 전위차 Vab 또는 Vac는 서지전류가 모두 제2종 접지로 흐르기 때문에 제3종 접지저항의 크기와는 상관없이 인가전류의 증감에 따라 변화하는 것으로 나타났다. 이 경우 중성선과 접지단자 사이의 전위차가 기기의 절연내력전압 보다 높으면 부하기기의 절연파괴가 발생하게 된다.
- 반면 TN계통의 경우 ab간에는 매우 작은 전위차만이 발생하여 기기의 절연보호에 우수한 것으로 판단되며 등전위본딩을 함으로써 입사하는 서지전압의 크기에 관계없이 일정한 전위차를 유지할 수 있기 때문에 감전의 위험성을 배제할 수 있다. 추가접지를 한 TN계통에서도 추가접지저항의 크기에 상관없이 ab 사이의에 전위차는 매우 작았으며, 기기의 절연보호에 적합한 것으로 판단된다.
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