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문제 정의
- 따라서, 본 논문에서는 본 논문에서는 뇌격전류 발생시 접지시스템을 평가하기 위해 고주파 접지임피던스 측정시스템이 설계 및 제작되었고 이를 통해 피뢰설비 진단에 활용하고자 한다.
- 본 연구에서는 접지전극에 뇌격전류 유입시 발생되는 고주파 접지임피던스의 평가가 가능한 고주파 접지임피던스 측정시스템의 설계 및 제작이 이루어졌으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 측정시스템 검증을 위해 우선 저주파 대역의 접지저항에 대한 측정을 수행하였다. 가장 대표적이고 널리 사용되는 전위강하법을 사용하였으며 전류보조전극을 시험 중인 접지전극 최대 치수의 최소 5배가 되도록 하였다.
제안 방법
- 1, 2, 5, 10, 20, 100 Ω의 저항 시료가 사용되었고 각 시료에 대해 10회 측정후 평균값을 적용하여 오차율에 반영하였다.
- 본 연구에서는 측정시스템 검증을 위해 우선 저주파 대역의 접지저항에 대한 측정을 수행하였다. 가장 대표적이고 널리 사용되는 전위강하법을 사용하였으며 전류보조전극을 시험 중인 접지전극 최대 치수의 최소 5배가 되도록 하였다. 또한 전위보조전극의 거리는 전류와 전위보조전극이 동일한 방향일 때 전류보조전극의 61.
- 4에 나타낸 바와 같이 저역통과필터와 증폭부로 구성되며 A/D 변환기에 전달하기 위해 측정된 전압의 게인을 조정하는 기능을 수행한다. 게인 조정을 위해서는 릴레이를 사용하여 게인을 조정 가능하도록 하였으며, 최대 1 MHz의 주파수대역을 측정하므로 1 MHz 이상의 노이즈 성분을 제거하기 위해 차단주파수가 10 MHz인 2차 저역통과필터를 사용하였다. 또한 게인에 따라 변동되는 Offset을 조정하기 위해 Op-amp 최종단에 Offset 조절을 위한 회로를 포함하였으며 요구되는 입력전압 범위가 작을 경우 전압 조정용 저항형 Divider를 사용하여 전압을 A/D 변환기의 입력사양에 맞게 조정할 수 있도록 구성하였다.
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3. 결과 및 고찰
고주파 접지임피던스 측정시스템의 신뢰성 확보를 위해 정밀 무유도 저항에 의한 교정 실험이 수행되었다. 1, 2, 5, 10, 20, 100 Ω의 저항 시료가 사용되었고 각 시료에 대해 10회 측정후 평균값을 적용하여 오차율에 반영하였다.
- 게인 조정을 위해서는 릴레이를 사용하여 게인을 조정 가능하도록 하였으며, 최대 1 MHz의 주파수대역을 측정하므로 1 MHz 이상의 노이즈 성분을 제거하기 위해 차단주파수가 10 MHz인 2차 저역통과필터를 사용하였다. 또한 게인에 따라 변동되는 Offset을 조정하기 위해 Op-amp 최종단에 Offset 조절을 위한 회로를 포함하였으며 요구되는 입력전압 범위가 작을 경우 전압 조정용 저항형 Divider를 사용하여 전압을 A/D 변환기의 입력사양에 맞게 조정할 수 있도록 구성하였다.
- 가장 대표적이고 널리 사용되는 전위강하법을 사용하였으며 전류보조전극을 시험 중인 접지전극 최대 치수의 최소 5배가 되도록 하였다. 또한 전위보조전극의 거리는 전류와 전위보조전극이 동일한 방향일 때 전류보조전극의 61.8% 거리로 선택되도록 하여 IEEE 표준에 적합하도록 하였다.9-10)
- 또한 접지임피던스 측정시스템의 성능 검증을 위해 실제 대지에 접지시스템을 설치하여 실증 시험장을 조성하였다. 이는 측정시스템의 개발시 실험실에서는 정밀 소자로 측정대상물을 이용하였지만 실제 현장 상황반영을 위해 실증 실험이 수행되었다.
- 신호회로부는 전압 및 전류측정부, 신호 발생부, 파워서플라이 등으로 구성되고, 주제어부는 측정시스템을 제어하고 수집된 데이터로부터 접지임피던스를 연산하기 위한 분석 기능을 수행한다. 전압과 전류의 위상차를 이용하여 임피던스, 저항성분, 리액턴스 성분이 그래프로 표현될 수 있도록 하였다.
- 메시와 봉상 접지전극의 접속은 클램프를 사용하여 접속하였다. 접지전극에 전류를 주입하기 위한 리드선은 메시와 봉상 접지전극이 접속된 모든 부분에 50 mm2 굵기의 연선을 접속하였다.
- 프로그램은 측정전에 사용자로부터 전압 및 주파수 등의 정보를 입력받고 측정기를 제어하는 부분과 측정된 데이터로부터 접지임피던스를 연산하고 그래프로 출력하도록 구성하였다.
대상 데이터
- 이는 측정시스템의 개발시 실험실에서는 정밀 소자로 측정대상물을 이용하였지만 실제 현장 상황반영을 위해 실증 실험이 수행되었다. 시험 대상인 접지전극으로는 메시와 봉상 접지전극이 조합된 접지전극을 설치하였다. Fig.
- 피측정 접지전극은 깊이 0.75 m에 매설된 10×10 m 규모이고 나동선 50 mm2를 사용하였다.
데이터처리
- 시제작된 접지임피던스 측정시스템의 검증을 위해 기존의 상용 측정기와 비교 측정을 수행하였다.
이론/모형
- 접지임피던스를 측정하기 전에 실증시험장의 대지특성을 파악하기 위해 상용 측정기(CA 6470, France)를 이용하여 Wenner의 4전극법으로 대지저항률을 측정하였다.
성능/효과
- 고정밀 무유도 저항에 의한 교정평가에서 개발된 측정시스템의 최대 오차는 2.5%이었으며, 노이즈 성분제거를 위한 필터가 적용되었다. 또한, 접지임피던스 측정시스템의 성능 검증을 위해 실제 대지에 접지시스템을 설치하여 실증 시험을 실시하였으며, 상용 측정기와 개발된 측정시스템의 상호 비교 결과 매우 근사한 측정값을 나타내어 저주파 전류 주입시 상용 제품과 동등한 성능을 갖는 것으로 나타났다.
- 또한, 접지임피던스 측정시스템의 성능 검증을 위해 실제 대지에 접지시스템을 설치하여 실증 시험을 실시하였으며, 상용 측정기와 개발된 측정시스템의 상호 비교 결과 매우 근사한 측정값을 나타내어 저주파 전류 주입시 상용 제품과 동등한 성능을 갖는 것으로 나타났다. 따라서, 설계 및 제작된 측정시스템 회로설계방식이 현장에서 사용 가능함을 확인할 수 있었다. 본 측정시스템은 IEC 표준에 대응하여 임피던스, 저항, 리액턴스 성분 등의 해석이 가능하며, 피뢰설비 안전성 평가에 활용될 수 있다.
- 5%이었으며, 노이즈 성분제거를 위한 필터가 적용되었다. 또한, 접지임피던스 측정시스템의 성능 검증을 위해 실제 대지에 접지시스템을 설치하여 실증 시험을 실시하였으며, 상용 측정기와 개발된 측정시스템의 상호 비교 결과 매우 근사한 측정값을 나타내어 저주파 전류 주입시 상용 제품과 동등한 성능을 갖는 것으로 나타났다. 따라서, 설계 및 제작된 측정시스템 회로설계방식이 현장에서 사용 가능함을 확인할 수 있었다.
- 상용 측정기로 측정한 결과 접지저항은 4.77 Ω이었으며 시제작된 측정시스템은 4.87 Ω으로 유사한 결과를 나타내었다.
- 87 Ω으로 유사한 결과를 나타내었다. 이는 100 Hz 부근의 저주파 전류를 주입하여 측정한 접지저항으로 상용 제품과 동등한 성능을 갖는 결과를 나타내고 있으며 회로설계방식이 현장에서 사용 가능함을 확인할 수 있었다.
- 1, 2, 5, 10, 20, 100 Ω의 저항 시료가 사용되었고 각 시료에 대해 10회 측정후 평균값을 적용하여 오차율에 반영하였다. 측정 주파수는 128 Hz로 고정하여 측정하였으며, 측정결과 모든 시료에서 3% 이내의 오차율을 나타내었다. 이를 Table 2에 나타내었다.
- 측정결과 측정길이에 Fig. 7과 같이 측정 전극 간격을 1∼30 m로 하였을 때, 117～229 Ω․m의 범위에서 측정되었으며 전형적인 2층 토양 구조의 특성을 나타내었다.
후속연구
- 따라서, 설계 및 제작된 측정시스템 회로설계방식이 현장에서 사용 가능함을 확인할 수 있었다. 본 측정시스템은 IEC 표준에 대응하여 임피던스, 저항, 리액턴스 성분 등의 해석이 가능하며, 피뢰설비 안전성 평가에 활용될 수 있다.
- 측정 최대주파수까지 측정을 마치면 신호 발생기를 비활성화 하고 각 주파수별 Z, R, X의 값을 출력장치에 표시하여 그래프로 나타낸다. 이상은 기본적인 접지임피던스 측정 방법으로 실제 연산에는 측정리드선의 인덕턴스에 대한 보상 및 필터와 증폭기에서 발생하는 위상지연에 대한 보상 등이 필요하다. Fig.
- 향후 고주파 대역의 접지임피던스 성능 평가가 이루어질 예정이며, 고주파 접지임피던스에 대한 평가방법을 관련 표준 조사, 현장 실험 및 분석 등을 통해 제시할 것이다.
- 접지전극에 고주파 전류 인가시 출력 신호의 감쇄가 발생할 수 있으므로 회로 개선을 통해 인가전류를 상향 조정할 필요가 있다. 향후 접지전극에 수 MHz까지 전류를 인가할 수 있는 전력증폭기와 파형 발생기가 조합된 장치를 사용하여 고주파 대역의 접지임피던스를 측정할 예정이며 이와 시제작된 측정시스템 측정값과의 비교를 통해 측정시스템의 신뢰성을 확보할 예정이다.
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