[논문]직류 접지극의 전식보호 방법 연구

정우용; 김효성

doi:10.6113/tkpe.2021.26.2.90

직류 접지극의 전식보호 방법 연구
Research on Protection Method for Ground Electrode of DC Systems from Corrosion 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.26 no.2, 2021년, pp.90 - 95

정우용 (Dept. of Electrical, Electronic and Control Eng., Kongju National University) , 김효성 (Dept. of Electrical, Electronic and Control Eng., Kongju National University)

Abstract ▼ AI-Helper

In contrast to AC grounding systems, the ground electrode in DC systems continuously maintains positive or negative polarity. Ground electrodes with (+) polarity proceeds by oxidation reaction. Thus, the DC current should flow opposite to the polarity of the leakage current flowing through the (+) ground electrode by using a compensation electrode, and the current flowing through the (+) ground electrode can be 0A. However, according to protecting the (+) ground electrode, the compensation electrode corrodes and gets damaged. Thus, the (+) ground electrode must be protected from corrosion, and the service life of the compensation electrode must be extended. As an alternative, the average value of the current flowing through the compensation electrode should be equal with the value of the leakage current flowing through the (+) ground electrode by using the square waveform. Throughout the experiment, the degree of corrosion on the compensation electrode is analyzed by the frequency of the compensation electrode for a certain time. In the experiment, the frequencies of the square waveform are considered for 0.1, 1, 10, 20, 50, 100 Hz, and 1 kHz. Through experiments and analysis, the optimal frequency for reducing the electrolytic damage of the (+) electrode and compensation electrode in an LVDC grounding environment is determined.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of electrode connected to DC power supply.
그림 Fig. 2. Experimental environment.
그림 Fig. 3. Ground electrode used in experiment.
그림 Fig. 4. Experimental conceptional diagram (when compensation electrode is driven by DC).
그림 Fig. 5. Experimental conceptional diagram (when compensation electrode is driven by square waveform).
표 TABLE Ⅰ EXPERIMENTAL RESULT BY GROUND ELECTRODE CORROSION (WEIGHT AND DAMAGE DEGREE OF EACH GROUND ELECTRODE)
그림 Fig. 6. Degree of damage on ground electrode according to frequency.
그림 Fig. 7. Sum of the damage degree on all ground electrodes according to frequency.
그림 Fig. 8. Experimental conceptional diagram about two ground electrodes.
표 TABLE Ⅱ EXPERIMENTAL RESULT BY GROUND ELECTRODE CORROSION (SUMMATION OF DAMAGE DEGREE)
그림 Fig. 9. Damage degree/current integral value according to frequency.
표 TABLE Ⅲ WEIGHT AND DAMAGE DEGREE OF (+) GROUND ELECTRODE, CURRENT INTEGRAL VALUE AND DAMAGE/CURRENT INTEGRAL VALUE

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 저압직류(LVDC) 접지계통에서 전식에 data-checked="false">의한안전사고를일으킬수있는요인인(+)접지극의손 상 정도를 최대한 감소시키기 위한 보상방법을 제시하였다. 실험을통해저압직류접지 환경에서전식보호용전극에 구형파 형태의 주파수를 인가하는 경우와 data-checked="false">직류전류를인가하는경우에따른각접지극의손상정도를 비교분석하고, 이에대한원인을분석하였다.
본연구에서는(+)접지극을전식으로인한손상을 최대한 감소시킴과 동시에 보호전극의 사용 수명을 연장시키기 위해, 보호전극에 흐르는 전류의 평균값이 (+) 접지극으로 흐르는 누설전류의 크기와 같은 data-checked="false">구형파의전류형태가되도록시도하였다.실험에서사용된구형파 전류의주파수는0.

가설 설정

나타낸다. 누전사고를 모의하는 (-) 접지극과 (+) 접지극사이에연결된전원은150VDC전압의전압원으 로설정하였다.누설전류는(-)접지극에서(+)접지극으 로 전류 1A가 흐르도록 150Ω의 값을 갖는 부하저항을 접속하였다.
5에일정주파수를가지는구형파의형태가 나타나도록 하였다. 이때 전압원의 전압은 300VDC로설정하였으며 150Ω 값의 저항을 연결하여 전류의 평균값이1A가흐르도록설정하였다.

제안 방법

data-checked="false">본연구에서는일정시간동안직류접지계통에보호극측의전원을가동하여보호극전원의주파수에따른 보호극의 전식 정도를 실험을 통해 분석하였다. 또한, 보호전극에 직류전류(DC)를 흘릴 경우도 같이 data-checked="false">비교를하였다.
또한, 보호전극에 직류전류(DC)를 흘릴 경우도 같이 data-checked="false">비교를하였다.이를통해저압직류(LVDC)접지환경에서주파 수에따른(-)접지극과(+)접지극, data-checked="false">보호전극의전식정도를분석하고전식정도가낮은최적의주파수조건을 제시하며, 이에대한원인을분석한다.
5에일정주파수를가지는 구형파의 형태를 갖도록 하기 위해, MCU를 통해 MOSFET의Gate를구동하여MOSFET로보호전극전 원을구형파의형태로On/Off시켰다.또한구형파의전 류 평균값 I_2avg가 (+) 접지극에 흐르는 누설전류 크기 1A와일치하도록, data-checked="false">보호전극전압원의전압은300VDC으로설정하고보호전극측에부하저항150Ω을연결하였다. 실험에서 사용된 주파수는 총 0.
보호전극 측의 전원은 누전사고 회로와 동일하게 150VDC 전압원과 부하저항 150Ω의 저항을 연결하여, 보상전류가1A흐르도록하였다. 이를통해(+) 접지 극에 흐르는 누설전류의 크기가 키르히호프 전류 법칙에 의해 0A 가 되어, 누전사고가발생한(+) 접지극의손상정도가감소되어최대한(+) 접지 극이 보호되도록 하였다.
보호전극은(+)접지극 에 흐르는 누설전류의 극성과 반대로 직류전류를 data-checked="false">흘려주어(+)접지극에흐르는전류가0A가되도록한다.본 논문에서제시하는방법은능동적인방법으로서(+) data-checked="false">접지극에해당되는전식이발생하는위치에서누설전류를 검출하여 되먹임하는 개념으로 사용된다면 전식사고가발생하는 특정 부위의 전식을 보상할 수 있다. 하지만 보호 전극은(+) 접지 극을 최대 한전식으로 인한 손상으로부터 보호함에 따라 산화반응으로 인한 전식 현상이 발생하여 손상이 진행된다.
data-checked="false">그러나침목등의설치에의한누설저항은시간에따른경년변화로인하여최초설계한값이달라질 수 있으며, data-checked="false">배류기를사용하는경우도잘못된시공이나설비노후로인하여전식사고가자주발생하고있다^[5]. 본논문에서는전식으로인한손상이발생할수있는 (+) data-checked="false">접지극을최대한전식으로인한손상으로부터보호하기위해보호전극을사용한다.보호전극은(+)접지극 에 흐르는 누설전류의 극성과 반대로 직류전류를 data-checked="false">흘려주어(+)접지극에흐르는전류가0A가되도록한다.
또한구형파의전 류 평균값 I_2avg가 (+) 접지극에 흐르는 누설전류 크기 1A와일치하도록, data-checked="false">보호전극전압원의전압은300VDC으로설정하고보호전극측에부하저항150Ω을연결하였다. 실험에서 사용된 주파수는 총 0.1Hz, 1Hz, 10Hz, 20Hz, 50Hz, 100Hz, 1kHz를 고려하였으며, 보호전극에직류전류(DC)가 흐를 때의 실험과 동일하게 총 3시간 동안실험을진행하였다.실험이끝난후접지극의길이 22cm기준무게를측정하여3개의접지극의손상정도를 평가함으로써, 보호 전극에 직류전류가 흐를 때의 경우와 주파수에따른접지극의전식정도를비교분석을하였다.
data-checked="false">보호전극은그림3과동일한구조로서전압원을사용하였다.실험에서보호전 극에흐르는전류가듀티비0.5에일정주파수를가지는 구형파의 형태를 갖도록 하기 위해, MCU를 통해 MOSFET의Gate를구동하여MOSFET로보호전극전 원을구형파의형태로On/Off시켰다.또한구형파의전 류 평균값 I_2avg가 (+) 접지극에 흐르는 누설전류 크기 1A와일치하도록, data-checked="false">보호전극전압원의전압은300VDC으로설정하고보호전극측에부하저항150Ω을연결하였다.
실험에서주파수는간단하게0.1Hz, 1Hz, 10Hz, 20Hz, 50Hz, 100Hz에 대해서만 고려되었으며, 실험은 2시간 10분동안진행되었다.
그림 2는 실험에서의 환경을 나타낸다. 실험을 빠른시간안에진행하기위해, data-checked="false">접지극을땅속에매립하는대신소금물에담그는것으로대체하였다.이때사용된소 금은 총 1.
실험을통해저압직류접지 환경에서전식보호용전극에 구형파 형태의 주파수를 인가하는 경우와 data-checked="false">직류전류를인가하는경우에따른각접지극의손상정도를 비교분석하고, 이에대한원인을분석하였다.
1Hz, 1Hz, 10Hz, 20Hz, 50Hz, 100Hz, 1kHz를 고려하였으며, 보호전극에직류전류(DC)가 흐를 때의 실험과 동일하게 총 3시간 동안실험을진행하였다.실험이끝난후접지극의길이 22cm기준무게를측정하여3개의접지극의손상정도를 평가함으로써, 보호 전극에 직류전류가 흐를 때의 경우와 주파수에따른접지극의전식정도를비교분석을하였다.
요하다.이를위해, data-checked="false">(-)접지극과(+)접지극만으로이루어진두개의접지극에대해서DC전류와펄스전류를 흘려줄경우에대한전식실험및분석을진행하였다. 그림8은실험결과에대한원인을분석하기위한전 식실험 개념도를 나타낸다.
를비교하는것이필요하다.이를위해보호전극에전류 (DC)가흐를경우에대한실험을진행하였다.
이를통해(+) 접지 극에 흐르는 누설전류의 크기가 키르히호프 전류 법칙에 의해 0A 가 되어, 누전사고가발생한(+) 접지극의손상정도가감소되어최대한(+) 접지 극이 보호되도록 하였다.이때실험은총3시간동안진행하였다.
또한, 보호전극에 직류전류(DC)를 흘릴 경우도 같이 data-checked="false">비교를하였다.이를통해저압직류(LVDC)접지환경에서주파 수에따른(-)접지극과(+)접지극, data-checked="false">보호전극의전식정도를분석하고전식정도가낮은최적의주파수조건을 제시하며, 이에대한원인을분석한다.
직류접지환경에서(+) 접지극에보호전극을연결하여(-) 접지극과(+)접지극, 보호 전극의 손상 정도에 관한 실험을 진행하였다.

대상 데이터

접지극은(-)접지극과(+)접지극, data-checked="false">그리고보호전극으로총세대를사용하였다.사용된접지극의재질은단심구리전 선이다.소금물에담굴접지선의길이는22cm이며, data-checked="false">무게는22cm기준7.
data-checked="false">구형파의전류형태가되도록시도하였다.실험에서사용된구형파 전류의주파수는0.1Hz, 1Hz, 10Hz, 20Hz, 50Hz, 100Hz, 1kHz를 고려하였다. 이때 키르히호프의 전류법칙에 data-checked="false">의해(+)접지극에흐르는전류는일정한주기로교번되는 교류구형파형태가되며평균값은0A가된다.
그림 3은 실험에서 사용된 접지 극을 나타낸다.접지극은(-)접지극과(+)접지극, data-checked="false">그리고보호전극으로총세대를사용하였다.사용된접지극의재질은단심구리전 선이다.

성능/효과

전체적으 로주파수10Hz 이상 및 이하로는 손상 정도가 증가하는 경향이나타나며, DC 보다 손상 정도가 큰 주파수대역은 50Hz와100Hz, 1kHz라는 것을 보여준다.결과적으로 그림 6과 그림 7을 통해 (+) 접지극의 손상 data-checked="false">정도를최대한감소시킴과동시에보호전극의전식정도가낮은 최적의주파수는10Hz라는것을알 수 있었다.
동일한 누설전류가흐르는조건의 실험을통하여, 전식보호용전극에10Hz 주파수의구형파를인가하는경우가전식에의한 손상정도가가장 낮은 것이 확인되었다. 이 주파수에서는 (+) 접지극의 손상 정도를 data-checked="false">최대한감소시킴과동시에보호전극의사용시간을연장시킬 수 있다.
data-checked="false">그림7은표2의주파수에따른세대의접지극의전체손상정도의합에대한그래프를나타낸다.전체적으 로주파수10Hz 이상 및 이하로는 손상 정도가 증가하는 경향이나타나며, DC 보다 손상 정도가 큰 주파수대역은 50Hz와100Hz, 1kHz라는 것을 보여준다.결과적으로 그림 6과 그림 7을 통해 (+) 접지극의 손상 data-checked="false">정도를최대한감소시킴과동시에보호전극의전식정도가낮은 최적의주파수는10Hz라는것을알 수 있었다.

후속연구

본 연구의 결과는 직류 배전의 접지시스템을 data-checked="false">보호하는분야에대해서적용할 수 있다.특히선체를통한귀 선회로가구성된선박에서사고누설전류로인한선체 의 전식에 대처하거나, 직류전기철도의 data-checked="false">직류배전시스템주변에설치된교량이나금속가스관의특정위치에누 설전류에의한전식이발생하였을때이를보상해주는 등의기술분야에적용할수있을것으로기대한다.
있다.특히선체를통한귀 선회로가구성된선박에서사고누설전류로인한선체 의 전식에 대처하거나, 직류전기철도의 data-checked="false">직류배전시스템주변에설치된교량이나금속가스관의특정위치에누 설전류에의한전식이발생하였을때이를보상해주는 등의기술분야에적용할수있을것으로기대한다.

참고문헌 (5)

Y. J. Kim and H. Kim, "Electrolytic corrosion of earth electrodes according to polarities in leakage current accident of low-voltage direct current," in KIEE Summer Conference 2018, pp. 1334-1335, Jul. 2018.
A. Yadav, A. Sharma, and M. Chandra "Corrosion control using DC current Parallel wire system," in International Conference on Advances in Engineering & Technology Research (ICAETR 2014), Aug. 2014.
S. Shankar, K. P. Pranav, and K. Raj, "Solar powered corrosion prevention in iron pipelines using impressed current cathodic protiection," in 14th International Conference on Environment and Electrical Engineering, May 2014.
M. H. Min, H. Jung, Y. Park, H. C. Kim, and M. C. Shin, "A simulation analysis on electrolytic corrosion protection system in DC feeding system," in KIEE Summer Conference 2011, pp. 2188-2189, Jul. 2011.
H. Y. Park, D. N. Shin, J. C. Sim, and G. S. Kim, "A study on the characteristics of the electrical corrosion by leakage current of seoul metro," in record of the Korean Society for Railway Autumn Conference, 2012.

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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