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문제 정의
- 본 논문에서는 접지전극 상호간의 전위간섭 및 그의 주파수의존성을 실제의 대지조건에서 수직접지전극의 대지표면전위상승에 대한 이론식을 이용하여 전위간섭계수를 검토하고 전위간섭영향을 평가하는 간이적 방법을 도출하였다. 또한 고주파수를 포함하는 뇌전류 또는 고장전류가 유입되었을 때 접지전극의 전위간섭에 대한 주파수의존성을 분석하였고, 임펄스전류가 유입되었을 때 접지 전극 상호간 전위간섭영향에 대하여 평가하고 검토하였다.
- 즉, 식 (5)은 대지표면전위를 기반으로 나타낸 수직접지전극의 전위간섭계수이다. 본 논문에서는 수직접지전극에 의한 전위간섭을 식 (5)으로 표현되는 해석적 방법을 제안하여 폭 넓게 활용될 수 있도록 이 방법의 정확성을 검토하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 접지전극 상호간의 전위간섭 및 그의 주파수의존성을 실제의 대지조건에서 수직접지전극의 대지표면전위상승에 대한 이론식을 이용하여 전위간섭계수를 검토하고 전위간섭영향을 평가하는 간이적 방법을 도출하였다. 또한 고주파수를 포함하는 뇌전류 또는 고장전류가 유입되었을 때 접지전극의 전위간섭에 대한 주파수의존성을 분석하였고, 임펄스전류가 유입되었을 때 접지 전극 상호간 전위간섭영향에 대하여 평가하고 검토하였다.
- 수직 접지전극의 전위간섭을 측정하기에 앞서 측정 대상 접지전극의 접지임피던스의 측정에는 IEEE Std. 81.2-1991에서 제안한 전위강하법을 사용하였으며[6], 전위보조전극과 전류보조전극을 측정대상 접지전극의 길이의 10배 이상 이격된 위치에 설치하여 도전유도에 의한 오차를 적게 하였다[7].
- 정현파 교류 80[MHz]까지 발생시킬 수 있는 함수발생기와 DC-250[MHz]의 주파수대역을 갖는 전력증폭기를 이용하여, 측정대상 접지전극에 시험전류를 인가하였으며, 전위보조전극과 측정대상 접지전극 사이에서 측정한 전위차를 기반으로 접지임피던스를 산출하고 접지임피던스의 주파수의존성을 분석하였다. 시험용 접지전류는 50[MHz]의 측정주파수 대역을 갖는 전류프로브로 그리고 전위차는 100[MHz]의 주파수대역을 갖는 능동형 차동전압프로브로 측정하였다.
- 정현파 교류 80[MHz]까지 발생시킬 수 있는 함수발생기와 DC-250[MHz]의 주파수대역을 갖는 전력증폭기를 이용하여, 측정대상 접지전극에 시험전류를 인가하였으며, 전위보조전극과 측정대상 접지전극 사이에서 측정한 전위차를 기반으로 접지임피던스를 산출하고 접지임피던스의 주파수의존성을 분석하였다. 시험용 접지전류는 50[MHz]의 측정주파수 대역을 갖는 전류프로브로 그리고 전위차는 100[MHz]의 주파수대역을 갖는 능동형 차동전압프로브로 측정하였다.
- 접지전극의 전위상승은 접지임피던스와 직접적으로 상관성을 가지므로 접지전위간섭의 주파수의존성을 평가하기 위해서는 접지임피던스의 주파수의존성을 알아 볼 필요가 있다. 수직 접지전극 상호간 전위간섭을 분석하기 위해 우선적으로 측정대상의 수직 접지 전극의 접지임피던스와 위상차를 측정하였다. 접지전류의 주파수에 따른 접지임피던스의 변동특성은 PC 기반형 접지임피던스 분석기로 측정하였다.
- 수직 접지전극 상호간 전위간섭을 분석하기 위해 우선적으로 측정대상의 수직 접지 전극의 접지임피던스와 위상차를 측정하였다. 접지전류의 주파수에 따른 접지임피던스의 변동특성은 PC 기반형 접지임피던스 분석기로 측정하였다. 측정대상인 반경 7.
- 임펄스전류에 대한 접지시스템의 성능을 규약접지 임피던스로 평가하므로 임펄스전류에 의한 전위간섭 평가의 지표로 삼기 위해 임펄스전류에 대한 측정대상 접지전극의 규약접지임피던스를 측정하였다. 측정 결과는 그림 7과 같으며, 파두시간이 짧을수록 규약접지임피던스가 감소하는 용량성 특성으로 나타났다.
- 본 논문에서는 반경 7.5[mm], 길이 1.8[m]인 수직접지전극 상호간의 전위간섭계수를 실측을 통하여 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 수직 접지전극 상호간의 전위간섭을 분석하기 위해 반경 7.5[mm], 길이 1.8[m]인 접지전극을 설치하고 그림 2와 같이 전위간섭을 평가하는 실험계를 구성하였다.
- 접지전류의 주파수에 따른 접지임피던스의 변동특성은 PC 기반형 접지임피던스 분석기로 측정하였다. 측정대상인 반경 7.5[mm], 길이 1.8[m] 수직 접지전극의 접지 임피던스와 위상차를 인가전류의 주파수를 100[Hz]에서 1[MHz]까지 변화시키며 측정한 결과를 그림 3에 나타내었다. 검출전극의 설치에 따른 측정대상 접지 전극의 접지임피던스의 영향을 검토하기 위해 검출전극의 설치 수를 파라미터로 측정한 접지임피던스를 함께 나타내었으며, 검출전극의 설치에 따른 접지임피던스의 변동은 1[Ω] 이하로 실험결과와 이의 경향성에 대한 영향은 무시할 정도인 것으로 판단된다.
- 본 연구의 분석대상인 반경 7.5[mm], 길이 1.8[m]인 수직 접지전극을 대지저항률 108[Ω·m]인 장소에 접지전극의 상단이 지표면에서 0.5[m]인 위치에 놓이도록 설치한 경우 인가전류 1[A]에 대한 대지표면의 전위분포를 그림 4에 나타내었다.
성능/효과
- 검출전극의 설치에 따른 측정대상 접지 전극의 접지임피던스의 영향을 검토하기 위해 검출전극의 설치 수를 파라미터로 측정한 접지임피던스를 함께 나타내었으며, 검출전극의 설치에 따른 접지임피던스의 변동은 1[Ω] 이하로 실험결과와 이의 경향성에 대한 영향은 무시할 정도인 것으로 판단된다.
- 인가전류의 주파수 100[Hz]에서 측정된 수직 접지 전극의 접지저항은 약 52[Ω]을 나타내었으며, 주파수가 1[MHz]까지 증가함에 따라 접지 임피던스는 31[Ω]까지 감소하였다.
- 인가전류의 주파수 1[kHz]에서 측정된 전위간섭계수를 그림 5에 나타내었으며, 실험결과 측정대상 수직접지전극에서 가까울수록 전위간섭계수가 크게 나타났으며, 거리가 멀어짐에 따라 전위간섭계수가 감소하는 것으로 나타났다.
- 또한 CDEGS프로그램을 이용한 시뮬레이션 값과 식 (5)으로 산출한 결과를 비교하여 나타내었다. 위의 3가지 데이터 값을 비교하였을 때 수직 접지전극으로부터의 이격거리가 1[m] 이내의 경우 약간의 차이가 발생되는 것으로 나타났지만, 접지전극 간의 이격거리가 증가하면서 모든 값이 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 본 논문에서 제안하는 식 (5)의 전위간섭계수는 대지표면전위를 기반으로 하였으므로 1[m] 이내의 거리에서는 약간 작은 값을 보이나 그 이상의 거리에 대하여는 실측값과 거의 일치하였다.
- 본 논문에서 제안하는 식 (5)의 전위간섭계수는 대지표면전위를 기반으로 하였으므로 1[m] 이내의 거리에서는 약간 작은 값을 보이나 그 이상의 거리에 대하여는 실측값과 거의 일치하였다. 실제로 접지 전극 상호간 거리는 대략 2[m] 이상으로 시공하므로 본 연구에서 제안하는 전위간섭의 평가방법을 적용하여도 높은 정확도의 확보가 가능한 것으로 볼 수 있다. 길이 1.
- 접지전극 상호간의 이격거리를 파라미터로 하여 측정한 전위간섭계수의 주파수의존성을 그림 6에 나타내었다. 전위간섭계수는 저주파수의 결과와 마찬가지로 고주파수일 때도 측정대상 수직 접지전극에 가까울수록 크고, 접지전극 간의 이격거리가 멀어짐에 따라 전위간섭계수는 감소하는 것으로 나타났다. 측정 대상 수직 접지전극과 검출전극 사이의 거리가 0.
- 전위간섭계수는 저주파수의 결과와 마찬가지로 고주파수일 때도 측정대상 수직 접지전극에 가까울수록 크고, 접지전극 간의 이격거리가 멀어짐에 따라 전위간섭계수는 감소하는 것으로 나타났다. 측정 대상 수직 접지전극과 검출전극 사이의 거리가 0.5[m], 1[m], 1.5[m]인 경우 전위간섭계수는 1[MHz]까지 약간 증가하는 추세를 보였으나 3[m], 5[m]의 거리에 대한 전위간섭계수는 주파수가 증가하여도 5[%] 이내의 차이를 보이면서 거의 일정하게 유지되었다. 따라서 측정대상 수직 접지전극의 경우 3[m] 이상의 거리만큼 이격시킬 경우 인가전류의 주파수에 의한 전위간섭계수에 대한 영향이 적은 것으로 판단된다.
- 본 실험조건의 경우 인가전류의 주파수가 높아짐에 따라 접지임피던스가 감소하는 용량성을 나타내었으며, 실제의 측정에서도 1[A]당 접지전위는 주파수가 높아짐에 따라 낮게 나타났다. 그러나 인가전류와 접지전위의 위상차의 측정에 나타난 바와 같이 인가전류의 주파수가 높아짐에 따라 위상차가 작아지는 경향 즉 용량성 경향이 낮아져 전위상승의 비로 평가되는 전위간섭계수는 인가전류의 주파수의 상승과 더불어 증가된 것으로 해석된다.
- 임펄스전류에 대한 접지시스템의 성능을 규약접지 임피던스로 평가하므로 임펄스전류에 의한 전위간섭 평가의 지표로 삼기 위해 임펄스전류에 대한 측정대상 접지전극의 규약접지임피던스를 측정하였다. 측정 결과는 그림 7과 같으며, 파두시간이 짧을수록 규약접지임피던스가 감소하는 용량성 특성으로 나타났다. 임펄스전류의 파두시간에 따른 전위간섭계수의 측정 결과를 그림 8에 나타내었다.
- 임펄스전류의 파두시간 20[㎲] 이상에서의 결과는 그림 5에 나타낸 인가전류의 주파수 1[kHz]에서의 전위간섭계수와 거의 일치하는 것을 알 수 있다. 또한 파두시간이 짧아질수록 전위간섭계수가 약간 상승하는 결과와 접지전극 간의 이격거리가 멀어질수록 상승 폭이 감소하는 것은 전위간섭계수의 주파수의존성과 동일한 경향성을 확인할 수 있다.
- (1) 수직 접지전극 주변에서 대지표면전위의 산출식을 기반으로 제안한 전위간섭의 평가방법은 접지전극 간의 이격거리가 1[ml 이상에서 정확도가 우수함이 확인되었다.
- (2) 수직 접지전극의 전위간섭계수는 접지전극 간 이격거리가 멀어짐에 따라 작아지며, 길이 1.8[m]인 수직 접지전극의 경우 접지전극의 길이의 4배 이상의 이격거리에서 5[%] 이하로 나타났다.
- (3) 길이 1.8[m]인 수직 접지전극 사이의 거리가 짧은 범위에서 전위간섭계수는 주파수가 높아질수록 약간 증가하며, 3[m] 이상의의 이격거리에서 주파수의존성은 미약하였다.
- (4) 전위상승은 접지임피던스와 직접 관련되며, 전위간섭계수는 비율적인 평가이어 전위간섭계수가 작더라도 전위상승은 클 수도 있으므로 전위 간섭의 영향은 접지전위상승값으로 평가하는 것이 바람직하다.
후속연구
- 8[m]인 수직 접지전극의 경우 약 7[m] 이상 이격거리에서 5[%] 이하의 전위간섭의 영향을 받을 것으로 예상된다. 이와 같은 간이적인 방법으로 높은 정확도로 접지전극 상호간의 전위간섭의 영향을 평가할 수 있으므로 접지설비의 신뢰성 확보에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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