1. 서 론

풍력발전설비는 발달은 신재생에너지가 발전함에 따라 꾸준히 발전해 왔다. 풍력발전 설비는 효율적으로 에너지를 생산하기 위해 블레이드의 길이는 길어지고 풍력터빈의 높이도 높아졌다. 또한, 풍력발전설비는 높은 곳에 지어지는 경우가 많다. 이러한 풍력발전설비의 주위의 환경과 조건으로 인하여 풍력발전 설비의 낙뢰에 대한 위험도는 증가하고 있다⁽¹⁾. 풍력발전설비가 낙뢰에 뇌격될 경우 풍력발전설비의 파손이 될 수 있고, 뇌격으로 인한 낙뢰의 뇌격전류 유입으로 인하여 낙뢰 과전압이 발생하고 이것은 풍력발전설비가 생산하는 전력품질에 영향을 줄 뿐만 아니라 낙뢰 과전압으로 인한 풍력발전설비의 내부적인 파손을 초래할 수 있다.

이러한 풍력발전설비의 낙뢰로 인한 피해를 예방하기 위해 전 세계적으로 다양한 풍력발전설비의 낙뢰보호에 관한 연구가 진행되고 있고, 낙뢰보호를 위한 규격들이 있다. 해외의 경우 낙뢰에 의한 풍력터빈의 서지어레스터의 손상 및 서지 어래스터의 손상에 대한 낙뢰 보호 설계에 대해 연구를 하고 있으며⁽²⁾, 유도뢰에 대한 매개변수 측정 및 구성 분석을 통한 고장에 대한 분석 등의 연구가 이루어지고 있다⁽³⁾. 그리고 낙뢰보호를 위해서는 접지가 중요하다. 낙뢰보호를 위한 접지의 경우 등전위본딩을 하는 것이 일반적이며, 접지를 하는 곳의 토양의 상태에 따라 다양한 변수가 존재한다. 이런 접지에 대해서 토양 특성에 따른 접지에 대한 낙뢰 피해를 분석하고 이것을 바탕으로 현실적인 토양의 구조 모델을 구축하기 위한 연구들이 이루어지고 있다^(4-5). 또한, 상황에 맞는 서지 보호 장치를 설치하기 위해 유도뢰의 낙뢰 과전압을 뇌격되는 지점과 낙뢰 전류의 피크 값, 그리고 건축물의 높이와 대지저항의 크기에 따라서 분석하는 연구가 이루어지고 있다⁽⁶⁾.

해외의 규격의 경우 IEC, JIS, NFPA780등의 규격이 있으며 국내의 경우 KEC가 있다. 국내의 규격 KEC는 풍력발전설비의 낙뢰 보호를 위하여 접지를 위한 다양한 규격이 있다. 특히, KEC 규격 중 341.15의 경우 피뢰기의 접지방식에 대한 내용이 있으며, 또한, 153.2의 경우 피뢰시스템을 위한 등전위본딩에 관한 내용이 있다. 기존에 접지방식에 따른 낙뢰 과전압에 관한 연구가 있었으며 이 연구를 토대로 실질적인 도체 사용에 따른 효과를 알아보기 보는 것이 중요하다.

따라서 본 논문에서는 풍력발전설비의 낙뢰보호를 위하여 등전위본딩을 위한 접지방식을 한국전기설비규정(Korea Electro-technical Code : KEC)의 규정 341.15번과 153.2의 내용을 적용하여 시뮬레이션을 통하여 낙뢰 과전압 저감 효과와 등전위본딩을 위한 도체 종류에 따른 변화를 분석하였다.

2. 낙뢰 보호를 위한 규정 KEC와 접지지스템

2.2 접지시스템

2.2.1 독립접지

독립접지는 설비마다 접지를 따로 분리해서 하는 것이다. 독립접지를 하게 되면 각 독립접지를 한 장비에 손상이 발생할 때 다른 장비와 시설에 영향이 없이 독립적으로 보호할 수 있다. 하지만 뇌격이 되면 뇌격전류로 인한 장비의 전위차가 크게 발생하여 장비 및 설비에 손상을 준다.

2.2.2 공통접지

공통접지는 전기 장비와 시설들의 피뢰 및 접지시설을 등전위본딩을 위하여 하나로 통합하는 것이다. 공통접지는 독립접지와는 다르게 장비 및 시설이 뇌격될 경우 뇌격전류로 인한 전위차의 발생을 방지할 수 있다. 공통접지 방법들 중에 통합접지를 이용한 공통접지는 각 시설의 접지를 하나로 모으는 것이고, 연접을 이용한 공통접지는 연접선을 이용하여 각설집의 접지를 연결시키는 방법이다. 본 논문에서는 공통접지를 위한 방법들 중 통합접지를 이용한 공통접지와 연접을 이용한 공통접지 두 가지를 KEC규정을 적용하여 뇌격 시 발생하는 낙뢰 과전압을 분석할 것이다.

그림 1 접지시스템 개념도

Fig. 1 Concept Diagram of Grounding System

3. 시뮬레이션

접지시스템의 경우 국내규격 KEC의 532.3.4에서 공통접지를 하게 되어 있다. 하지만 공통접지의 방식은 여러 가지가 있고 어떤 방식으로 공통접지를 하는지에 따라 낙뢰로 인한 과전압의 크기의 차이가 있다. 또한, 등전위본딩을 위한 공통접지에 사용되는 도체의 종류에 따라서 뇌격 전류로 인한 낙뢰 과전압과 전위차의 크기가 달라진다. 따라서 접지방식과 도체에 따라서 낙뢰 과전압을 분석하면 등전위본딩을 위한 접지방식 중 어떤 접지방식이 적합하고, 등전위본딩 도체에 따라서 얼마나 변화가 있는지 알 수 있다. 따라서 정상조건에서 운영되고 있는 풍력발전설비가 직격뢰와 유도뢰를 맞았을 때 해당 풍력발전설비의 접지방식과 등전위본딩 도체에 따른 낙뢰 과전압을 분석하였다.

3.1 풍력발전단지 구성

풍력발전단지는 그림 2와 같이 EMTP-RV를 사용하여 2개의 풍력발전설비로 구성되도록 모델링하였다. 각 풍력 터빈은 RLC 모듈과 교류전원 모델을 사용하여 모델링 하였다. 각 풍력터빈에서 690V의 전압을 발생시키고 변압기를 통해 33kV까지 승압 된 후 변전소를 통해 154kV로 연결된다. 1차 측으로는 풍력터빈에서 발생한 전압을 33kV로 승압시키는 변전소부터 154kV로 승압을 시켜주는 변전소까지의 내부전력망, 2차 측으로는 변전소를 통해서 154kV로 승압 된 전력이 전달되는 외부전력망이 있다. 본 연구에서는 풍력터빈에 대한 낙뢰로 인한 내부전력망의 낙뢰 과전압을 접지방식과 등전위본딩의 도체에 따라서 비교분석하였다.

그림 2 풍력발전설비 구성

Fig. 2 Configuration of Wind Farm

그림 3 정상상태에서의 전압상태

Fig. 3 Voltage at Normal State

3.2 낙뢰 조건 선정

낙뢰 모델은 EMTP-RV에서 제공하는 LIOV를 이용하였다. 해당 모듈은 Heidler 함수를 사용하였다. 낙뢰 모델의 수식은 (1)로 나타내었다. 또한, 낙뢰의 파라미터의 경우 표 2와 같고 단일 스트라이크의 최대 낙뢰전류는 약 20kA이다. 이렇게 모델링된 낙뢰를 이용하여 직격뢰 및 거리에 따른 유도뢰로 인한 낙뢰 과전압을 접지방식과 등전위본딩의 도체에 따라서 비교분석 하였다.

(1)

$\begin{aligned} i_{0}(t)=& \frac{I_{01}}{n_{1}} \frac{\left(t / \tau_{11}\right)^{n_{1}}}{1+\left(t / \tau_{11}\right)^{n_{1}}} \exp \left(t / \tau_{21}\right) \\ &+\frac{I_{02}}{n_{2}} \frac{\left(t / \tau_{12}\right)^{n_{2}}}{1+\left(t / \tau_{12}\right)^{n_{2}}} \exp \left(t / \tau_{22}\right) \\ n_{1}=& \exp \left[-\left(\tau_{11} / \tau_{21}\right)\left(n \tau_{21} / \tau_{11}\right)^{1 / n_{1}}\right] \\ n_{2}=& \exp \left[-\left(\tau_{12} / \tau_{22}\right)\left(n \tau_{22} / \tau_{12}\right)^{1 / n_{2}}\right] \end{aligned}$

i : 낙뢰전류

I01 : 낙뢰의 최대 전류

t11 : 파두시간

t21 : 파미시간

n : 함수의 교정 값

t : 측정시간

표 1 낙뢰 파라미터

Table 1 Lightning Parameter

I01[A]	16E5
t11[s]	8E-6
t21[s]	1.3E-5
n1	2
I02[A]	0
t12[s]	2.1E-6
t22[s]	230E-6
n1	2

그림 4 낙뢰 전류

Fig. 4 Current of Lightning

4. 결 론

본 논문에서 풍력발전설비에서 규정 KEC 153.2의 KEC 341.15에 접지시스템의 도입에 따른 직격뢰와 유도뢰로 인한 낙뢰 과전압을 비교하고 분석하였다.

시뮬레이션 결과 독립접지의 경우 뇌격으로 인한 전위차가 매우 크게 발생하였고 규정에 따른 등전위본딩 도체를 이용하여 공통접지를 했을 경우 전위차는 0.02밑으로 거의 사라졌다. 또한, 공통접지를 할 때의 등전위본딩 도체 구리와 강철의 사용에 따른 저항의 차이가 수식(1)과 KS C IEC의 규정에 따른 수치를 적용했을 때 크지 않기 때문에 낙뢰 과전압의 차이가 거의 없다. 규정 KEC 153.2에 맞는 등전위본딩 도체를 사용하면 전위차가 대부분 사라진다. 등전위본딩 도체로 인한 미세한 전위차는 있지만 독립접지와 비교하면 공통접지는 전위차를 없애는 것에 매우 효과적이며 공통접지 방법 중에서도 연접을 이용하는 것이 낙뢰 과전압 저감 효과의 효용성이 더 좋다. 향후 연구로는 국내에 적합한 풍력발전설비의 낙뢰보호를 위해 접지저항을 저감하는 방법 및 KEC 341.15에 따른 피뢰기의 접지공사에 따른 낙뢰 과전압에 미치는 영향과 저감 효과에 관한 연구를 할 필요가 있다.