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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEE Vol. 68, No. 11, p.1458-1164

ISSN (print) :

1975-8359

ISSN (online) :

2287-4364

Received : 28 September 2019Accepted : 18 October 2019

DOI :

http://doi.org/10.5370/KIEE.2019.68.11.1456

An Analysis and Comparison of Safety Voltage (Step Voltage and Touch Voltage) According to Isolation and Common Grounding System of Large-Scale Photovoltaic Power Plant

대규모 태양광발전소의 개별접지 및 통합접지에 따른 안전전압(보폭전압 및 접촉전압) 비교 분석

이창욱 (Chang-Uk Lee) ¹iD 김재철 (Jae-Chul Kim) ^†iD

(Department of Electrical Engineering, Soongsil University, Korea.)

^†Corresponding Author : Department of Electrical Engineering, Soongsil University, Korea E-mail : jckim@ssu.ac.kr

License :

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.(www.kiee.or.kr).

Abstract

Large-scale photovoltaic power plant facilities have been steadily growing not only in Korea but also in the world. As the importance of designing a large-scale photovoltaic power plant grounding system to prevent human electric shock accidents and equipments damage caused by ground faults are emphasized. In order to prevent human electric shock accidents and equipments damage, the grounding system should be designed to limit the safety voltages(step voltage and touch voltage) when a ground faults. In this paper, the safety voltage of critical facilities for the large-scale photovoltaic power plants are compared when applying fault currents to grounding systems(isolation grounding/common grounding) applied to large-scale photovoltaic power plants with simulation utilizing CDEGS.

Key words

Grounding System, Large-Scale, Photovoltaic, PV Plant, Safety Voltage, Step Voltage, Touch Voltage

1. 서 론

최근 화석연료 고갈 및 기존 발전소(화석연료를 사용하는 발전소)에서 발생하는 온실가스 배출량이 지속적으로 빠르게 증가하면서 지구온난화 등 심각한 환경문제가 국제적으로 이슈화되고 있다⁽¹⁾.

온실가스 감축을 위해 국내의 경우 ‘재생에너지 3020 이행계획(안)’을 발표하여 2030년까지 전체 발전량의 20%를 재생에너지로 대체하는 계획을 수립하였다. 2018년~2030년까지 계획한 재생에너지 신규 설비용량(48.7GW)중 95% 이상을 태양광발전소(PV Plat) 등 재생에너지로 대체할 예정이다⁽²⁾.

해외의 경우 2017년 한해 재생에너지 신규 설비용량은 총 178GW이며, 그 중에서 태양광발전소의 신규 설비용량은 98GW(55%)로 가장 높았다. 또한 1990년~2017년까지 경제협력개발기구(OECD) 국가의 태양광발전소 연평균 성장률은 34.8%로 재생에너지원 중 가장 높았다⁽³⁾.

이와 같이 전 세계적으로 태양광발전소 공급량이 지속적으로 증가함에 따라 대규모 태양광발전소(MWp급)도 증가하고 있다. 이에 따라 지락사고에 의한 인체감전사고 및 설비의 손상 등을 예방하기 위한 대규모 태양광발전소 접지시스템 설계의 중요성이 강조되고 있다. 즉 인체감전사고 및 설비의 손상을 예방하기 위해서는 지락사고가 발생하였을 때 안전전압(보폭전압 및 접촉전압)을 제한하도록 접지시스템이 설계되어야 한다⁽⁴⁾.

특히, 지락전류 유입 시 발생하는 고장전류로 인하여 인체 감전사고 확률이 높으며, 손상될 경우 많은 복구 시간 및 비용이 발생하는 대규모 태양광발전소 수전설비(변압기, 인버터, 분배전반 등) 부분의 안전전압을 고려한 접지시스템 설계가 중요하다⁽⁵⁾.

본 논문에서는 대규모 태양광발전소에 적용되는 접지시스템 방식별(개별접지, 통합접지)에 따른 고장전류 인가 시 태양광발전소 수전설비 부분의 안전전압을 검토하고자 한다. 이를 위해 고장전류 인가 시 대규모 태양광발전소 수전설비에서 발생하는 안전전압을 CDEGS를 활용한 시뮬레이션으로 접지시스템 방식별로 비교하였다.

2. 이 론

2.1 보폭전압(step voltage)

접지시스템에 고장전류가 유입하면 접지시스템 부근의 대지전위가 상승하게 된다. 이때 접지시스템 부근에 서 있는 인체의 양발 사이에 인가되는 전압을 보폭전압이라 한다.

IEEE Std 80-2000에 의하면 보폭전압은 인체가 서 있는 상태에서 양발을 1m 간격으로 벌렸을 때 지표면 위의 양발 사이의 전위차로 정의하고 있다^(6-⁸⁾.

그림 1은 보폭전압에 대한 개념도이며, 여기서 $I$는 접지시스템에 유입된 고장 전류이다.

그림. 1. 보폭전압의 개념도

Fig. 1. The basic scheme of step voltage

최대허용보폭전압 $E_{step}$은 (1)과 같다.

(1)

$E_{step}= I_{B}\bullet(R_{B}+ 2R_{F})$

여기서 $I_{B}$는 인체에 흐르는 전류, $R_{B}$는 양발 사이의 인체저항 그리고 $R_{F}$는 한쪽 발의 대지접촉저항이다.

IEEE Std 80-2000에서는 양발 사이의 인체저항(1000Ω)을 적용하여 체중이 50kg인 사람과 체중이 70kg인 사람에 관하여 고장전류 시간에 대한 허용보폭전압을 (2)와 같이 나타내었다^(6-⁹⁾.

(2)

\begin{align*} E_{step50}=(1000 + 6C_{s}\bullet\rho_{s})\dfrac{0.116}{\sqrt{t_{s}}}\\ \\ E_{step70}=(1000 + 6C_{s}\bullet\rho_{s})\dfrac{0.157}{\sqrt{t_{s}}} \end{align*}

여기서 $C_{s}$는 표면층의 감소계수, $\rho_{s}$는 표면층의 대지저항률 그리고 $t_{s}$는 고장의 지속시간이다.

2.2 접촉전압(touch voltage)

접지시스템에 고장전류 유입 시 인체가 접지시스템 부근의 구조물에 접촉하게 되면, 구조물의 전위와 인체가 서 있는 지점의 대지표면 사이에 전위차가 발생하게 되는데 이것이 접촉전압이라 한다.

IEEE Std 80-2000에 의하면 접촉전압은 접지되어 있는 구조물과 대지표면상의 거리 1m인 지점사이의 전위차로 정의하고 있다^(6-⁸⁾.

그림 2는 접촉전압에 대한 개념도이다.

그림. 2. 접촉전압의 개념도

Fig. 2. The basic scheme of touch voltage

최대허용접촉전압 $E_{touch}$은 (3)과 같다.

(3)

$E_{touch}= I_{B}\bullet(R_{B}+\dfrac{R_{F}}{2})$

IEEE Std 80-2000에서는 양발 사이의 인체저항(1000Ω)을 적용하여 체중이 50kg인 사람과 체중이 70kg인 사람에 관하여 고장전류 시간에 대한 허용접촉전압을 (4)와 같이 나타내었다^(6-⁹⁾.

(4)

\begin{align*} E_{touch50}=(1000 + 1.5C_{s}\bullet\rho_{s})\dfrac{0.116}{\sqrt{t_{s}}}\\ \\ E_{touch70}=(1000 + 1.5C_{s}\bullet\rho_{s})\dfrac{0.157}{\sqrt{t_{s}}} \end{align*}

3. 대규모 태양광발전소 접지시스템 현황 및 모델링

현재 대규모 태양광발전소 접지시스템은 개별접지 또는 통합접지를 적용하고 있으며, 수전설비는 대부분 대규모 태양광발전소 인입구 부분에 1개소를 설치하여 운용하고 있다^(11-¹²⁾.

3.1 대규모 태양광발전소 접지시스템 모델링

대규모 태양광발전소에 적용되는 접지시스템 방식(개별접지 및 통합접지)에 따른 고장전류 인가 시 태양광발전소 수전설비에 미치는 영향을 검토하고자 접지시스템 방식별로 모델링하였다. 또한 통합접지는 Mesh 접지극 구성에 따른 영향을 검토하고자 총 3가지(통합접지 1안, 통합접지 2안, 통합접지 3안)로 구성하였다. 대규모 태양광발전소 접지시스템 모델링은 CDEGS 프로그램의 HIFREQ 모듈을 이용하여 구성하였다.

대규모 태양광발전소 설치 면적은 31,500m2, 용량은 2MWp로 구성하였으며, 태양광발전소가 설치된 곳의 대지저항률은 135Ω ․ m로 설정하였다⁽¹⁰⁾.

태양광발전소 수전설비 부분의 안전전압은 IEEE Std 80-2000의 계산식을 기반으로 양발 사이의 인체저항은 1000Ω, 체중이 50kg인 사람을 기준으로 하였다. 시뮬레이션은 CDEGS 프로그램의 MALT 모률을 이용하였다.

여기서 고장전류는 825A(1선 지락 전류의 20%), 고장 지속시간은 배선용차단기(MCCB)의 차단시간을 감안한 최대 0.5sec로 설정하였으며, 태양광발전소가 설치된 기초 부분의 비저항 및 깊이는 3,000Ω ․ m, 0.1m로 설정하였다(6,8,10).

3.1.1 2MWp 태양광발전소의 개별접지 모델링

그림 3은 개별접지를 적용한 2MWp 태양광발전소 접지시스템 모델링이며, 일반적으로 현재 설치하여 운용중인 수전설비가 1개소인 경우로 구성하였다. 수전설비는 전력이 공급되는 태양광발전소 인입구 부분에 1개소를 적용하였다.

그림. 3. 개별접지를 적용한 2MWp 태양광발전소 접지시스템 모델링

Fig. 3. Modeling of 2MWp PV Plant grounding system applied with isolation grounding

표 1은 개별접지를 적용한 2MWp 태양광발전소 접지시스템 구성을 나타낸 것이다.

표 1. 개별접지를 적용한 2MWp 태양광발전소 접지시스템 구성

Table 1. Grounding system configuration of 2MWp PV Plant with isolation grounding

접지시스템 구성은 접지선(나동선 50mm2) 및 접지봉(동봉, Ø19×2400mm) 총 381개로 구성하였으며, 접지시스템의 접지저항값은 약 2.5Ω이다.

고장전류 인가 시 개별접지를 적용한 2MWp 태양광발전소 수전설비에 발생하는 안전전압을 검토하고자 한다.

3.2.2 2MWp 태양광발전소의 통합접지 모델링

그림 4~그림 6은 통합접지를 적용한 2MWp 태양광발전소 접지시스템 모델링이다. Mesh 접지극 구성에 따른 영향을 검토하고자 총 3가지(통합접지 1안, 통합접지 2안, 통합접지 3안)로 구성하였다.

개별접지와 동일하게 수전설비는 전력이 공급되는 태양광발전소 인입구 부분에 1개소를 설치하였다. 접지시스템 구성은 Mesh 접지극(나동선 50mm2) 및 접지봉(퍼라이트 접지모듈, Ø260×1000mm) 총 8개로 구성하였다.

그림 4는 통합접지 1안을 나타낸 것이며, Mesh 접지극 구성은 태양광발전소 외곽 부분 뿐만아니라 수전설비에 발생하는 안전전압을 낮추기 위해서 수전설비 부분에 간격 10m×10m로 집중적으로 적용하였다. 통합접지 1안으로 구성하였을 때 접지시스템의 접지저항값은 약 0.39Ω으로 확인되었다.

그림. 4. 통합접지 1안을 적용한 2MWp 태양광발전소 접지시스템 모델링

Fig. 4. Modeling of 2MWp PV Plant grounding system applied with common grounding 1

그림 5는 통합접지 2안을 나타낸 것이며, Mesh 접지극 구성은 태양광발전소 외곽 부분 뿐만아니라 태양광발전소 설치 면적에 균등하게 간격 50m×50m으로 적용하였다.

그림. 5. 통합접지 2안을 적용한 2MWp 태양광발전소 접지시스템 모델링

Fig. 5. Modeling of 2MWp PV Plant groundign system applied with Common Grounding 2

통합접지 2안으로 구성하였을 때 접지시스템의 접지저항값은 약 0.34Ω으로 확인되었다.

그림 6은 통합접지 3안을 나타낸 것이며, Mesh 접지극 구성은 태양광발전소 외곽 부분에만 간격 150m×210m으로 적용하였다. 통합접지 3안으로 구성하였을 때 접지시스템의 접지저항값은 약 0.40Ω으로 확인되었다.

그림. 6. 통합접지 3안을 적용한 2MWp 태양광발전소 접지시스템 모델링

Fig. 6. Modeling of 2MWp PV Plant groundign system applied with Common Grounding 3

표 2는 통합접지를 적용한 2MWp 태양광발전소 접지시스템 구성을 나타낸 것이다.

표 2. 통합접지를 적용한 2MWp 태양광발전소 접지시스템 구성

Table 2. Grounding system configuration of 2MWp PV Plant with common grounding

고장전류 인가 시 통합접지를 적용한 2MWp 태양광발전소 수전설비에 발생하는 안전전압을 검토하고자 한다.

4. 시뮬레이션 결과

4.1 2MWp 태양광발전소의 개별접지 시뮬레이션 결과

그림 7은 개별접지를 적용한 2MWp 태양광발전소 모델링에 대한 수전설비의 보폭전압 및 접촉전압 시뮬레이션 결과이다.

그림. 7. 개별접지를 적용한 2MWp 태양광발전소 시뮬레이션 결과(보폭전압 및 접촉전압)

Fig. 7. Simulation results of 2MWp PV Plant applied with isolation grounding (step voltage and touch voltage)

고장전류 인가 시 수전설비에서 발생한 보폭전압은 1900V이며, 접촉전압은 1727.2V로 확인되었다.

2MWp 태양광발전소에 개별접지를 적용할 경우 고장전류 인가 시 수전설비에서 높은 보폭전압 및 접촉전압이 발생하는 것을 확인하였다.

4.2 2MWp 태양광발전소의 통합접지 시뮬레이션 결과

그림 8~그림 10은 통합접지를 적용한 2MWp 태양광발전소 모델링에 대한 시뮬레이션 결과이다.

그림 8은 통합접지 1안을 적용한 2MWp 태양광발전소 모델링에 대한 수전설비의 보폭전압 및 접촉전압 시뮬레이션 결과이다.

고장전류 인가 시 수전설비에서 발생한 보폭전압은 5.4V이며, 접촉전압은 16.3V로 확인되었다.

그림. 8. 통합접지 1안을 적용한 2MWp 태양광발전소 시뮬레이션 결과 (보폭전압 및 접촉전압)

Fig. 8. Simulation results of 2MWp PV Plant applied with common grounding 1(step voltage and touch voltage)

그림 9는 통합접지 2안을 적용한 2MWp 태양광발전소 모델링에 대한 수전설비의 보폭전압 및 접촉전압 시뮬레이션 결과이다.

고장 전류 인가 시 수전설비에서 발생한 보폭전압은 7.3V이며, 접촉전압은 12.4V로 확인되었다.

그림 10은 통합접지 3안을 적용한 2MWp 태양광발전소 모델링에 대한 수전설비의 보폭전압 및 접촉전압 시뮬레이션 결과이다. 고장 전류 인가 시 수전설비에서 발생한 보폭전압은 5.1V이며, 접촉전압은 16.5V로 확인되었다.

통합접지(1안, 2안, 3안)를 적용할 경우 개별접지를 적용할 경우보다 매우 낮은 안전전압이 수전설비에서 발생하는 것을 확인하였다.

4.3 안전전압(보폭전압 및 접촉전압) 시뮬레이션 결과

표 3은 IEEE Std 80-2000의 계산식을 기반으로 CDEGS 프로그램의 MALT 모듈을 이용하여 고장 전류 인가 시 2MWp 태양광발전소 접지시스템 모델링에 대한 수전설비에서 발생하는 안전전압(보폭전압 및 접촉전압) 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.

그림. 9. 통합접지 2안을 적용한 2MWp 태양광발전소 시뮬레이션 결과 (보폭전압 및 접촉전압)

Fig. 9. Simulation results of 2MWp PV Plant applied with common grounding 2 (step voltage and touch voltage)

표 3에서 보는바와 같이 통합접지(1안, 2안, 3안)는 모두 허용 전앖 기준값에 적합하였지만 개별접지는 접촉전압이 허용 전압 기준값에 부적합하다는 것을 확인하였다.

표 3. 안전전압(보폭전압 및 접촉전압) 시뮬레이션 결과

Table 3. Simulation results of safety voltage(step voltage and touch voltage)

구분		개별접지	통합접지
허용 전압 기준값		개별접지	1안	2안	3안
보폭전압	2441.9V	1900.0V	5.4V	7.3V	5.1V
접촉전압	727.5V	1727.2V	16.3V	12.4V	16.5V

5. 경제성 분석

표 4는 2MWp 태양광발전소 접지시스템 방식별(개별접지 및 통합접지)로 접지시스템 총 공사비를 비교한 것이다.

2MWp 태양광발전소 접지시스템 총 공사비 산출은 실제 현장에 적용가능한 실시 설계 기준으로 산출한 것이다.

단, 22.kV-Y 인입 배전선로 비용을 제외한 접지시스템 총 공사비를 산출한 것이다.

그림. 10. 통합접지 3안을 적용한 2MWp 태양광발전소 시뮬레이션 결과(보폭전압 및 접촉전압)

Fig. 10. Simulation results of 2MWp PV Plant applied with common grounding 3 (step voltage and touch voltage)

% 비교는 접지시스템 총 공사비가 가장 높은 개별접지(100%)를 기준으로 %로 접지시스템 총 공사비를 비교한 것이다. 통합접지 1안을 적용한 경우 접지시스템 총 공사비는 개별접지보다 약 68% 감소, 통합접지 2안을 적용한 경우는 개별접지보다 약 62% 감소, 통합접지 3안을 적용한 경우는 개별접지보다 약 71% 감소한 것을 확인하였다.

따라서 2MWp 태양광발전소에 통합접지를 적용할 경우 개별접지를 적용한 경우보다 접지시스템 총 공사비가 평균 약 67% 감소하는 것을 확인하였다.

표 4. 2MWp 태양광발전소의 접지시스템 총 공사비

Table 4. Grounding system construction total cost of 2MWp PV Plant

구분		접지시스템 총 공사비	% 비교
개별접지		약 87,500천원	100%
통합접지	1안	약 27,900천원	약 32%
	2안	약 33,600천원	약 38%
	3안	약 25,000천원	약 29%

6. 결 론

본 연구는 고장 전류 인가 시 2MWp 태양광발전소 수전설비에서 발생하는 안전전압(보폭전압 및 접촉전압)을 CDEGS를 활용한 시뮬레이션으로 접지시스템 방식별(개별접지 및 통합접지)로 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 안전전압 시뮬레이션 결과 개별접지를 적용한 경우 보폭전압은 허용 전압 기준값에 적합하였지만, 접촉전압은 허용 전압 기준값에 부적합하였다.

(2) 통합접지의 Mesh 접지극 구성에 따른 영향을 검토한 결과 안전전압은 통합접지(1안, 2안, 3안) 모두 허용 전압 기준값에 적합하였다.

(3) 접지시스템 공사비는 개별접지보다 통합접지를 적용할 경우 평균 약 67% 감소하였다.

본 연구를 통해 낙뢰 시 2MWp 태양광발전소 수전설비에 발생하는 안전전압을 감소하기 위한 접지시스템 방식은 개별접지보다 통합접지가 적합하다고 판단된다.

따라서 본 연구에서 제안한 접지시스템 방식은 안전전압을 고려한 대규모 태양광발전소(MWp급) 접시시스템 설계 시 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

References

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저자소개

이창욱(Chang-Uk Lee)

He received his B.S. and M.S. degree from Yeungnam University, korea in 2006 and 2008.

He is currently pursuing a Ph.D. degree with the Department of electrical engineering at Soongsil University, korea. He is now an engineer of OMNI LPS from 2009.

김재철(Jae-Chul Kim)

He received his B.S. degree in the electrical engineering from Soongsil University, korea in 1979 and his M.S. and Ph. D. degrees in the electrical engineering from Seoul National University, korea in 1983 and 1987, respectively.

He is now a professor of electrical engineering of Soongsil University.

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대규모 태양광발전소의 개별접지 및 통합접지에 따른 안전전압(보폭전압 및 접촉전압) 비교 분석

Abstract

Key words

1. 서 론

2. 이 론

2.1 보폭전압(step voltage)

(1)

(2)

2.2 접촉전압(touch voltage)

(3)

(4)

3. 대규모 태양광발전소 접지시스템 현황 및 모델링

3.1 대규모 태양광발전소 접지시스템 모델링

4. 시뮬레이션 결과

4.1 2MWp 태양광발전소의 개별접지 시뮬레이션 결과

4.2 2MWp 태양광발전소의 통합접지 시뮬레이션 결과

4.3 안전전압(보폭전압 및 접촉전압) 시뮬레이션 결과

5. 경제성 분석

6. 결 론

References

저자소개

이창욱(Chang-Uk Lee)

김재철(Jae-Chul Kim)

Article Information (continued)

Key words

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Abstract

Key words

1. 서 론

2. 이 론

2.1 보폭전압(step voltage)

(1)

(2)

2.2 접촉전압(touch voltage)

(3)

(4)

3. 대규모 태양광발전소 접지시스템 현황 및 모델링

3.1 대규모 태양광발전소 접지시스템 모델링

4. 시뮬레이션 결과

4.1 2MWp 태양광발전소의 개별접지 시뮬레이션 결과

4.2 2MWp 태양광발전소의 통합접지 시뮬레이션 결과

4.3 안전전압(보폭전압 및 접촉전압) 시뮬레이션 결과

5. 경제성 분석

6. 결 론

References

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