[논문]대지저항률에 따른 접지임피던스의 주파수 의존성

배성배; 최종혁; 박건훈; 이복희

대지저항률에 따른 접지임피던스의 주파수 의존성
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배성배 (인하대학교 IT공대 전기공학부) , 최종혁 (인하대학교 IT공대 전기공학부) , 박건훈 (인하대학교 IT공대 전기공학부) , 이복희 (인하대학교 IT공대 전기공학부)

A design criterion of grounding systems is commonly based on low frequency resistance in Korea. When lightning surges which have high frequency components are injected into the grounding system, the grounding impedance is greatly different from the static grounding resistance. This paper presents the grounding adimittance and phase on the frequency range from 100 [Hz] to 15 [MHz] using water tank simulating the grounding system in different water resistivities. As a result, capacitive effect is dominant over the frequency of 100 [kHz] at the water resistivity of 1,000 [$\Omega$ m]. On the other hand, the inductive characteristics appear at the low water resistivity. Consequently, dependence of grounding impedances on the frequency of injected current is strongly related to resistivity.

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문제 정의

본 논문에서는 대지저항률과 인가주파수에 따른 접지 임피던스의 특성을 파악하기 위하여 그림 1과같이 대지를 모의하는 직경 110 [cm]를 갖는 반구형 수조의 중앙에 접지극을 모의하는 전극을 설치하였다.

가설 설정

m]의 물의 저항률에서 10 [mA] 의 전류를 일정하게 흘려줄 때, 그림 2의 (a)와 같이 100 [Hz]의 저주파 영역에서는 전압과 전류의 위상차가거의 나타나지 않으며 수조양단에 약 80 [V] 의전압이 나타난다. 하지만 그림 2 (b)의 100 [kHz] 의 고주파 영역에서는 같은 전류를 흘려주었을 때 전류의 위상이 전압에 비해 24° 앞서며 수조 양단의 전압이 60 [V]로 낮아진다.

제안 방법

대지의 저항률과 주파수에 따른 접지임피던스의 가장 큰 차이는 유도 성분과 용량성 성분이며, 만약 그것을 고려하지 않는다면 접지 시스템의 성능을 보장할 수 없다.[4] 따라서 본 논문에서는 접지임피던스 특성을 파악하기 위 해대지를 모의하는 반구형 수조에 저항률이 크게 다른 물에 대하여 100 [Hz]에서 15 [MHz]의 주파수범위에서 정현파 전압을 인가하였을 때 나타나는 임 피던스특성을 파악하였다.
전력증폭기의 변환은 크기와 위상 등의 변화가 발생하지 않는 100 [kHz]를 기준으로 하였으며 전류의 측정은 55 [MHz]까지 유도 성분이 나타나지 않는 1 [k Q]의 분류기를 이용하여 측정하였다. 차동프로브를 사용하여 수조와 분류기양단의 전압을 측정하였으며, 4채널 500〔MHz]주파수 대역을 갖는 오실로스코우프를 통하여 전류와 전압을 분석하였다.
접지극의 주파수의존성을 시뮬레이션하기 위해서 반구형 수조에서 저항률과 접지극의 형상에 따른 접지 임피던스를 분석하였다.
차동프로브를 사용하여 수조와 분류기양단의 전압을 측정하였으며, 4채널 500〔MHz]주파수 대역을 갖는 오실로스코우프를 통하여 전류와 전압을 분석하였다. 접지극의 형상과 물의 저항률에 따른 접지 임피던스의 변화를 분석하기 위해서 침전극과 반구형 접지 극에 대하여 반복 실험을 수행하였으며, 물의 저항률에 대한측정은 전기전도도 측정기 (CM-21P, TOA) 를 사용하였다.
전력증폭기의 변환은 크기와 위상 등의 변화가 발생하지 않는 100 [kHz]를 기준으로 하였으며 전류의 측정은 55 [MHz]까지 유도 성분이 나타나지 않는 1 [k Q]의 분류기를 이용하여 측정하였다. 차동프로브를 사용하여 수조와 분류기양단의 전압을 측정하였으며, 4채널 500〔MHz]주파수 대역을 갖는 오실로스코우프를 통하여 전류와 전압을 분석하였다. 접지극의 형상과 물의 저항률에 따른 접지 임피던스의 변화를 분석하기 위해서 침전극과 반구형 접지 극에 대하여 반복 실험을 수행하였으며, 물의 저항률에 대한측정은 전기전도도 측정기 (CM-21P, TOA) 를 사용하였다.

성능/효과

50 [ffi - m]에서의 위상각은 1, 000 [Q - m] 에서와 달리 주파수가 1 [MHz] 까지 상승함에 따라서 전류가 전압에 비하여 35°까지 뒤지게 되어 접지 시스템에 유도성 성분이 나타나고 1 [MHz] 이상에서 위상이양의 값으로 증가하여 용량성 성분을 나타낸다. 그림 6 (b)의 어드미턴스의 경우 도 100 [kHz]이하의 주파수에서는 1, 000 [Q . m]에 비하여 20배 이상의 값을 나타내나 100 [kHz] 이상에서 주파수가 증가함에 따라 급격하게 감소하는 특성을 보였다. 이것은 낮은 저항률에서는 저항이 감소하기 때문에 임피던스가 작게 나타나나 주파수가 상승함에 따라서 접지극의 유도 성분이 증가하여 접지 임피던스가 증가하는 결과가 나타난 것으로 분석된다.
1, 000 [Q . m]의 물의 저항률에서와 달리 그림 3 의 50 [Q , m]의 낮은 저항률에서는 인가된 전류의 크기가 증가하였음에도 불구하고 15 [V] 정도로낮아진 것을 확인할 수 있으며, 저주파에서는 높은 저항률에서와 마찬가지로 전류와 전압이 동상을 이루나 100 [kHz]의 높은 주파수에서는 오히려 전류가 전압에 비하여 8°정도 뒤지는 것으로 나타났다.
현저하게 나타났다. 1, 000 [Q . m]의 저항률에서는 약 100 [kHz] 이하의 주파수에서 증류수의 저항성분에 의해 임피던스가 크게 나타나나 주파수가 증가할수록 용량성 성분에 의해 임피던스가 감소되었다. 반면, 50 [Q - m]의 낮은 저항률에서는 유도성 성분이 나타나며, 100 [k旧z]이상의주파수에서 접지 임피던스가 급격히 증가하는 것으로 나타났다.
접지 시스템은 RC병렬회로로 분석되며 접지 극의 형상에 따른 측정에서는 반구전극이 침전극 보다 큰 면적으로 인해 낮은 임피던스를 나타내었고, 물의 저항률에 따른 측정에서는 접지극의 주파수 의존성이 현저하게 나타났다. 1, 000 [Q .

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