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문제 정의
- 본 논문에서는 접지극 주위에서 발생하는 토중방전 현상의 물리적 특성을 오옴성 전도영역과 방전을 수반하는 전기전도영역으로 구별하여 토양의 전기전도 특성을 정확하게 해석하는 기초적 방법의 제안을 목적으로 뇌임펄스전압에 대한 봉상 접지극과 무유도저항기에 대한 응답특성을 측정하고 고찰한 실험적 연구결과에 대하여 기술하였다. 소형 봉상의 모델접지극을 대지에 매설하고 뇌임펄스전압을 입사시켰을 때 접지극에 흐르는 전류와 전위상승 파형을 측정하였으며, 이의 결과를 바탕으로 토중방전이 접지극의 임펄스응답에 미치는 영향을 분석하였다.
- 봉상 접지극에 임펄스전압이 입사된 때 접지극 주위에서의 토중방전에 의한 전류와 전위상승의 변동특성을 분석하기 위하여 방전이 발생하지 않는 무유도저항에 대한 특성과 비교하는 실험적 연구를 수행하였다. 무유도저항으로 접지극의 상용 주파수 접지저항 280Ω에 상응하는 탄소저항기를 사용하였다.
제안 방법
- 일반적으로 전극 사이에서 불꽃방전이 발생할 때 전류는 급격히 증가하고 단자전압은 낮아지는 수하특성을 나타낸다. 본 연구의 실험조건에서도 입력전압을 어느 이상으로 증가시키면 집지극의 전류와 전위상승이 선형적으로 변동하는 무유도저항기와는 다르게 접지극에 흐르는 전류의 증가와 더불어 전위상승이 감소하는 상태를 나타내는 범위를 토양의 방전영역으로 분류하여 검토하였다.
- 본 논문에서는 접지극 주위에서 발생하는 토중방전 현상의 물리적 특성을 오옴성 전도영역과 방전을 수반하는 전기전도영역으로 구별하여 토양의 전기전도 특성을 정확하게 해석하는 기초적 방법의 제안을 목적으로 뇌임펄스전압에 대한 봉상 접지극과 무유도저항기에 대한 응답특성을 측정하고 고찰한 실험적 연구결과에 대하여 기술하였다. 소형 봉상의 모델접지극을 대지에 매설하고 뇌임펄스전압을 입사시켰을 때 접지극에 흐르는 전류와 전위상승 파형을 측정하였으며, 이의 결과를 바탕으로 토중방전이 접지극의 임펄스응답에 미치는 영향을 분석하였다. 임펄스전류의 크기에 따라 접지극 주위의 토양에서 이온화가 발생하는 영역과 절연파괴가 일어나는 영역으로 구분하여 접지극의 전위상승과 규약접지임피던스의 변동특성을 평가하고 입력전류와의 관련성을 검토하였다.
- 즉, 접지극의 전류는 무유도저항기보다 상당히 증가하였으나 접지극의 전위상승은 무유도저항기의 전위상승과 거의 일치하였다. 이와 같이 집지극의 전류는 선형적 변동에서 벗어나 급격히 증가하지만 전위상승이 무유도저항기와 동일한 파형을 유지하는 상태를 토양의 이온화 영역으로 분류하여 검토하였다.
- 소형 봉상의 모델접지극을 대지에 매설하고 뇌임펄스전압을 입사시켰을 때 접지극에 흐르는 전류와 전위상승 파형을 측정하였으며, 이의 결과를 바탕으로 토중방전이 접지극의 임펄스응답에 미치는 영향을 분석하였다. 임펄스전류의 크기에 따라 접지극 주위의 토양에서 이온화가 발생하는 영역과 절연파괴가 일어나는 영역으로 구분하여 접지극의 전위상승과 규약접지임피던스의 변동특성을 평가하고 입력전류와의 관련성을 검토하였다.
- 임펄스전압이 입사된 봉상 접지극의 전류, 전위상승, 임펄스접지임피던스 및 I-V곡선을 측정하여 접지극의 임펄스응답에 미치는 토중방전의 영향을 고찰하는 실험적 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이 때 측정전류와 E극의 전위상승을 측정하여 임펄스 접지임피던스를 분석하게 된다. 전위강하법에 의한 접지저항의 측정은 이론상 3전극법이 가장 정확한 방법이나 본 실험에서 임펄스발생장치가 옥내에 설치되어 있으므로 전위보조극을 설치할 수 없는 여건이기에 그림 2에 나타낸 바와 같이 2전극법을 적용하였다.
- 접지극으로 실험용기의 크기를 고려하여 지름 12mm, 길이 300mm의 봉상 접지극을 선정하였다. 접지극의 전위상승은 용량성 분압기(최대 측정전압 800kV, 분압비 8486:1)로 측정하였으며, 전류는 로고우스키전류파형변환기(CWT 최대 측정전류 60kA, 변류비 2000:1, 감도 0.5mV/A)로 검출하였다.
- 토중방전은 전리증식을 기반으로 하는 이온화 영역과 토양의 절연파괴를 수반하는 불꽃방전 영역으로 분류하여 검토하였다. 접지극 주위의 토양에서 이온화가 발생하는 것을 확인할 수 있는 전위상승 15kV까지의 범위에서 측정한 접지극과 무유도 저항기의 전류, 전위상승, 임펄스접지임피던스와 I-V곡선의 대표적인 예를 그림 4에 나타내었다.
대상 데이터
- 봉상 접지극에 임펄스전압이 입사된 때 접지극 주위에서의 토중방전에 의한 전류와 전위상승의 변동특성을 분석하기 위하여 방전이 발생하지 않는 무유도저항에 대한 특성과 비교하는 실험적 연구를 수행하였다. 무유도저항으로 접지극의 상용 주파수 접지저항 280Ω에 상응하는 탄소저항기를 사용하였다. 임펄스 발생기를 이용하여 접지극에 입사한 전압이 비교적 낮은 1kV에서 7kV까지 2kV씩 증가시키면서 접지극과 탄소저항기에 흐르는 전류와 전위상승 파형의 측정결과를 그림 3에 나타내었다.
- 75m, 직경 2m 크기로 제작하였다. 시료 토양은 사질토이며 저항률은 135Ω․m이다. 접지극으로 실험용기의 크기를 고려하여 지름 12mm, 길이 300mm의 봉상 접지극을 선정하였다.
- 임펄스전압에 대한 접지극의 전류와 전위상승의 응답특성을 측정하기 위한 실험계를 그림 1과 같이 구성하였다. 실험전압의 공급장치로 커패시터 8개의 종속 조합으로 구성된 임펄스발생장치(Marx generator: 충전전압 100kV, 8단, 최대 발생전압 760kV, 충전에너지 60kJ)를 사용하였다.
- 시료 토양은 사질토이며 저항률은 135Ω․m이다. 접지극으로 실험용기의 크기를 고려하여 지름 12mm, 길이 300mm의 봉상 접지극을 선정하였다. 접지극의 전위상승은 용량성 분압기(최대 측정전압 800kV, 분압비 8486:1)로 측정하였으며, 전류는 로고우스키전류파형변환기(CWT 최대 측정전류 60kA, 변류비 2000:1, 감도 0.
- 토중방전의 실험용기는 시멘트블록을 이용하여 높이 0.75m, 직경 2m 크기로 제작하였다. 시료 토양은 사질토이며 저항률은 135Ω․m이다.
성능/효과
- (1) 임펄스전압에 대한 봉상 접지극과 무유도저항기의 응답특성인 전류, 전위상승, 접지임피던스 및 I-V곡선은 5kV 이하의 전압에서는 거의 동일하고 선형성을 나타내었으나 그 이상의 전압에서는 토중방전의 영향으로 현저한 차이를 나타내었다.
- (2) 임펄스전류가 약 30A 이하의 소전류 영역에서는 토양의 이온화에 의해 임펄스접지임피던스는 감소하지만 접지극의 전위상승의 저하는 거의 일어나지 않는 것으로 밝혀졌다.
- (3) 임펄스전류가 약 50A 이상인 대전류 영역에서는 토중방전으로 접지전류는 증가하고 전위상승도 저하하여 임펄스접지임피던스는 지수함수적으로 급격히 감소하였으며, 500A 이상의 전류에서 규약접지임피던스의 감소율은 작았다.
- (4) 임펄스전압에 대한 접지극시스템의 과도적 성능은 토중방전의 특성에 의존적이며, 정확한 특성의 평가를 위해서는 임펄스접지임피던스와 전위 상승의 변동특성을 동시에 함께 평가하는 것이 효과적이다.
- 접지극과 탄소저항기의 전위상승파형은 전류파형과 거의 일치하여 선형성의 회로소자와 같은 특성을 나타내었다. 또한 2가지 실험조건에 대한 측정결과가 거의 일치하여 측정의 정확성과 타당성을 확인할 수 있다.
- 무유도저항기의 경우 전위상승 44kV에서도 전류와 전위상승 파형은 선형성이 유지되었으며, 이에 비하여 접지극의 전류와 전위상승 파형은 토중방전의 영향으로 변동함을 알 수 있다. 무유도저항기의 전위상승 22-44kV 범위에서 접지극에 흐르는 전류는 무유도저항기에 비하여 크기는 약 2배 이상이며, 피크까지의 시간은 길어진 것으로 나타났다.
- 토중방전에 의한 접지극의 전위상승과 임펄스접지임피던스의 저감효과는 방전전류가 증가할수록 크게 나타났다. 무유도저항기의 전위상승이 44kV일 때 접지극의 전위상승은 약 30% 감소하고, 임펄스접지임피던스는 약 25% 이하로 저감되었다. 방전전류가 증가함에 따라 접지임피던스의 저감률은 작아졌으며, 토중방전이 진전되는 범위의 제한 때문에 대전류영역에서 임펄스접지임피던스는 포화되는 경향을 보이고 있다.
- 임펄스전압에 의해 봉상 접지극과 무유도 탄소저항기에 흐르는 전류와 전위상승 파형은 거의 같았으며, 비례적 관계를 나타내고, 토양의 이온화는 발생하지 않았음을 알 수 있다. 접지극과 탄소저항기의 전위상승파형은 전류파형과 거의 일치하여 선형성의 회로소자와 같은 특성을 나타내었다.
- 임펄스전압에 의해 봉상 접지극과 무유도 탄소저항기에 흐르는 전류와 전위상승 파형은 거의 같았으며, 비례적 관계를 나타내고, 토양의 이온화는 발생하지 않았음을 알 수 있다. 접지극과 탄소저항기의 전위상승파형은 전류파형과 거의 일치하여 선형성의 회로소자와 같은 특성을 나타내었다. 또한 2가지 실험조건에 대한 측정결과가 거의 일치하여 측정의 정확성과 타당성을 확인할 수 있다.
- 접지극의 전위상승이 15kV 이하일 때 무유도저항기의 전류와 전위상승 파형은 거의 선형성이 유지되었다. 접지극의 경우 전위상승 7kV 이하에서 전류와 전위상승 파형은 거의 일치하였다.
- 그러나 전위상승 11kV 이상에서 전류의 크기가 급격히 증가하였으며, 피크까지의 시간이 길게 나타났다. 즉, 접지극의 전류는 무유도저항기보다 상당히 증가하였으나 접지극의 전위상승은 무유도저항기의 전위상승과 거의 일치하였다. 이와 같이 집지극의 전류는 선형적 변동에서 벗어나 급격히 증가하지만 전위상승이 무유도저항기와 동일한 파형을 유지하는 상태를 토양의 이온화 영역으로 분류하여 검토하였다.
- 규약접지임피던스는 접지극에 흐르는 전류의 크기에 따른 토중방전의 영향을 받게 된다. 첫 번째 토양의 이온화 영역은 전류의 증가에 따라 규약접지임피던스는 반비례하여 감소한다. 접지전류 30A 이하에서는 토양의 이온화에 의해 규약접지임피던스는 선형적으로 약간 감소하였으며, 변동폭은 10Ω 이내이었다.
- 토중방전에 의한 접지극의 전위상승의 변동은 전류에 비하여 적었으며, 피크값 이후 급격히 저하하는 특성을 나타내었다. 토중방전에 의한 접지극의 전위상승과 임펄스접지임피던스의 저감효과는 방전전류가 증가할수록 크게 나타났다. 무유도저항기의 전위상승이 44kV일 때 접지극의 전위상승은 약 30% 감소하고, 임펄스접지임피던스는 약 25% 이하로 저감되었다.
- 토중방전에 의한 접지극의 전위상승의 변동은 전류에 비하여 적었으며, 피크값 이후 급격히 저하하는 특성을 나타내었다. 토중방전에 의한 접지극의 전위상승과 임펄스접지임피던스의 저감효과는 방전전류가 증가할수록 크게 나타났다.
후속연구
- 토양의 불꽃방전영역으로 분류한 그림 6 (c)의 특성 곡선을 보면 임펄스전류 50-200A의 범위에서 규약접지임피던스는 임펄스전류 피크값의 1/2승근에 반비례적으로 급격히 감소하였으며, 그 이상의 전류에서는 감소가 둔화되었다. 이는 토중방전의 물리적 특성과 직접적으로 관련이 있으며, 토양의 종류와 입자의 크기, 조밀도, 저항률, 습도 등 토양 고유의 특성을 비롯하여 시료 접지극의 기하학적 형상과 임펄스전류 파형 등 실험요소에 따른 방전형성범위와 직접적으로 관련이 있으므로 정량적인 평가는 어려우며, 향후 지속적인 연구가 요구된다.
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