1. 서 론

고압에서 초고압까지의 전력계통에서 지락고장이 발생하면 접지 설비를 통하여 고장전류가 흐르게 되고 이로 인하여 대지 표면에 전위경도(voltage gradient)가 나타나게 된다. 전위경도로 인하여 지표면의 여러 지점에서 전압 크기가 다르게 된다. 이 같은 전압 차이가 한계를 넘게 되면 보폭전압(step voltage), 접촉전압(touch voltage) 또는 설비와 대지간의 전압이 매우 높아서 사람 및 전기설비 안전을 위협하게 된다.

접지시스템은 전력 설비로 인하여 나타날 수 있는 보폭전압 및 접촉전압이 안전 한계를 벗어나지 않도록 도체와 접지봉(electrode)을 각각 수평 및 수직으로 지표면에 설치하여 최대 발생 전압을 낮추어 안정적인 환경을 만드는 것이다.

접지시스템 형태와 규모에 영향을 미치는 가장 중요 변수는 해당 토양 저항률이다. 실효성 있는 적정 토양 저항률을 얻기 위해서 필요 충분한 현장 실측은 물론 합리적인 토양모델을 선정해야 한다. 접지시스템은 접지도체 및 접지봉 선택 접지망(grounding mesh) 구성형태 그리고 이의 매설 깊이 등을 결정하여 접지시스템 자재비 및 시공 경제성 등을 비교 검토하여 최적 방안을 제안해야 한다.

본 논문은 실효성 및 경제성 등이 고려되도록 접지시스템 해석 소프트웨어인 CYMGRD를 이용하여 다양한 형태의 접지시스템을 설계 및 검토한 사례 연구이다.

2. 대지전위상승

전력계통에서 지락고장이 발생하면 영상 고장전류는 접지설비를 통해 대지로 흐르게 되고 이로 인하여 대지표면에 전위경도가 나타난다. 전위경도는 접지설비 가까운 대지에서 가장 높고 거리가 증가 되면서 감소하게 된다. 대지전위상승(Ground Potential Rise : GPR)은 최대 전위경도를 나타내는 것으로 먼 거리까지의 전위차이다.

대지전위상승을 일으키는 접지원(ground source)은 변압기, 발전기, 전력용콘덴서 등의 중성점 접지선이다. 대지전위상승은 변전소 접지설비 임피던스와 여기에 흐르는 총 고장전류를 곱한 값이다. 또한 대지전위상승은 대체 귀로인 중성선, 가공지선, 조가선 또는 케이블 차폐체와 같은 귀로 임피던스와 여기를 통하여 흐르는 전류 곱과 같다⁽¹⁾.

대지전위상승으로부터 유기되는 보폭전압은 접지된 물체와 접촉되지 않는 사람의 보폭 사이에 나타나는 대지전위 또는 전압 차이이다. 접촉전압은 접지된 구조물에 손을 대고 있는 사람이 서 있는 지점의 대지전위와 전력설비 구조물 표면전위 사이의 전위 즉, 전압 차이다. 이와 같이 대지전위상승으로부터 유기되는 보폭전압과 접촉전압이 한계를 초과하게 되면 사람 및 전력설비에 해를 끼치게 된다⁽²⁾.

3. 토양 저항률

안전을 보장하기 위해 설치되는 접지시스템에 영향을 미치는 중요 변수는 해당 토양 저항률(soil resistivity)이다. 토양 저항률은 해수의 경우 1(Ω-m)에서 사암의 경우 최대 109(Ω-m)까지 토질에 따라 매우 폭 넓은 값을 갖게 된다. 토양 저항률은 계절에 따라 다르고 특히 토양에 함유된 수분 정도, 염분 함유율 및 온도에 따라 달라진다. 토양의 정확한 저항을 결정하기 위해서는 대상 토양 고유 저항률을 측정해야 한다. 그림 1은 토양의 염분 및 수분 함유량 그리고 온도에 따른 저항률 변화를 나타낸 것이다⁽²⁾.

대지 저항을 결정하기 위해서는 대상 토양 저항률을 측정하여 토양모델을 해석해야 한다. 표 1은 토양 저항률을 얻기 위해 많이 이용되고 있는 4점측정 방법(Wenner four-point method)으로 현장 실측한 자료이다⁽³⁾.

접지시스템 최적 설계를 위해서는 해당 토양 저항률 측정이 필수적이다. 저항률 측정은 해당 대지 여러 곳에서 이루어져야 된다. 일반적으로 대지 전체 지역에 걸쳐 상당한 깊이까지 균일한 저항을 갖지 않기 때문에 많은 지점의 대지 저항률 측정이 요구된다.

접지시스템에 사용되는 실용적인 토양 저항률 모델은 균일토양 모델(uniform soil model)과 2층토양 모델(two layer soil model)이 있다. 균일 토양 모델은 측정 깊이가 증가함에 따라 토양의 겉보기 저항이 크게 변하지 않는다는 가정 하에 사용 가능한 모델이다. 2층토양 모델은 깊이 h로 구분되어 상부층 저항($\rho$$_{1}$)과 하부층 저항($\rho$$_{\begin{aligned}2\\\end{aligned}}$)이 다른 토양 구조로 이루어진 형태이다. 이 모델 적용의 어려움은 토양의 구조와 특성의 변화로 인해 층을 구분하는 깊이 h를 수학적으로 결정하는 것이다⁽²⁾.

현장 측정 자료를 2층토양 모델로 모의한 결과는 그림 2와 같다. 여기서 측정치 5번은 오차가 크게 나타났다. 따라서 오차가 크게 나타난 측정치 5번을 제외한 경우 즉, 보정된 2층토양 모델 모의 결과는 그림 3과 같다.

측정된 토양 저항률을 이용하여 표 2와 같이 각각 2층토양, 오차가 크게 나타나는 5번째 측정값을 배제한 보완된 2층토양 및 균일토양 모델 해석 결과이다.

토양 저항률 해석 결과로부터 2층토양 모델의 경우 상층 저항률에 비해 하층 저항률이 상대적으로 매우 작게 나타나고 있어 이를 적용하게 되면 경제성 있는 접지시스템이 쉽게 구현될 수 있음을 보여주고 있다. 따라서 합리적인 접지 도체 및 접지봉 매설 깊이는 상층 두께를 지나게 되는 0.9m 이하로 정하는 것이 효과적인 것으로 입증된다⁽⁴⁾.

4. 허용 보폭전압 및 접촉전압

안정성을 보장하기 위한 제한된 허용 보폭전압 및 접촉전압은 접지시스템 토양 저항률에 따라 그리고 지표면 저항률과 두께에 따라 영향을 받게 된다. 변전소 지표면에 파쇄석과 같은 저항이 큰 재질을 깔면 접지시스템 구현에서 안전성을 향상시킬 수 있는 것으로 되어있다. 즉, 접지시스템 지표면에 있는 사람과의 사이에 높은 저항이 있게 되어 사람을 통해서 매우 적은 양의 전류만이 지표면으로 흐르게 되기 때문이다. 사람에게 가해지는 전기적 충격은 고장지속 시간 즉, 고장으로부터 고장이 제거되기까지의 시간이 중요 변수이다. 국제전기전자학회(IEEE)에서 제안한 체중 50kg인 사람의 안전 최대 허용 보폭전압, 접촉전압 및 이들 전압 계산에 이용되는 접지시스템 지표층 감쇄계수 관계식을 다음과 같이 제시하였다⁽²⁾.

● 충격에 노출될 사람 체중(예 : 50kg 또는 70kg).

● 변전소 지표면 두께 및 저항률(예 : 파쇄석, 두께 0.2m, 저항률 2500 Ω-m)

● 대지 저항률 (토양 분석 결과로부터 입력)

● 고장 지속시간(예 : 0.5초)

다음 식(1)은 체중 50kg인 사람 최대 허용 보폭전압 계산식이다.

다음 식(2)는 체중 50kg인 사람 최대 허용 접촉전압 계산식이다.

다음 식(3)은 지표층 감쇄계수 계산식이다.

여기서

E$_{step50}$ : 보폭전압(V)

E$_{touch50}$ : 접촉전압(V)

C$_{s}$ : 지표층 감쇄계수(pu)

$\rho$$_{s}$ : 지표층 저항률(Ω-m)

$\rho$ : 지표층 밑 대지 저항률(Ω-m)

h$_{s}$ : 지표층 두께(m)

t$_{s}$ : 충격전류 지속시간(초)

상기 식에서 보여준 것과 같이 안전이 보장되는 최대 허용 보폭전압 및 접촉전압은 대부분 지표층 저항률에 따라 많은 영향을 받게 된다. 효율적인 경제적 최적 접지시스템을 구현하기 위해서는 저항률이 비교적 큰 자갈 또는 파쇄석과 같은 물질을 지표면에 설치한다. 다음 표 3은 변전소의 대표적인 지표층 재질별 최대 허용 보폭전압과 접촉전압을 계산한 결과이다. 변전소에 널리 이용되고 있는 파쇄석을 0.2m 두께로 지표면을 덮은 경우 최대 허용 보폭전압과 접촉전압은 각각 2,962.8V 및 907.2V 이다.

합리적인 지표면 재질은 실제 전력계통에서 널리 이용되고 있는 파쇄석이다. 이에 비하여 콘크리트의 경우 허용 보폭전압과 접촉전압이 너무 낮아 접지도체와 접지봉이 상대적으로 많이 소요될 것이며 아스팔트의 경우는 보폭전압과 접촉전압이 과도하게 높게 나타나고 있다.

5. 접지도체 및 접지봉 규격 결정

지시스템을 설계하기 위해서는 접지망을 구성하는 합리적인 접지도체 및 접지봉 종류와 이의 굵기를 최대 지락고장 전류를 안전하게 대지로 흘릴 수 있도록 결정해야 한다. (식(4))는 접지도체 및 접지봉 굵기를 결정하는 간략화 수식이다⁽²⁾.

여기서

A$_{kcmil}$ : 도체 단면적(kcmil)

I$_{\lg}$ : 고장전류(kA)

K$_{f}$ : 도체 재질 상수(구리 7.01)

t$_{c}$ : 전류 지속시간(초)

대부분의 산업체 전력계통은 전력회사로부터 154kV 또는 22.9kV 송배전 전력계통으로부터 전력을 공급 받아 중대형 전동기와 같은 부하 설비에 공급되는 고압의 경우 6.6kV이고 저압 부하설비를 위하 전압은 460V(또는 400V) 이다. 접지시스템이 요구되는 산업체 전력계통 전압별 고장전류 계산 결과는 표 4와 같다. 저압의 경우는 최대 대지전위상승은 460V로 제한될 것이다. 따라서 저압 접지는 고압 또는 특고압 접지시스템과 달리 따로 검토가 요구된다.

오늘날 대부분의 산업체 고압계통은 저항접지 형태이다. 따라서 전력회사로부터 공급받게 되는 특고압 22.9kV모선의 15.053kA 1선지락 고장전류를 대지로 흘릴 수 있도록 접지도체 및 접지봉 굵기를 선정해야한다. 아울러 추후 전력회사의 전원 확충으로 나타날 수 있는 전원 등가 임피던스 감소를 고려한 경우는 22.9kV 모선 최대 1선지락 고장전류를 31.5kA로 예상할 수 있다. 접지도체 및 접지봉 굵기는 (식(4))에 따라 1선지락 고장전류의 크기와 고장 지속시간에 의하여 표 5와 같이 결정된다.

결과적으로 1선지락 고장전류가 증가하게 되면 접지도체 및 접지봉 굵기가 증가하게 되는 것은 물론 접지시스템을 구성하는 접지도체 길이 및 접지봉 수량도 증가하고 시공비용도 증가한다.

6. 접지시스템 방안

접지시스템은 전력계통 정상운전 및 고장 상태에서 나타나는 지락전류를 안정적으로 대지에 흘려보내야하고 접지 시설 근처에 있는 사람에게 심각한 전기적 충격이 가해지지 않도록 접지 도체와 접지봉을 각각 수평 및 수직 형태로 매설하여 보폭전압과 접촉전압을 안전한 허용 범위 이내가 되도록 설계해야 한다. 일반적으로 접지시스템 설계에서 설치 경제성 및 시공의 적정성 검토가 요구된다. 접지시스템 주요 구성 요소인 접지 도체의 간격은 3m에서 15m까지이고 매설 깊이는 0.5m에서 1.5m까지가 일반적이다⁽²⁾.

접지시스템 대상 대지 규격은 72m 47m 직사각형 형태이다. 접지시스템 구현 중요 변수인 토양 저항률은 실용성이 보장된 2층 토양모델을 적용하여 산출한 결과 상층 89.99Ω-m이고 하층 4.99Ω-m 이며 상층 깊이는 0.89m이다. 따라서 접지도체 및 접지봉 매설 깊이는 양호한 저항률이 보장되는 하층 토양에 묻힐 수 있는 0.9m 이상을 제안한다.

7. 접지시스템 방안 해석

접지시스템은 대지전위상승을 일으키는 지락고장 전류가 크지 않고 해당 토양 저항률도 양호한 상태인 경우 접지도체 매설만으로 안전이 보장되도록 보폭전압과 접촉전압이 허용 범위 이내로 억제될 수 있다.

접지시스템 해석 결과 중요 항목인 접촉전압 정도를 판단하기 위한 색 구분을 그림 8과 같이 나타냈다. 즉, 허용 최대 접촉전압(907.2V)의 25%, 50%, 75% 및 100%를 표시하여 시각적인 판단을 용이하게 한다. 최저 접촉전압은 녹색으로 표시하고 최대 허용 접촉전압은 적색으로 표시하였다. 소프트웨어를 이용한 접지시스템 방안별 자세한 해석 결과는 다음과 같다⁽⁴⁾.

8. 결 론

접지시스템을 설계할 경우 해당 토양 저항률이 양호하여 접촉전압 및 보폭전압이 쉽게 허용범위 이내가 되는 경우 접지도체 만으로 적정 접지시스템을 구축할 수 있음을 입증하였다. 특히 일반적으로 효율성 실효성 측면에서 유용하게 이용되고 있는 2층토양 모델에서 하층 저항률이 작고 깊이도 매설이 비교적 용이한 1.0m 이하 이면 접지봉 없이 접지도체 만으로 원활한 접지시스템 구현이 가능함을 알 수 있다. 접지도체 및 접지봉 배열을 균등 형태보다는 외곽 밀집도를 높이는 것이 효율적임을 보여주었다. 접지시스템 매설 깊이는 토양 형태를 고려하여 결정해야하며 시공 면에서 매설 깊이에 어려움이 있는 경우라면 비교적 깊이 매설 될 수 있는 접지봉을 이용하는 것이 효과적임이 입증되었다.