[논문]침상 접지봉의 임펄스접지임피던스에 미치는 지중방전의 영향

유양우; 조성철; 이복희

doi:10.5207/jieie.2014.28.5.098

침상 접지봉의 임펄스접지임피던스에 미치는 지중방전의 영향
Effects of Soil Discharges on the Impulsive Ground Impedance of Ground Rod with Needles 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.28 no.5, 2014년, pp.98 - 105

유양우 (인하대학교 대학원 전기공학과) , 조성철 (인하대 대학원, 기초전력연구원 전력시험설비센터) , 이복희 (인하대학교 IT공대 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Soil discharges near the ground rod play an important role to reduce the ground potential rise and the ground impedance and to help the fault current to spread into the earth. This paper presents the effects of soil discharges on the transient and conventional ground impedances when the lightning impulse voltage was applied to a ground rod with radial needles. The current-voltage (I-V)curves and transient ground impedance curves were calculated based on the measured current and potential traces. Soil discharge behaviors related to I-V curves and transient ground impedance curves were analyzed as a function of the magnitude of lightning impulse voltages. As a result, the soil discharges occurred near the ground electrode contribute to the reduction of conventional ground impedance and limits the ground potential rise effectively under lightning impulse voltages.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 뇌서지에 대한 과도접지임피던스의 저감을 위해 사용되고 있는 침상 접지봉에 발생하는 지중방전에 의한 접지전위의 변동과 임펄스접지임피던스에 관련된 전기적/물리적 현상의 해명을 목적으로 모델실험을 수행했다. 모델접지실험장을 구축하여 침상 접지봉을 수직으로 설치하고 지중방전을 수반한 임펄스접지임피던스를 측정하고 분석하는 연구를 수행했다.
본 논문에서는 토양에 매설된 침상 접지극에 임펄스 전압이 입사한 때 접지극의 침단에서 발생하는 방전으로 인한 전위상승의 저감과 접지임피던스의 변동특성을 분석하기 위한 실험적 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
전력회사나 피뢰접지를 시공하는 업체에서 암반 또는 산악지역의 송전철탑, 통신기지, 기타 낙뢰로 부터 보호가 필요한 구조물에 설치하고 있다. 본 연구에서는 침상 접지극에서 발생하는 지중방전에 의한 전위상승의 저감효과를 분석하기 위한 실험적 연구를 수행했다.

가설 설정

입력전압의 크기에 대한 접지극의 전위상승의 비율의 측정결과를 그림 6에 나타내었다. 입력전압의 크기에 대한 접지극의 전위상승의 비율은 입력전압의 크기의 증가에 따라 감소하였으며, 입력전압 120kV일 때 약 83%로 지중방전이 발생하지 않았다고 가정하면 실험회로의 특성에 의해 분압된 것이다. 이에 비해 입력전압 520kV일 때 입력전압에 대한 전위상승비율이 약 62%로 지중방전에 의해 전위상승의 영향이 약 20% 저감된 것으로 볼 수 있다.

제안 방법

우리나라 야산에 흔히 산재되어 있는 비교적 저항률이 큰 마사토를 시료토양으로 선정하였으며, 뇌임펄스전압을 입사하였을 때 방전전류와 방전전압을 측정하여 방전전류전압곡선(I-V 곡선)을 산정하고 분석하여 접지극주위에서 발생하는 지중방전이 과도접지임피던스에 미치는 영향을 검토했다. 또한 입사하는 임펄스 전압의 크기에 따른 접지극의 전위 및 규약접지임피던스의 변동 특성에 대하여 중점적으로 분석/검토했다.
본 논문에서는 뇌서지에 대한 과도접지임피던스의 저감을 위해 사용되고 있는 침상 접지봉에 발생하는 지중방전에 의한 접지전위의 변동과 임펄스접지임피던스에 관련된 전기적/물리적 현상의 해명을 목적으로 모델실험을 수행했다. 모델접지실험장을 구축하여 침상 접지봉을 수직으로 설치하고 지중방전을 수반한 임펄스접지임피던스를 측정하고 분석하는 연구를 수행했다. 우리나라 야산에 흔히 산재되어 있는 비교적 저항률이 큰 마사토를 시료토양으로 선정하였으며, 뇌임펄스전압을 입사하였을 때 방전전류와 방전전압을 측정하여 방전전류전압곡선(I-V 곡선)을 산정하고 분석하여 접지극주위에서 발생하는 지중방전이 과도접지임피던스에 미치는 영향을 검토했다.
모델접지실험장을 구축하여 침상 접지봉을 수직으로 설치하고 지중방전을 수반한 임펄스접지임피던스를 측정하고 분석하는 연구를 수행했다. 우리나라 야산에 흔히 산재되어 있는 비교적 저항률이 큰 마사토를 시료토양으로 선정하였으며, 뇌임펄스전압을 입사하였을 때 방전전류와 방전전압을 측정하여 방전전류전압곡선(I-V 곡선)을 산정하고 분석하여 접지극주위에서 발생하는 지중방전이 과도접지임피던스에 미치는 영향을 검토했다. 또한 입사하는 임펄스 전압의 크기에 따른 접지극의 전위 및 규약접지임피던스의 변동 특성에 대하여 중점적으로 분석/검토했다.
지중방전을 수반하는 침상 접지극의 임펄스접지임피던스를 측정하기 위해 그림 1과 같은 실험계를 구성하였다. 임펄스전압은 1.2/50㎲ 표준 뇌임펄스발생장치로 공급하였으며, 접지극의 전위상승과 접지극을 통해 대지로 방류되는 전류는 각각 용량성 분압기와 분류기로 측정하였다. 본 실험에 사용한 장비의 주요 명세를 표 1에 나타내었다.
접지극 주위의 지중방전특성 및 임펄스접지임피던스를 측정하기 위해 시료 토양에 접지극을 설치하는 모델접지실험조를 시설하였다. 방전시험조는 직경 2m 크기로 제작하였으며, 우천시에도 배수가 원활하게 이루어지도록 하였다.
토양의 조건이 기상조건에 따라 변동하지 않도록 맑은 날 주위온도가 20∼25℃의 상태에서 동일한 조건에서 3회 측정하여 재현성이 확보되는 것을 확인하고 중간값의 데이터를 취하는 방법으로 실험하였다.
과도접지임피던스의 측정은 측정전류에 의한 전자유도결합에 기인하는 오차를 줄이기 위해 전위보조전 극을 전류보조전극과 90°로 배치하는 방법을 주로 사용한다[7-8]. 하지만 본 연구에 적용한 800kV급 임펄스발생장치는 옥내에 설치된 고정형이며, 모든 측정시스템이 동일 접지에서 등전위를 이루므로 2전극법을 적용하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 마사토는 비교적 굵은 풍화암석 부스러기로 이루어져 있어서 수분함유량 약 3%에서 저항률은 770Ω·m이다.
시료 접지극은 지중방전을 의도적으로 활성화시켜 접지전위상승을 저감시키고자 적용하는 국내 시장에 유통되는 접지극을 크기만 축소한 형태이다. 접지극은 지중방전실험조의 크기를 고려하여 지름 12mm, 길이 300mm의 동복강 접지봉의 상부와 하부에 각각 단면적 1.5mm² , 길이 30mm인 8개의 침상 전극이 방사상으로 배치된 형상으로 제작하였다. 본 연구에 사용한 임펄스발생장치와 침상 접지극을 설치하는 과정의 사진을 그림 2에 나타내었다.

성능/효과

(1) 접지극에 흐르는 전류가 클수록 지중방전의 영향으로 전위상승과 접지임피던스의 저하가 현저하였다.
(2) 접지극에 흐르는 전류와 전위상승의 상관성을 평가한 I-V곡선은 전위상승 약 100kV 이상에서 토양의 이온화에 의해 폐루프를 이루었으며, 전위상승이 높아짐에 따라 I-V곡선의 폐루프면적은 증가하는 특성을 나타내었다.
(3) 임펄스전압에 대한 규약접지임피던스는 접지극전위상승에 반비례적으로 변동하며, 접지극의 전위상승이 3.3배 높아질 때 규약접지임피던스는 약 1/5로 감소하였다.
그러나 입력 전압이 400kV 이상에서는 지중방전의 영향으로 접지저항이 작아져 용량성 특성은 희미해지고 전형적인 유도성 특성으로 변이되었다. 또한 임펄스접지임피던스는 입력전압이 증가함에 따라 감소하였으며, 이는 전류파형에서는 관측할 수 없었지만 120kV 이상의 입력전압에 대하여 지중의 이온화가 발생됨을 의미한다. 입력전압의 증가에 따른 임펄스접지임피던스의 저감률은 300kV 이하에서 큰 것으로 나타났다.
2전극법은 전류보조극(C극)의 접지저항이 측정대상 접지극(E극)의 접지저항에 비해 충분히 작다는 조건을 만족하여야 하며 E극과 C극의 합성저항에 대한 C극 접지저항의 비에 해당하는 만큼의 오차가 포함된다. 본 측정회로에서 시료 접지극의 접지저항은 약 4.3kΩ이며, C극으로 사용된 접지시스템의 접지저항은 0.5Ω로 C극의 접지저항에 의한 오차는 0.1% 이하로 무시할 수 있을 정도이다.
임펄스접지임피던스는 입력전압이 비교적 낮아 토양의 이온화가 발생하는 경우 짧은 시간영역에서는 유도성 그리고 저항성을 경유하여 긴 시간영역에서는 용량성으로 천이되는 것으로 나타났다. 그러나 입력 전압이 400kV 이상에서는 지중방전의 영향으로 접지저항이 작아져 용량성 특성은 희미해지고 전형적인 유도성 특성으로 변이되었다.
입력전압의 크기에 따라 접지극을 통하여 흐르는 전류와 전위 상승의 피크값에 대한 측정결과를 그림 5에 나타내었다. 입력전압 440kV 이상에서 접지극의 전류의 증가율이 크지만 전위상승은 둔화되는 것으로 나타났다.
입력전압의 크기가 증가함에 따라 접지극에 흐르는 전류는 거의 선형적으로 증가하였으며, 440kV부터 약 1.5μs의 시점에서 지중방전에 의한 변곡점이 나타났다.
입력전압 200kV이상에서 접지임피던스에 상응하는 I-V곡선의 기울기가 전류의 크기에 따라 변동됨은 지중방전에 의해 접지임피던스가 변동하는 것을 나타내는 것이다. 입력전압의 크기가 증가함에 따라 지중 방전의 영향이 크게 작용하므로 V-I곡선의 루프면적은 증가하며, 접지극 주위의 토양에서 발생하는 방전이 과도접지임피던스에 매우 크게 영향을 주고 있음을 알 수 있다. 즉 지중방전이 발생하지 않은 경우 I-V곡선은 직선성을 유지하며 오옴의 법칙에 따르지만 지중방전이 발생하면 이에 의해 토양의 저항이 급격하게 감소하고 전류는 증가한다.
입력전압의 크기에 따라 I-V곡선에서 초기 상승부에서 전압의 피크까지 상승하는 정도와 이후 전압의 피크에서 전류의 피크까지 시계방향으로 회전한 후 감소하는 부분의 기울기 등이 매우 큰 차이를 보이며, 지중방전을 수반하는 영역이 존재함에 따라 방전의 정도에 따라 전류를 기준으로 할 때 2차 피크를 형성 하는 것을 알 수 있다. 입력전압이 증가할수록 접지임피던스는 낮은 입력전압에 비하여 전류파형 상승부보다 더 많이 감소하여 일정하게 유지되는데 이것은 지중방전특성에 따른 전위상승의 감소와 전류의 증가로 인하여 나타나는 것이다.
접지극의 전위상승의 파형에서 보면 440kV 이상의 입력전압에서 변곡점인 약 1.5μs 이후 지중방전으로 전위상승이 현저하게 저감되는 것으로 나타났다.
그러나 입력전압이 높아짐에 따라 접지극의 전위상승과 전류 파형은 변형되었다. 즉 접지극의 침상 전극 주위에서 발생하는 지중방전의 영향으로 접지극의 전위상승과 전류 파형의 피크를 나타낸 시간이 일치하지 않았으며, 전위상승은 피크값을 지나 급격히 저하하고. 전류는 증가하여 피크까지의 시간은 길어졌다.
지중방전이 발생하지 않은 것으로 여겨지는 접지극의 전위상승이 100kV일 때 규약접지임피던스는 약 1,420Ω이며, 전위상승이 330kV일 때 규약접지임피던스는 약 265Ω으로 감소하였다. 230kV의 전위상승에 따른 지중방전으로 규약접지임피던스는 약 1/5 이하로 감소하였다.
입력전압을 파라미터로 하여 시료 접지극을 통해 흐르는 전류와 접지극의 전위상승 파형, 그리고 입력전압에서 접지극의 전위상승을 뺀 실험회로의 전압강하에 대한 측정결과의 대표적인 예를 그림 3에 나타내었으며, 입력전압이 높은 범위에서 방전이 발생하는 것을 알 수 있다. 토양의 이온화가 발생하지 않은 입력 전압 120kV에서 접지극의 전위상승 파형은 입력전압과 유사하고 피크시간도 거의 일치하는 파형을 나타내었다. 그러나 입력전압이 높아짐에 따라 접지극의 전위상승과 전류 파형은 변형되었다.

후속연구

(4) 지중방전은 접지극의 전위상승과 접지임피던스를 저감시키는데 기여하며 침상 접지극은 지중 방전을 수반하지 않는 접지극에 비하여 대지저항률이 큰 장소에 시설하는 송전선로의 가공지선과 피뢰설비의 접지성능 향상에 효과적이어 활용이 기대된다.
또한 대지저항률의 크기에 따른 임펄스접지임피던스의 저감에 대한 정량적인 분석을 위한 지속적인 연구가 이루어져야 활용성의 증대에 기여할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	접지극에 급격하게 변화하는 전류가 유입되면 어떤 변화가 생기는가?	뇌격전류와 같이 급격하게 변화하는 전류가 접지극에 유입되면 상용 주파수의 전류가 흐를 때와는 다르게 접지임피던스가 크게 변동한다[1-2]. 낙뢰에 의해 수십 - 수백 kA의 급격히 변동하는 서지전류가 접지극에 입사하면 전류의 시간적 변동 및 지중방전의 영향으로 접지임피던스는 정상상태의 접지저항과 매우 다른 특성을 나타낸다.
	임펄스전압과 전류 파형의 피크값, 상승시간, 반치도달시간 등의 파라미터 분석을 한 이후에 어떤 과정을 거치는가?	분압기 및 분류기로 검출된 임펄스전압과 전류 파형은 100MS/s의 A/D변환기를 거쳐 PC 기반의 파형해석기로 전송되며, 전압과 전류의 피크값, 상승시간, 반치도달시간 등의 파라미터 분석이 이루어진다. 이후 데이터 파일로 저장되어 데이터 처리프로세스를 거친 후 LabVIEW(Ver. 2007)로 작성한 데이터 분석툴로 임펄스접지임피던스, I-V 곡선 등의 분석이 이루어진다.
	접지전위변동으로 발생하는 기능성 접지의 문제점을 해결하기 위해서는 어떤 분석이 필요한가?	최근 초소형 반도체 소자를 기반으로 하는 정보통신설비의 보급으로 과도적인 접지 전위상승에 관련된 전기자기적합성에 관심이 집중되고 있다. 접지전위변동으로 발생하는 기능성 접지의 문제점을 해결하기 위해서는 뇌격전류에 의한 접지극 근방에서의 지중방전에 의한 접지전위변동에 대한 특성의 분석이 필요하며, 이에 대한 연구가 꾸준히 이루어져 왔다[3-6].

참고문헌 (14)

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상세보기
Y. W. Yoo, J. H. Eom, S. C. Cho, T. H. Lee, and B. H. Lee, "Characteristic Analysis of Transient Impedances of Small-sized Ground Electrodes in an Ionization Region of Soil", J. KIIEE, Vol.23, No.6, pp.78-84, 2009.
Y. W. Yoo, S. C. Cho and B. H. Lee, "Ionization Characteristics of a Ground Rod with Radial Needles under Lightning Impulse", Proc. 5th Asia Lightning Protection Forum, pp.187-190, 2008.
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S. B. Lee B. Li, S. J. Lee, B. W. Jeon, and B. H. Lee, "Transient Grounding Impedance Behaviors of Deeply-driven Ground Rods According to the Injection Point of Impulse Currents" J. KIIEE, Vol. 22, No. 9, pp. 62-68, 2008.

원문보기 상세보기
S. Visacro and G. Rosado, "Response of Grounding Electrodes to Impulse Currents: An Experimental Evaluation" IEEE Trans. on EMC, Vol. 51, No.1, pp.161-164, 2009.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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