조재영
(Jae-Young Cho)
1
김규호
(Kyu-Ho Kim)
†
이재균
(Jea-Kyun Lee)
2
우정욱
(Jung-Wook Woo)
2
-
(Dept. of IoT Fusion Industry, Hankyong National University, Korea)
-
(Dept. of Korea Electric Power Corporation, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Surge arresters, Lightning strike, Photovoltaics, Lightning protection zone, EMTP-RV
1. 서 론
태양광에너지는 신재생에너지 중 주목받는 에너지원 중 하나이다. 태양광에너지 생산량은 지난 5년간 약 3배에 가까운 증가량을 보이며 이후로도 더욱 늘어날
것이다. 그러나 다른 신재생에너지와 마찬가지로 태양광 발전단지와 기존 전력계통을 연계하기 위해서는 먼저 발전단지의 안정성과 신뢰성을 검토하여 안정적으로
전력을 생산하고 공급할 수 있어야 한다. 이런 흐름에 따라 신재생에너지와 전력계통의 안정성 및 신뢰성에 관한 연구가 진행되고 있다[1]
.
낙뢰는 이러한 안정적인 전력 공급 및 품질 유지에 중대한 위협이 된다. 특히 낙뢰로 인해 생기는 과전압은 발전설비의 전기기기와 같은 내부설비에 심각한
피해를 준다. 과거 태양광 발전단지의 낙뢰 보호 대책이 직격뢰로 인한 피해를 중심으로 연구[2]
된 것과 달리 최근에는 유도뢰로 인한 과전압 측정[3-4]과 특정 조건에서의 유도뢰 과전압 변화 관찰[5]
등 내부 시설 보호를 위한 유도뢰 방지에 더욱 초점을 두고 있다. 또한, IEC-61312와 IEC-62305에서는 임펄스의 강도에 따른 낙뢰 보호
구역 및 보호 정도를 정의하고, LPZ 구역에 맞춘 피뢰기 Type을 정의하여 낙뢰 보호에 관한 규정을 더욱 세밀하게 정의했다. 전자기기 손상의 범위는
낙뢰 피크 전류, 전류 파형 및 타격 지점의 위치와 같은 몇 가지 특성에 따라 달라지기 때문에 낙뢰 보호 시스템 설치는 신중하게 다뤄져야 한다[6]
.
IEC-60364는 접지방식을 접지의 결선방식에 따라 TN, TT, IT 세 종류로 구분한다. 각 접지방식은 자신만의 특성이 있기에 어떤 접지방식을
사용하느냐에 따라 과전압의 크기가 달라진다.
본 논문에서는 EMTP-RV에서 모델링한 태양광 발전설비에 유도뢰가 인가되었을 때 IEC에서 소개된 TN, TT, IT 접지방식과 낙뢰 보호 구역에
따른 보호 기준이 낙뢰 과전압에 어떠한 영향을 미치는지 비교하여 분석한다.
2. 태양광 발전설비 및 피뢰설비 구성
2.1 태양광 발전설비 구성
본 논문에서는 태양광 패널에서 33kV, 68MW의 전력을 생산하고 컨버터를 통해 AC로 변환되는 태양광 단지를 모델링하였다. 시뮬레이션에서 낙뢰는
태양광 패널과 일정한 거리를 두고 발생한다고 가정하고, 낙뢰가 계통에 미치는 영향을 분석한다.
그림. 1. 태양광 발전설비 모델링
Fig. 1. Photovoltaics Model
2.2 낙뢰 조건 선정
낙뢰 모델은 EMTP-RV에서 제공하는 Isurge Source를 이용하여 0s부터 파미장이 5ms까지 지속하는 모델을 구성하였다. 단일 스트라이크의
최대 낙뢰 전류는 20kA이다.
낙뢰 파라미터는 IEC-62305를 참고하여 유도뢰의 파두시간과 파미시간을 각각 8$\mu s$, 20$\mu s$로 설정하였다. Isurge Source는
Heidler type surge이며 수식은 (1)과 같다. 수식의 Tf 는 최대값 도달 시간, $\tau$는 낙뢰 지속시간, n은 상승계수를 나타낸다. 낙뢰 채널은 직선형과 동시에 수직적이며, 뇌격지점과
선로 사이의 거리는 최단거리로 가정하여 시뮬레이션하였다.
그림. 2. 유도뢰의 전류 파형
Fig. 2. Lightning Current Waveform of Lightning-Induced
표 1. 유도뢰 상수
Table 1. Lightning-Induced Function
|
진폭[A]
|
20000
|
|
Tf[μs]
|
8
|
|
tau[μs]
|
20
|
|
n
|
1
|
|
Tstart[s]
|
0
|
|
Tstop[s]
|
0.005
|
2.3 피뢰설비 구성
2.3.1 IEC-60364 접지방식
IEC-60364에서는 낙뢰 피해를 막기 위한 접지방식을 세 가지로 구분하여 규정하고 있다. TN 접지방식은 전력 공급 측을 계통 접지하고 기기의
노출 도전성 부분은 보호도체를 통해 전원의 접지로 연결한다. 보호도체와 중성선의 결합 정도에 따라 TN 접지방식은 TN-S, TN-C, TN-C-S
세 가지로 다시 분류된다. TT 접지방식은 전력 공급 측을 계통 접지하고 기기의 노출 도전성 부분은 독립된 기기접지로 하여 별도로 접지한다. IT
접지방식은 전력 공급 측을 접지하지 않거나 임피던스를 고려하여 접지하고 기기의 노출 도전성 부분은 독립된 기기접지로 한다.
그림. 3. 접지방식
Fig. 3. TN Grounding Method
그림. 4. TT 접지방식과 IT 접지방식
Fig. 4. TT and IT Grounding Method
2.3.2 태양광 발전기의 피뢰 보호 구역
구조물의 전기전자시스템의 고장 위험을 줄이기 위해서 피뢰 보호 구역(LPZ : Lightning Protection Zone)을 구분하여 각 구역에
맞는 피뢰 보호 시스템을 구축한다. 태양광발전설비의 피뢰 시스템도 LPZ에 따라 보호기준을 달리하며 일반적으로 그림 5와 같이 구성한다.
그림. 5. 태양광발전기 피뢰구역
Fig. 5. Lightning Protection Zone at Photovoltaics
2.3.3 피뢰 보호 구역과 피뢰기
피뢰기의 규격은 피뢰 보호 구역에 따라 달라지며 그에 맞는 피뢰기를 Type 혹은 Class로 구분하여 적용한다. KS C IEC 62305-4에서는
LPZ 0b-1 사이에 Type 1, LPZ 1-2 사이에 Type 2와 같은 방식으로 영역에 다른 피뢰기 Type을 선정해 내부 시스템을 보호한다.
피뢰기의 Type에 따라 허용되는 공칭방전전류가 다르므로 이에 맞는 적절한 정격전압을 가진 피뢰기를 설치해야 한다. UL1449에서 Type 1은
10kA 혹은 20kA, Type 2는 3, 5, 10, 혹은 20kA까지의 공칭방전전류를 허용할 수 있어야 한다. 표 3은 공칭방전전류에 따라 피뢰기가 가져야 하는 정격전압을 나타낸다.
표 2. 공칭방전전류에 따른 피뢰기 정격전압
Table 2. Rated Voltage of the Lightning Arrester According to Nominal Discharge Current
|
공칭방전전류
|
피뢰기의 정격전압[kV]
|
|
10,000[A]
|
288, 144, 72, 24, 21, 7.5
|
|
5,000[A]
|
72, 24, 21, 7.5
|
|
2,500[A]
|
18, 9, 7.5
|
3. 시뮬레이션 및 결과 분석
대지 저항률은 100Ω·m, 낙뢰와 태양광 패널 사이의 거리는 각각 25m, 50m로 가정했다. 낙뢰는 태양광 패널과 시설 사이의 선로에 인가되도록
하였고, 그에 따라서 피뢰기의 정격전압은 Type 1에 해당하는 24kV와 72kV로 설정해 각각의 거리와 접지방식에 대하여 낙뢰 과전압을 분석하였다.
3.1 TN 접지방식을 적용했을 때의 낙뢰 과전압
TN 접지방식을 적용했을 때 낙뢰 과전압은 피뢰기 정격전압이 24kV일 때 55.86kV, 72kV일 때 54.06kV가 측정되었다. 피뢰기 정격전압의
변화는 최대 낙뢰 과전압에는 거의 영향을 미치지 않았으나, 24kV일 때 전압 파형의 일그러짐이 나타났다. 여기서 일그러짐은 고조파 파형 왜곡과 같이
사인 파형 자체가 일그러지는 것을 의미한다.
3.2 TT 접지방식을 적용했을 때의 낙뢰 과전압
TT 접지방식을 적용했을 때 낙뢰 과전압은 피뢰기 정격전압이 24kV일 때 62.05kV, 72kV일 때 47.62kV만큼 측정되었다. TN 접지방식의
경우와 같이 피뢰기 정격전압이 24kV에서 전압 파형의 일그러짐이 나타났으나 TN 접지방식보다는 그 영향이 적었다.
3.3 IT 접지방식을 적용했을 때의 낙뢰 과전압
IT 접지방식을 적용했을 때 낙뢰 과전압은 피뢰기 정격전압이 24kV일 때 61.92kV, 72kV일 때 47.19kV만큼 측정되었다. TT 접지방식의
경우와 같이 피뢰기 정격전압이 24kV일 때 전압파형의 일그러짐을 확인했으나 마찬가지로 TN 접지방식과 비교했을 때 영향은 적다.
그림. 6. 낙뢰 과전압 파형 (피뢰기 정격전압 24kV, TN 접지방식)
Fig. 6. Lightning Overvoltage Waveform(Rated Voltage of Surge Arrester Is 24kV, TN
Grounding)
그림. 7. 낙뢰 과전압 파형 (피뢰기 정격전압 72kV, TN 접지방식)
Fig. 7. Lightning Overvoltage Waveform(Rated Voltage of Surge Arrester Is 72kV, TN
Grounding)
그림. 8. 낙뢰 과전압 파형 (피뢰기 정격전압 24kV, TT 접지방식)
Fig. 8. Lightning Overvoltage Waveform(Rated Voltage of Surge Arrester Is 24kV, TT
Grounding)
그림. 9. 낙뢰 과전압 파형 (피뢰기 정격전압 72kV, TT 접지방식)
Fig. 9. Lightning Overvoltage Waveform(Rated Voltage of Surge Arrester Is 72kV, TT
Grounding)
그림. 10. 낙뢰 과전압 파형 (피뢰기 정격전압 24kV, IT 접지방식)
Fig. 10. Lightning Overvoltage Waveform(Rated Voltage of Surge Arrester Is 24kV, IT
Grounding)
그림. 11. 낙뢰 과전압 파형 (피뢰기 정격전압 72kV, IT 접지방식)
Fig. 11. Lightning Overvoltage Waveform(Rated Voltage of Surge Arrester Is 72kV, IT
Grounding)
3.4 접지방식별 낙뢰 과전압 분석
피뢰기 정격전압을 24kV로 적용했을 때, TN 접지방식은 TT과 IT 접지방식보다 낮은 과전압을 보였다. 그러나 피뢰기 정격전압을 72kV로 적용했을
때는 반대로 TN 접지방식이 더 높은 낙뢰 과전압을 보였다. 이는 TN 접지방식이 계통접지와 기기접지를 중성선과 보호도체를 통해 접지한다는 특성 때문으로
사료된다.
4. 결 론
본 논문에서 태양광 발전설비에서 낙뢰 보호 구역에 따른 보호기준을 고려하면서 접지방식의 변화를 주었을 때 낙뢰로 인해 생기는 과전압을 분석하였다.
계통의 안전한 운영을 위해서는 낙뢰 과전압을 최대한 줄이는 것이 이상적인 상황이므로, 태양광 발전단지의 피뢰설비를 시공할 때는 가급적 높은 정격전압을
가진 피뢰기를 설치해야 한다. 또한, TN, TT 및 IT 접지방식의 특성을 고려하여 태양광 발전설비의 접지방식을 달리해야 한다. 추후 접지방식을
포함한 태양광 발전단지의 피뢰설비에 각 접지방식을 적용하여 낙뢰로 인한 위험성을 가장 크게 줄일 수 있는 접지방식이 무엇인지 연구할 필요가 있다.
Acknowledgements
This research was supported by Korea Electric Power Corporation. (Grant Number: R18XA06-59)
References
2019, Renewables Global Status Report, Renewable Energy Policy Network for the 21st
Century, pp. 94-106
C. B. Rogers, 1981, The protection of phtovoltaic power systems from lightning, in
Proc. of 15th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, pp. 761-766
S. Yokoyama, K. Miyake, H. Mitani, N. Yamazaki, 1986, Advanced Observations of Lightning
Induced Voltage on Power Distribution Lines, IEEE Trans., Vol. PWRD-1, No. 2, pp.
129-139
S. Yokoyama, K. Miyake, S. Fukui, 1989, Advanced Observation of Lightning Induced
Voltage on Power Distribution Lines (II), IEEE Trans., Vol. PWRD-4, No. 4, pp. 2196-2203
C. Zhang, J. Hu, Y. Tu, W. Sun, H. Jun Li, S. Wang, 2011, Study of induced overvoltage
on solar arrays, in Proc. of 7th Asia-Pacific International Conference on Lightning,
pp. 852-857
J. C. Hernandez, P. G. Vidal, F. Jurado, 2008, Lightning and Surge Protection in Photovoltaic
Installations, IEEE Trans., Vol. 23
저자소개
2018년 한경대 전기전자제어공학과 졸업
2018~현재 동 대학원 IoT융합산업학과 석사과정
1988년 한양대 전기공학과 졸업. 1990년 동 대학원 전기공학과 졸업(석사)
1996년 동 대학원 전기공학과 졸업(공박)
1996년 신안산대학 전기과 부교수
2011년 9월~2012년 8월 Baylor University Visiting Scholar
2008년 9월~현재 국립한경대학교 전기전자제어공학과 교수
1998년 남서울대 전자계산학과 졸업
2001년 중앙대 산업대학원 정보경영학과 졸업(석사)
2013년 한경대 대학원 전기공학과 졸업(석사)
2017~현재 한경대 대학원 전기전자제어학과 박사과정
현재 한국전력 경기본부 안성지사 차장, 전력공급 부장 직무대행, 중장기 투자계획 및 전력공급 총괄, 배전설비 운영 및 고장 총괄
1992년 경북대학교 공대 전기공학과 졸업
1994년 동 대학원 전기공학과 졸업(석사)
2007년 동 대학원 전기공학과 졸업(박사)
현재 한전 전력연구원 송전기술연구실장(수석연구원), 절연설계, 내뢰설계, 낙뢰관측, 송변전 신설비 개발 및 고장해석 등