[논문]풍력발전설비의 접지시스템 설계에 관한 연구

조대훈; 이기식; 정철희; 박대현

문제 정의

본 논문에서는 산악지역에 설치되는 다수의 풍력발전 설비의 접지시스템에 대해 연구하였다. 본 연구의 대상은 영양지역의 산간지방에 설치된 750KW 급의 총 42기의 풍력발전 설비를 대상으로 하였으며, 풍력발전 설비를 통해 만들어진 전기는 하나의 전력계통에 연계되어 154KV 변전설비에 공급되고, 한전의 전력계통에도 접속된다.
본 논문에서는 설치 현장이 산악 암반지역이나 바닷가 제방과 같은 낙뢰에 취약하거나 지락사고 발생시 연계된 타 전력계통에 문제를 일으킬 수 있는 구조로 이루어져 있는 풍력발전설비의 접지시스템 구성에 대해 연구하였다. 풍력발전 설비의 안전성 확보와 안전한 설비 운용을 위한 접지시스템으로 풍력발전설비 자체의 등전위 본딩과 인접 설비들의 공통접지를 제안하여 구성하였다.

제안 방법

(표2-3)의 설계사양에 따라 적용된 2-가지 형태의 접지방식으로 현장에 시공하여 그 결과값을 측정 확인하였다.[4-5],[10] (그림2-7)는 현장의 접지공사작업을 보여준다.
대지저항률의 측정은 4-점 Wenner 측정법을 활용하였으며, 측정위치는 영양 산악 지역의 시공 현장 부지에서 시행하였다. 다수의 풍력발전설비가 설치될 각각의 위치에서 측정한 측정결과를 활용하였다. 현장에서 4-점 Wenner 측정법으로 측정장비(AEMC 4500) 를이용하여 16m까지의 대지저항률을 측정하였고 측정 계산된 대지저항률은 표2-1와 같다[1].
다양한 위치에서 측정된 측정데이타를 산악지역 특성을 고려하여 대지 지층 구조를 분석한 후 접지설계를 수행하였다. [1],[4].
47kA로 계산되며, 이 지락전류값을 적용하여 안전기준의 보폭 및 접촉전압을 계산하였다[3]. 또한 인명및 설비를 보호를 위해 접지시스템과 인접설비의 등전위 본딩을 구성 하였고, 이를 통해 지중 전위의 감소는 물론 보폭 및 접촉전압을 안전 전압이하로 되도록 설계하였다.[2]
분석에 따른 지층구조의 특성을 최대한 활용하여 최적의 접지시스템을 설계 적용한다면 경제적이고 안정된 성능을 발휘하는 접지시스템을 구축할 수 있다. 본 연구에 적용된 현장은 기본적으로 암반 특성을 나타내고 있으며, 지역적 특성되 산악의 높은 지대이므로 낙뢰의 위험성이 매우 높아 방전성이 좋은 XIT 서지저감 방사침 접지설비를 설계 적용하였다.[4],[6]
본 연구에서 설비 전체의 안정적 접지시스템의 구축과 보호를 위해 설치 현장의 정확한 대지구조의 분석을 위해 현장 대지저항률을 실측 하여 실제 지층 구조에 맞게 분석하였고, 설계 및 시공의 신뢰성을 높이기 위해 분석된 지층 구조에 맞게 보링공법으로 접지시공방식을 선정하여 설계 및 시공의 신뢰성을 높였다..
설계 모델링은 CDEGS MART 모듈에 시뮬레이션하였고, 접지설계는 산악 및 암반지역 특성상 10ohm의 접지저항을 얻기 위해 지름-∅54, 길이-3m의 XIT 서지저감 방사침 접지봉을 이용하여 A-TYPE 구조데이타와 B-TYPE 구조의 데이터에 대해 각각 설계 적용하였다.
본 연구의 대상은 영양지역의 산간지방에 설치된 750KW 급의 총 42기의 풍력발전 설비를 대상으로 하였으며, 풍력발전 설비를 통해 만들어진 전기는 하나의 전력계통에 연계되어 154KV 변전설비에 공급되고, 한전의 전력계통에도 접속된다. 이러한 발전설비 전체를 하나의 발전시스템으로 구성하여 접지시스템을 설계 하였고 각각의 설비의 지중 등전위 구성을 위해 공통접지로 설계 제안 하였다. 풍력발전 설비와 같은 특수한 시설물의 경우, 설치지역의 지질 특성상 낮은 접지저항을 얻기가 어렵거나 접지시공 자체가 용이하지 않은 지역이 많으므로 낙뢰와 지락전류와 같은 대용량 전류의 유입시 연계된 전체 시스템에 미치는 영향과 위험성을 최소화하는 등전위 접지구성을 통해 설비를 보호하는 것이 효율적이다[9].
측정 현장은 산악지역으로 지층 구조는 표면토와 지중 암반으로 예상 되며 분석되는 지층 구조에 맞는 접지 공법을 적용하여 현장에 적합한 접지설계를 수행하였다. [1],[6]
본 논문에서는 설치 현장이 산악 암반지역이나 바닷가 제방과 같은 낙뢰에 취약하거나 지락사고 발생시 연계된 타 전력계통에 문제를 일으킬 수 있는 구조로 이루어져 있는 풍력발전설비의 접지시스템 구성에 대해 연구하였다. 풍력발전 설비의 안전성 확보와 안전한 설비 운용을 위한 접지시스템으로 풍력발전설비 자체의 등전위 본딩과 인접 설비들의 공통접지를 제안하여 구성하였다. 그리고 설계 제안된 접지 설비의 성능을 확인하기 위해 현장에서 측정된 대지저항률을 2-가지 형태의 대지구조유형으로 분석하여 접지 설계에 적용하였고, 설계된사양으로 현장에 시공하여 결과 값을 실측 비교하였다.
현장에서 측정된 대지저항률의 대지지층구조 분석을 위해 CDEGS RESAP 모듈을 활용하였으며, 대지지층구조 분석은 2-가지 유형의 수평지층 구조로 분석하였다[1],[2]. 2-가지 유형의 적용은 현장의 외부환경과 설치 위치를 구분하여 측정된 데이타를 구분하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 산악지역에 설치되는 다수의 풍력발전 설비의 접지시스템에 대해 연구하였다. 본 연구의 대상은 영양지역의 산간지방에 설치된 750KW 급의 총 42기의 풍력발전 설비를 대상으로 하였으며, 풍력발전 설비를 통해 만들어진 전기는 하나의 전력계통에 연계되어 154KV 변전설비에 공급되고, 한전의 전력계통에도 접속된다. 이러한 발전설비 전체를 하나의 발전시스템으로 구성하여 접지시스템을 설계 하였고 각각의 설비의 지중 등전위 구성을 위해 공통접지로 설계 제안 하였다.

데이터처리

풍력발전 설비의 안전성 확보와 안전한 설비 운용을 위한 접지시스템으로 풍력발전설비 자체의 등전위 본딩과 인접 설비들의 공통접지를 제안하여 구성하였다. 그리고 설계 제안된 접지 설비의 성능을 확인하기 위해 현장에서 측정된 대지저항률을 2-가지 형태의 대지구조유형으로 분석하여 접지 설계에 적용하였고, 설계된사양으로 현장에 시공하여 결과 값을 실측 비교하였다.

이론/모형

대지저항률의 측정은 4-점 Wenner 측정법을 활용하였으며, 측정위치는 영양 산악 지역의 시공 현장 부지에서 시행하였다. 다수의 풍력발전설비가 설치될 각각의 위치에서 측정한 측정결과를 활용하였다.
[10]. 측정방법은 4-점 Wenner 전극법을 이용하여 대지저항률을 측정[1]하였고, CDEGS RESAP 모듈을 이용하여 대지저항률의 대지구조를 분석하였으며, MART 모듈로 접지 설계 시뮬레이션을 수행하였다[2]. 또한 대용량 발전설비를 감안하여 지략전류에 위험성을 제거하기 위한 풍력발전설비의 보폭 및 접촉전압을 반영한 접지시스템을 구성하여 최적의 인명 보호방안을 제안하였다[3~4],[6].
다수의 풍력발전설비가 설치될 각각의 위치에서 측정한 측정결과를 활용하였다. 현장에서 4-점 Wenner 측정법으로 측정장비(AEMC 4500) 를이용하여 16m까지의 대지저항률을 측정하였고 측정 계산된 대지저항률은 표2-1와 같다[1].
형태별로 설계 시공된 접지시스템의 시공 결과를 IEEE 에 규정된 3- 점 전위차 측정법으로 측정하였으며, 측정장비는 IEEE, NEC 규정을 만족하는 접지저항 측정기 AEMC4500을 이용하였다.[1-2],[4][10].

성능/효과

본 연구를 통해 현장에 맞게 제안된 접지시스템 구성으로 대용량 위험 전류의 신속한 방전과 안전한 등전위를 확보할 있으며, 또한 풍력발전설비 자체의 보호와 인접된 설비 모두를 보호할 수 있음을 확인할 수 있었다. 향후에는 구체적 연구를 통해 아직 표준 규격화 되어 있지 않은 풍력발전 설비의 접지시스템과 등전위 구성에 대한 국내 실정에 맞는 표준화 작업이 절실히 요구된다.

후속연구

차후의 지속적인 연구를 통해 다양한 유형으로 대지구조를 분석함으로써 풍력발전설비에 맞는 접지설계 및 시공의 성능을 평가할 것이다.
본 연구를 통해 현장에 맞게 제안된 접지시스템 구성으로 대용량 위험 전류의 신속한 방전과 안전한 등전위를 확보할 있으며, 또한 풍력발전설비 자체의 보호와 인접된 설비 모두를 보호할 수 있음을 확인할 수 있었다. 향후에는 구체적 연구를 통해 아직 표준 규격화 되어 있지 않은 풍력발전 설비의 접지시스템과 등전위 구성에 대한 국내 실정에 맞는 표준화 작업이 절실히 요구된다.

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