[논문]국내 배전계통의 가공지선 접지조건에 따른 뇌서지 영향 분석

한준; 김철환; 서훈철; 최선규; 이병성

doi:10.5370/kiee.2014.63.3.331

문제 정의

따라서, 본 논문에서는 주변에 건물이 존재하지 않는 배전계통에서 직격뢰 발생 시 가공지선의 접지조건에 따른 뇌과전압 및 섬락률을 분석하였다. 우선 국내 한국전력 배전계통의 설비기준 및 가공지선의 역할을 설명하고, EMTP를 이용하여 국내 배전선로 및 낙뢰 모델링에 관한 내용을 제시하였다.
이는 유도뢰로 인해 발생하는 과전압보다 직격뢰로 인해 발생하는 과전압의 크기가 상대적으로 매우 크기 때문이라고 볼 수 있다. 따라서, 본 절에서는 낙뢰 시의 가공지선의 접지조건에 따른 섬락률을 평가하기 위하여 앞 절에서 분석한 가공지선 접지저항 및 접지간격 조건을 고려하여 동일한 조건 하에서 섬락률을 계산하고 분석을 수행하였다.
본 논문에서 낙뢰에 의한 배전계통의 영향을 분석하기 위해 적용한 뇌격 전류의 파형은 그림 2와 같이 나타낼 수 있으며, 국내·외 연구를 근거로 하여 파두장과 파미장은 2/70[μs]로 선정하였다[8-10]. 또한 EMTP는 뇌격을 모의하기 위한 다양한 모델을 제공하고 있으며, 본 연구에서는 직격뢰의 파형을 모의하기 위하여 Heidler type source를 기반으로 모델링을 수행하였다. 모델링 된 뇌격 파형은 가공지선에 인가되며, 본 논문에서는 2005년∼2010년간 국내의 KLDNet (Kepco Lightning Detection Network)에 의하여 측정된 국내 뇌격 전류의 median 값인 20[kA]의 뇌격 크기를 고려하였다.
본 논문에서는 낙뢰 발생 시, 국내 배전계통의 가공지선 접지조건에 따른 뇌서지 영향을 분석하였다. 한전의 기준을 기반으로 하여, 낙뢰로 인한 영향을 평가하고 다양한 경우를 모의하기 위해 EMTP를 이용하여 국내의 실제적인 배전선로 모델링을 수행하였으며, 다양한 시뮬레이션을 통해 낙뢰 발생 시 가공지선 접지조건에 따른 과전압 및 섬락률 크기에 대한 비교 및 분석을 수행하였다.

가설 설정

식 (3)에서 Zd2 항은 가공지선 접지저항의 크기와 관련된 항으로써, 가공지선의 접지간격에 따라 그 값이 달라질 수 있다. 우선, 가공지선의 접지간격에 따른 영향을 분석하기 위해서 일정한 길이를 갖는 배전선로 구간을 가정하였으며, 다음과 같은 파라미터들을 정의하였다.

제안 방법

2.1절에서 설명한 한전의 배전계통 설계 기준을 바탕으로 EMTP를 이용하여 22.9[kV]의 배전선로 모델링을 수행하였다. 본 논문에서 검토한 선로 모델은 주변에 건물이 존재하지 않는 경우를 고려하여 총 선로의 긍장이 2[km]인 기본선로를 구현하였으며, 배전선로를 구성하는 선종의 구성은 다음 표 1과 같다.
또한, 가공지선의 접지저항 크기에 따른 영향을 직접적으로 살펴보기 위하여 뇌격의 위치는 그림 4와 같이 선로 시작점으로부터 최초로 가공지선 접지가 이루어진 200[m] 지점을 선정하였다. 또한 과전압 측정 지점은 뇌격이 발생한 뇌격 전주를 비롯하여 뇌격 지점으로부터 근거리에 위치한 200[m] 지점, 뇌격 위치 이후에 피뢰기가 설치된 전주와 100[m] 이격된 400[m] 지점, 그리고 뇌격 지점으로부터 장거리에 위치한 800[m]로 선정하였으며, 뇌격 발생 시 상도체와 중성선 사이의 과전압을 측정하여 과전압의 측정 거리에 따른 뇌서지 전달 특성 또한 검토하였다.
또한, 4.2.1절과는 달리 선로 시작점으로부터 가공지선 접지간격에 따른 영향만을 직접적으로 살펴보기 위하여 뇌격의 위치를 선로의 가장 앞부분으로 선정하였으며, 과전압 측정 지점은 뇌격이 발생한 뇌격 전주를 비롯하여 뇌격 위치로부터 근거리에 위치한 200[m] 지점과 400[m] 지점, 그리고 피뢰기가 설치된 전주와 300[m] 이격된 800[m]로 선정하여 뇌격 발생 시 상도체와 중성선 사이의 전압을 측정하였다.
우선 국내 한국전력 배전계통의 설비기준 및 가공지선의 역할을 설명하고, EMTP를 이용하여 국내 배전선로 및 낙뢰 모델링에 관한 내용을 제시하였다. 또한, 가공지선의 접지조건으로써 접지저항과 접지간격에 따른 뇌 과전압을 분석하기 위해 뇌서지 전달특성의 이론적 분석을 제안하였으며, 몬테카를로 기법을 도입하여 IEEE std. 1410에서 제시한 방법을 기반으로 가공지선의 접지조건에 따른 섬락률을 계산하고 그 결과의 비교 및 분석을 수행하였다.
모델링 된 뇌격 파형은 가공지선에 인가되며, 본 논문에서는 2005년∼2010년간 국내의 KLDNet (Kepco Lightning Detection Network)에 의하여 측정된 국내 뇌격 전류의 median 값인 20[kA]의 뇌격 크기를 고려하였다.
9[kV]의 배전선로 모델링을 수행하였다. 본 논문에서 검토한 선로 모델은 주변에 건물이 존재하지 않는 경우를 고려하여 총 선로의 긍장이 2[km]인 기본선로를 구현하였으며, 배전선로를 구성하는 선종의 구성은 다음 표 1과 같다.
본 논문에서 낙뢰에 의한 배전계통의 영향을 분석하기 위해 적용한 뇌격 전류의 파형은 그림 2와 같이 나타낼 수 있으며, 국내·외 연구를 근거로 하여 파두장과 파미장은 2/70[μs]로 선정하였다[8-10].
앞서 제시한 제 4절과 제 5절의 내용에서는 직격뢰 발생 시에 가공지선의 접지조건으로써 접지저항 및 접지간격의 변화에 따라 뇌 과전압의 크기에 미치는 영향을 분석하였으며, 이러한 뇌 과전압은 실제로 전력계통의 고장 및 전력설비들의 섬락 유발과 직접적으로 관련이 있다. 전력계통에서 발생하는 낙뢰 사고는 대부분 유도뢰에 의한 경우가 일반적이나 섬락률을 판단하는 기준인 섬락의 발생여부는 유도뢰에 의한 영향보다는 직격뢰에 의한 영향을 크게 받는다.
따라서, 본 논문에서는 주변에 건물이 존재하지 않는 배전계통에서 직격뢰 발생 시 가공지선의 접지조건에 따른 뇌과전압 및 섬락률을 분석하였다. 우선 국내 한국전력 배전계통의 설비기준 및 가공지선의 역할을 설명하고, EMTP를 이용하여 국내 배전선로 및 낙뢰 모델링에 관한 내용을 제시하였다. 또한, 가공지선의 접지조건으로써 접지저항과 접지간격에 따른 뇌 과전압을 분석하기 위해 뇌서지 전달특성의 이론적 분석을 제안하였으며, 몬테카를로 기법을 도입하여 IEEE std.
가공지선이 존재하는 배전선로에 뇌서지 침입 시, 가공지선의 접지저항 크기에 따라 발생하는 과전압의 크기가 달라질 수 있다. 우선, 가공지선의 접지저항 크기에 따른 뇌서지의 전달 특성을 해석하기 위한 이론적 분석을 수행하였으며, 이를 검토하기 위한 배전선로의 등가회로는 그림 3과 같이 표현할 수 있다. 또한, 그림 3에서 각 파라미터의 의미는 다음과 같이 정의된다.
본 논문에서는 낙뢰 발생 시, 국내 배전계통의 가공지선 접지조건에 따른 뇌서지 영향을 분석하였다. 한전의 기준을 기반으로 하여, 낙뢰로 인한 영향을 평가하고 다양한 경우를 모의하기 위해 EMTP를 이용하여 국내의 실제적인 배전선로 모델링을 수행하였으며, 다양한 시뮬레이션을 통해 낙뢰 발생 시 가공지선 접지조건에 따른 과전압 및 섬락률 크기에 대한 비교 및 분석을 수행하였다. 본 논문의 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.

대상 데이터

또한, 가공지선의 접지저항 크기에 따른 영향을 직접적으로 살펴보기 위하여 뇌격의 위치는 그림 4와 같이 선로 시작점으로부터 최초로 가공지선 접지가 이루어진 200[m] 지점을 선정하였다. 또한 과전압 측정 지점은 뇌격이 발생한 뇌격 전주를 비롯하여 뇌격 지점으로부터 근거리에 위치한 200[m] 지점, 뇌격 위치 이후에 피뢰기가 설치된 전주와 100[m] 이격된 400[m] 지점, 그리고 뇌격 지점으로부터 장거리에 위치한 800[m]로 선정하였으며, 뇌격 발생 시 상도체와 중성선 사이의 과전압을 측정하여 과전압의 측정 거리에 따른 뇌서지 전달 특성 또한 검토하였다.

데이터처리

또한, 가공지선의 접지조건으로써 접지저항과 접지간격에 따른 뇌 과전압을 분석하기 위해 뇌서지 전달특성의 이론적 분석을 제안하였으며, 몬테카를로 기법을 도입하여 IEEE std. 1410에서 제시한 방법을 기반으로 가공지선의 접지조건에 따른 섬락률을 계산하고 그 결과의 비교 및 분석을 수행하였다.

이론/모형

이러한 낙뢰 자체의 랜덤한 특성을 고려하여 뇌 과전압에 의한 섬락률을 계산하기 위하여 Monte Carlo 기법을 적용하였으며, 국내의 KLDNet에서 측정한 뇌격 전류의 누적확률 분포 함수를 기반으로 IEEE std. 1410에서 제시한 섬락률 산정 방식을 적용하여 섬락률을 계산하였다[11].
일반적으로 뇌격은 불규칙한 특성을 갖기 때문에 뇌격의 크기 및 위치는 다양하게 발생한다. 이러한 낙뢰 자체의 랜덤한 특성을 고려하여 뇌 과전압에 의한 섬락률을 계산하기 위하여 Monte Carlo 기법을 적용하였으며, 국내의 KLDNet에서 측정한 뇌격 전류의 누적확률 분포 함수를 기반으로 IEEE std. 1410에서 제시한 섬락률 산정 방식을 적용하여 섬락률을 계산하였다[11].

성능/효과

(1) 가공지선의 접지저항이 현행 기준인 50[Ω]을 초과하는 경우에는 평균적으로 8.6[%]의 전압변동을 보이고 있으며, 50[Ω] 이하의 가공지선 접지저항인 경우에는 약 14.2[%]의 전압변동을 나타내었다.
(2) 가공지선의 접지간격이 현행 기준인 200[m]를 초과하는 경우에는 평균적으로 9.16[%]의 전압변동을 보이고 있으며, 200[m] 이하의 가공지선 접지저항인 경우에는 약 14.7[%]의 전압변동을 나타내었다.
(3) 위의 (1), (2)를 통해서 낙뢰 발생 시 뇌 과전압의 크기는 가공지선의 접지저항보다는 접지간격 변화에 따른 영향을 더욱 크게 받는 것을 확인할 수 있다. 또한, 섬락률의 경우에도 가공지선의 접지저항보다는 접지간격의 변화에 대해서 비교적 큰 변동폭을 보였으며, 가공지선의 접지저항 값을 저감시키는 경우보다 접지간격을 감소시키는 경우에 섬락률의 감소 효과가 더욱 뚜렷하였다.
그림 6은 가공지선 접지간격에 따른 섬락률을 나타낸 것이다. 가공지선의 접지간격을 50[m]와 100[m]로 낮출 경우의 섬락률은 2.49[건/100km/year]과 2.61[건/100km/year]으로 현행 기준이 적용된 경우에 비해 각각 9.2[%], 4.2[%]의 감소율을 보였으며, 이는 가공지선의 접지저항 값을 낮추는 것보다는 가공지선의 접지간격을 낮추는 것이 섬락률을 효과적으로 감소시킬 수 있다는 것을 보여준다. 반면에 가공지선의 접지간격을 높일 경우에는 평균적으로 9.
2[%]의 전압변동을 나타내고 있다. 결론적으로, 현행 기준보다 낮은 크기의 접지저항이 고려된 경우에 과전압 감소 측면에서 더욱 효과적임을 확인할 수 있다.
또한, 가공지선의 접지간격에 따른 뇌 과전압의 크기는 일정한 비율로 변동하는 형태를 보이지는 않으며, 본 논문에서 고려한 시뮬레이션 조건에 대해서는 현행 기준인 200[m]를 초과하는 가공지선 접지저항인 경우에는 평균적으로 9.16[%]의 전압변동을 보이며, 200[m] 이하의 가공지선 접지저항인 경우에는 약 14.7[%]의 전압변동을 나타내고 있다.
(3) 위의 (1), (2)를 통해서 낙뢰 발생 시 뇌 과전압의 크기는 가공지선의 접지저항보다는 접지간격 변화에 따른 영향을 더욱 크게 받는 것을 확인할 수 있다. 또한, 섬락률의 경우에도 가공지선의 접지저항보다는 접지간격의 변화에 대해서 비교적 큰 변동폭을 보였으며, 가공지선의 접지저항 값을 저감시키는 경우보다 접지간격을 감소시키는 경우에 섬락률의 감소 효과가 더욱 뚜렷하였다.
또한, 위의 시뮬레이션 결과를 통하여 가공지선 접지저항에 따른 뇌 과전압의 크기는 일정한 비율로 변동하는 것은 아니며, 본 논문에서 고려한 시뮬레이션 조건에 대해서는 현행 기준인 50[Ω]을 초과하는 가공지선 접지가 이루어진 경우에는 평균적으로 8.6[%]의 전압변동을 보이고 있으며, 50[Ω] 이하의 가공지선 접지가 이루어진 경우에는 약 14.2[%]의 전압변동을 나타내고 있다.
상기의 결과를 통해서 가공지선의 접지조건이 배전선로에서 발생하는 뇌 과전압의 크기 및 섬락률에 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 특히, 가공지선의 접지저항보다는 접지 간격의 변화에 대한 접지조건이 뇌 과전압 및 섬락률의 발생 빈도에 더욱 큰 영향을 미치므로 뇌서지에 대한 배전선로의 보호를 위해서는 가공지선의 접지저항 값을 저감시키는 것보다는 가공지선의 접지간격을 감소시키는 것이 뇌 과전압 및 섬락률을 효과적으로 낮출 수 있다고 볼 수 있다.
다음 표 5는 가공지선의 접지 간격에 따른 직격뢰 침입 시의 뇌 과전압을 나타낸 것이다. 시뮬레이션 결과를 통하여 가공지선의 접지간격이 증가할수록 뇌격 발생 시의 과전압의 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 앞선 5.1절에서 제시한 가공지선의 접지간격에 따른 뇌서지 전달 특성의 이론적 분석 결과와 동일한 경향을 보여준다.
다음 표 3은 가공지선의 접지저항 크기에 따른 직격뢰 침입 시의 뇌 과전압을 나타낸 것이다. 시뮬레이션 결과를 통해 가공지선의 접지저항의 크기가 증가할수록 과전압의 크기가 상승하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 4.1절에서 제시한 이론적 분석의 결과와 동일한 경향을 보인다.
그러나 V_PN의 부호는 (-)이므로 (-)에 대한 최대값은 더욱 커지게 된다. 즉, V_PN의 절대값의 크기가 커지므로 가공지선 접지저항의 크기가 증가하면 대지전위 상승에 의해 과전압의 크기 또한 증가한다는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

추후 연구에서는 가공지선뿐만 아니라 피뢰기의 영향 또한 고려하여 다양한 가공지선 접지조건과 피뢰기 설치조건에 따른 연구를 수행함으로써 최적의 내뢰설비 설치조건에 대한 검토가 이루어질 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	직격뢰가 일으킬 수 있는 피해상황은?	직격뢰는 선로 주변, 수목, 대지 등 에 침입한 뇌격의 간접적인 영향으로 인한 정전유도나 전자 유도에 의해 발생하는 유도뢰와는 달리 선로 및 지지물을 직접 가격하는 형태의 낙뢰이다. 직격뢰의 발생 빈도는 유도뢰에 비해 적으나 직격뢰로 인하여 배전계통에서 발생하는 과전압은 애자의 섬락 또는 절연파괴 등의 위협을 야기시킬 뿐만 아니라 전력계통 내에 설치된 장비들에 치명적인 피해를 입힐 수 있기 때문에 전력품질 및 전력계통 보호 측 면에서 상당한 이슈가 되고 있다[2]-[5].
	직격뢰란 무엇인가?	그러나 도심지 외곽이나 산간, 해안지역에서의 배전계통은 도심지와는 달리 선로 주변에 서지를 흡수 할 수 있는 구조물이 적기 때문에 가공지선에 직격뢰가 침입할 가능성이 높다[1]. 직격뢰는 선로 주변, 수목, 대지 등 에 침입한 뇌격의 간접적인 영향으로 인한 정전유도나 전자 유도에 의해 발생하는 유도뢰와는 달리 선로 및 지지물을 직접 가격하는 형태의 낙뢰이다. 직격뢰의 발생 빈도는 유도뢰에 비해 적으나 직격뢰로 인하여 배전계통에서 발생하는 과전압은 애자의 섬락 또는 절연파괴 등의 위협을 야기시킬 뿐만 아니라 전력계통 내에 설치된 장비들에 치명적인 피해를 입힐 수 있기 때문에 전력품질 및 전력계통 보호 측 면에서 상당한 이슈가 되고 있다[2]-[5].
	과전압 및 섬락률을 낮추는 배전선로 모델링 방법에 대해 설명하면?	상기의 결과를 통해서 가공지선의 접지조건이 배전선로에서 발생하는 뇌 과전압의 크기 및 섬락률에 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 특히, 가공지선의 접지저항보다는 접지 간격의 변화에 대한 접지조건이 뇌 과전압 및 섬락률의 발생 빈도에 더욱 큰 영향을 미치므로 뇌서지에 대한 배전선로의 보호를 위해서는 가공지선의 접지저항 값을 저감시키는 것보다는 가공지선의 접지간격을 감소시키는 것이 뇌 과전압 및 섬락률을 효과적으로 낮출 수 있다고 볼 수 있다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

국내 배전계통의 가공지선 접지조건에 따른 뇌서지 영향 분석
Analysis of Effect on Lightning Surge according to the Grounding Condition of Overhead Ground Wire in Distribution System 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (11)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

국내 배전계통의 가공지선 접지조건에 따른 뇌서지 영향 분석 Analysis of Effect on Lightning Surge according to the Grounding Condition of Overhead Ground Wire in Distribution System 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (11)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

한준 (17) 김철환 (135)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

국내 배전계통의 가공지선 접지조건에 따른 뇌서지 영향 분석
Analysis of Effect on Lightning Surge according to the Grounding Condition of Overhead Ground Wire in Distribution System 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper