3.1 접지 시설기준 및 중성선 접지저항

22.9kV 다중접지 배전선로 접지는 전력계통의 중성선을 대지에 다중으로 접지하고 변압기의 중성점을 그 중성선에 연결하는 중성선 다중접지 계통접지 방식을 적용하고 있다. 또한 피뢰기 및 가공지선, 배전용 기기, 완철 등은 설비와 작업자의 감전을 방지하기 위해 다중접지된 중성선과 연결하게 되어 있다. 다중접지 배전선로 중성선의 접지저항은 중성선 저항(Zn)과 각 접지점의 접지선과 및 접지극의 저항(R), 대지저항(Rp)을 고려하여 계산하며 등가회로는 그림 2와 같다.

그림 2. 중성선 등가회로

Fig. 2. Equivalent circuit of 22.9kV-y neutral conductor

22.9kV-y 특고압 중성선은 매 전주마다 접지하고 합성저항값은 1km마다 15Ω 이하가 되어야 하며 각 접지개소의 접지도체를 중성선으로부터 분리하였을 경우 단독 접지저항값은 300Ω 이하 이어야 한다. 또한 저압 중성선 및 접지측 전선은 매 3경간 이하마다 접지하여야 하며 접지저항 값은 특고압 중성선에 준하여 시공하고 3경간 미만일 경우에는 말단 전주에 접지하여야 한다.

3.2 중성선 접지저항 측정방법

다중접지 배전선로 접지저항 측정은 접지극과 접지대상을 분리하지 않고 보조접지극을 설치하지 않은 상태에서 간편하게 접지저항 측정이 가능한 훅크온식 접지저항측정기를 사용한다. 접지저항은 측정하고자 하는 접지선에 전류와 전압을 측정하여 접지저항 값을 도출하는 원리이며 상세한 방법은 그림 3과 같다. 접지저항 보강은 낙뢰 다발지역에 설치된 기기주 및 입상주에 주로 시행하며 접지보강 후 합성저항은 기설 접지선과 신설 접지선 간 주상 접속점 전단에서 측정하여 접지저항 저감 정도를 확인할 수 있다.

그림 3. 접지저항 측정방법

Fig. 3. Measurement method for Earth resistance

또 다른 방법은 전위강하법(3전극)을 응용하여 단독 및 합성 접지저항을 측정할 수 있다. 합성 저항 측정은 하나의 전극에 전류를 주입하면 접지극의 전위가 주변 대지에 비해 V만큼 높아지는데 이때 전위상승값과 접지전류의 비를 접지저항으로 한다. 이를 이용하여 그림 4와 같이 측정할 수 있으며 매 전주 중성선에 연결된 접지극(E)들의 합성 저항 측정회로는 전류를 주입할 수 있는 보조전극(C), 전위를 측정할 수 있는 보조전극(P)과 측정점(N)으로 구성된다.

그림 4. 전위강하법 측정 회로

Fig. 4. Circuit for Potential drop method

3.3 병렬접지 집합효과

접지극 병렬보강 시 접지극간 층분한 이격거리를 확보하지 않게 되면 접지극 간 전위간섭이 발생하게 된다. 접지극을 그림 5와 같이 병렬로 설치하면 전류는 분류하게 되고 합성저항은 절반으로 감소하게 된다.

그림 5. 병렬접지 전위간섭

Fig. 5. Interference phenomena between separate earthing electrodes

병렬접지의 경우는 두 개의 접지저항이 대지의 일부를 공유하기 때문에 병렬로 접속한다고 해서 접지저항이 1/2로 감소하지는 않고 1/2보다 약간 커지게 되는데 이런 현상을 병렬접지의 집합효과라고 한다. 그림 5와 같이 병렬 접지극에 전류 I가 유입되면 양쪽 접지극에는 I/2의 전류가 흐른다. 지중의 임의의 점에 양쪽 접지극으로부터 x1, x2 되는 거리에 점 P를 정하면 이점의 전위는 양쪽 전극에 의한 전위의 합이 되게 되고 합성저항은 식 (1)과 같이 된다.

3.4 병렬접지저항 저감률 분석

집합효과를 고려하지 않고 중공접지강봉 보강공법으로 5년 간 시행한 배전선로 396개소 접지저항을 분석한 2직1병 접지저항 저감효과가 기설대비 55% 감소하여 가장 컸으며 병렬접지가 증가할수록 접지저항 감소률이 줄어들었으며, 3병렬 시공 후 접지저항은 0.13pu로 저감됨을 표 3과 같이 확인 할 수 있었다. 그러나 병렬 시공 시 전위간섭 집합효과를 고려한 기설접지극과 충분한 이격거리를 확보하지 않아 전위간섭에 의한 접지저항이 예상치보다 증가하는 현상을 볼 수 있었다.

4.1 접지저항 보강방법

배전선로 접지보강 공법은 접지동봉, 원형 콘크리트 접지극, 도전성 콘크리트 접지봉(판), 심타용 아연도금 접지판 등의 접지극을 추가로 설치하는 방법과 접지극과 접지저감제를 병행하여 시공하는 방법이 있다. 접지보강에 사용되는 주요기술 중 전력신기술 제73호인 중공스크루로드를 이용한 접지전극 동시매설 공법은 접지시공 시 중공스쿠루로드가 장착된 오거크레인을 활용하여 봉형 접지전극을 땅속에 위치하게 하는 공법으로 중공스크루에 접지저항 저감제를 주입하여 봉형 접지전극 주변의 공극을 채워 접지저항을 낮추는 방법이다. 전력신기술 제99호 중공접지강봉을 이용한 접지저항저감제 동시매설공법은 내부에 접지저항 저감제를 주입할 수 있도록 구멍이 형성된 중공접지강봉을 전동해머로 타격매설하면서 접지저항 저감제를 동시에 접지극과 같이 압입 도포할 수 있는 시공방법이다. 마지막으로 전력신기술 제103호인 가이더봉을 이용한 접지극 무손상 시공법은 지표면에 가이더봉과 주봉을 항타하여 홀을 만들고 접지저항 저감제와 접지극 동봉을 삽입 후 매설하는 방법이다. 시공방법은 그림 6과 같다.

그림 6. 접지보강 시공방법

Fig. 6. Methods of improving earth electrode resistance

접지저항 보강대상은 낙뢰 다발지역에 설치된 기기주 및 입상주에 주로 시행하며 접지보강 후 합성저항은 기설 접지선과 신설 접지선 간 주상접속점 전단에서 그림 7과 같이 측정하였다.

그림 7. 접지보강 후 접지저항 측정

Fig. 7. Measuring earth resistance after improving

접지 보강 후 접지저항 계산은 식 (2)와 같이 계산하였다.

또한 접지보강 후 배전선로에 설치된 피뢰기 및 가공지선의 개별 접지저항값은 표 4의 기준을 만족하여야 한다.

4.2 과도상태 접지임피던스 도입

배선선로 접지보강의 주목적은 낙뢰 내습 시 충격성 이상전압을 신속히 대지로 방전하여 변압기 등의 기기를 보호하고 리클로저(Recloser)와 같은 배전선로 보호기기 동작의 신뢰성을 확보하여 배전선로 고장을 최소화하기 위함이다. 그러나 현재 배전선로 접지기준에서는 접지임피던스를 고려하지 않고 접지저항 기준만을 관리하고 있기 때문에 본 실험에서는 접지임피던스를 고려하기 위해 2가지 형태의 접지극을 선정하여 병렬접지 효과와 접지임피던스를 기존 접지극과 비교하여 낙뢰로 인한 배전선로고장 감소방안을 찾고자 하였다.

4.2.1 접지극 선정

본 실험에서는 과도접지임피던스 특성을 고려하여 대지와의 접촉면적을 극대화하고 임펄스전류 방전에 유리한 2종의 스크루타입 접지극을 추가로 선정하여 대지고유저항률(Ω.m)이 높은 산악지를 대상으로 실증하였다.

그림 8. 접지임피던스 저감용 접지극

Fig. 8. Electrodes for reducing earthing impedance

4.2.2 대지저항률 산정

접지저항 및 접지임피던스는 대지저항률에 따라 크게 좌우된다. 대지저항률은 대지-토양의 일정 부피의 전기저항을 말하며 단위는 Ω.m를 사용한다. 또한 토양의 종류 및 깊이, 수분함량, 온도, 계절의 변화, 화학물질, 해수, 암석의 종류 등에 따라 대지저항률은 다르게 나타난다. 접지임피던스 측정을 위해 실험장소의 15m 등가저항을 아래와 같이 측정하였으며 측정된 값은 대지전체의 저항률이 동일하다는 것을 의미하는 것은 아니며 측정장소를 달리할 수록 대지저항률이 다양하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

4.2.3 과도 접지임피던스

직격뢰 처럼 짧은 시간에 발생하는 전기적인 현상을 과도현상이 말하며 직격뢰가 인가되었을 때 접지전극의 임피던스가 과도접지임피던스이다. 과도접지임피던스는 전류가 시간에 따라 변하는 임펄스전류가 접지전극에 유입되는 접지전극의 전위도 시간에 따라 변하게 되며 따라서 접지임피던스는 전압과 전류의 비로 그림 9와 같이 나타나게 된다.

주파수대역 100∼200Hz 사이는 접지극의 접지 저항값으로 20∼30kHz 사이의 결과는 직격뢰에 의한 접지전극의 과도접지임피던스와 같다고 볼 수 있으며 접지전극의 접지저항과 임피던스는 전극의 길이가 증가할수록 감소하고 주파수가 증가할수록 인덕턴스 성분에 의해 임피던스가 증가하게 됨을 알 수 있다.

그림 9. 과도 접지임피던스/직격뢰(10/350us)

Fig. 9. Characteristic of Transient Earth Impedance(10/350us)

4.2.4 과도 접지임피던스 측정

전위강하법을 적용하여 접지저항을 측정하기 위해서는 전위보조전극을 전류보조전극과 같은 방향으로 전위간섭을 받지 않는 충분한 거리(61.8%)를 유지하여 설치하여야 한다. 그러나 접지임피던스의 경우 고주파수 전류가 접지전극에 흘렀을 때 리드선 간의 전자유도에 의해 접지임피던스에 영향을 주기 때문에 전자유도에 의한 간섭을 최소화하기 위해 그림 10과 같이 전위보조전극과 전류보조전극을 90° 또는 180°로 배치하는 수정된 전위강하법을 적용하여 측정하였으며 측정된 전압과 전류로부터 임피던스를 연산하였다.

그림 10. 수정된 전위강하법

Fig. 10. Revised Potential drop Method

또한 본 실험을 하기 위해서 DC 고주파 함수발행기, 파워증폭앰프 등의 실험장비를 구비하여 그림 11과 같이 실험계를 구성하여 사용하였다.

그림 11. 실험계 구성

Fig. 11. Experimental setup for test

4.2.5 실험 조건

접지전극 설치를 위해 배전선로 말단 개폐기설치주 및 변대주 2곳을 선정하였고 기존 봉형 접지극과 스크루 및 헬리켈타입 접지극의 접지임피던스 특성을 비교하기 위해 그림 12와 같이 접지극을 설치하였으며, 또한 개별 접지극의 특성을 비교하기 위해 기설 접지봉과 병렬하여 특성을 측정하였다. 또한 접지극별 병렬접지 집합효과 분석을 위해 접지극을 2병렬하여 각 형태별 접지극의 접지임피던스와 접지저항을 측정하였다.

그림 12. 실험전극의 설치

Fig. 12. Installation of experimental electrodes

4.2.6 실험 결과

실험 사이트 #1은 봉형 접지극 단독 접지저항이 300Ω 범위에서 측정되었으며 대지저항률은 500-1,000Ω.m으로 추정되는 일반적인 밭(田) 지형으로 접지저항 및 접지임피던스 측정결과 표 5와 같이 봉형 접지봉의 임피던스는 약 4kHz 범위까지는 감소하다가 4kHz에서 50kHz 까지 증가하였으며 주파수가 증가할수록 접지극의 인덕턴스 성분 때문에 임피던스가 증가하였으며 스크루타입과 헬리켈타입 접지봉이 봉형 접지극에 비해 감소하여 직격뢰에 대해 접지임피던스 저감효과가 큰 것으로 나타났다.

표 5 실험 결과 1

Table 5 Experimental results 1

실험 사이트 #2는 봉형접지극 단독 접지저항이 1,500-2,000Ω 범위에서 측정되었으며 대지저항률은 1,000Ω.m 이상으로 추정되며 일반적인 산악지형으로 접지저항 및 접지임피던스 측정결과 표 6과 같이 직격뢰에 의한 접지임피던스는 25kHz 범위에서 봉형의 경우 2.6% 증가하였지만 스크루타입과 헬리켈타입은 6.4%, 15.7%로 감소하였으며 직격뢰에 의한 접지임피던스의 효과는 봉형 대비 스크루타입은 36.8%, 헬리켈타입은 47.8% 감소하여 봉형 접지극에 비해 직격뢰에 대한 접지임피던스 저감효과가 있는 것으로 나타났다. 또한 2병렬의 경우 봉형보다 스크루타입과 헬리켈타입이 접지저항은 46.6%, 접지임피던스는 51.8% 감소하는 걸로 나타나 대지고유저항률이 높은 산악지형에 2병렬 시공이 더 효과적인 것으로 측정되었다.

표 6 실험 결과 2

Table 6 Experimental results 2

4.3 접지극 형태에 따른 접지저항 비교

본 논문에서는 정상/과도상태에서 우수한 접지성능을 보인 헬리켈타입 접지극의 접지저항 특성을 다중접지 배전선로에서 비교측정하기 위해 현재 운영 중인 배전선로에서 접지극부착형아치형 접지근가와 비교 실증을 시행하였으며 대지접촉접면적이 크고 드릴링공법으로 대지접촉저항이 저감된 헬리켈타입 접지극의 저항값이 아치형 대비 0.8pu 정도 저감된 것으로 측정(26Ω→5.3Ω)되었다.

그림 13. 배전선로 접지극 비교 측정

Fig. 13. Comparison of electrode earthing resistance

또한 전기철도변전소 등 등전위본딩을 시행하는 데 사용되는 탄소접지극, 격자형 접지극과 헬리켈타입 접지극을 정상상태 접지극 성능을 비교 실험하였다.

그림 14. 접지극 형태별 접지저항 측정

Fig. 14. Comparison of electrode earthing resistance between types of electrodes

실험결과 드릴링 공법으로 시공한 헬리켈 접지극의 접지저항값을 1.0pu으로 기준 시 격자형 1m 어스 플레이트는 1.12pu, 어스 매트 접지극은 1.4pu, 탄소접지극은 1.38pu로 접지저항값이 증가하였으며 헬리켈타입 접지극이 다른 형태의 접지극 대비 매우 우수한 접지저항 특성을 나타냈다. 이는 헬리켈 접지극의 대지접촉면적이 극대화된 구조이며 대지접촉저항을 줄이기 위해 오거크레인을 이용한 드릴링공법 시행한 결과라고 보여지며 배전선로 낙뢰고장 대비 접지보강 공법에 적용 시 우수한 정상 및 과도상태 접지저항 저감효과를 거둘 수 있다고 판단된다. 더불어 본 실험결과의 정밀도를 높이기 위해 후크온식 접지저항 측정기 대신 보조접지극을 이용한 CHAUVIN ARNOUX사의 CA 6470N 모델 정밀접지저항 측정기를 사용하였다.

4.4 접지극의 임피던스 성능평가 필요성

지금까지 살펴본 것처럼 배전선로에서 접지극의 성능은 정상상태만 고려하고 과도상태의 접지임피던스를 평가하지 않고 운영 중이다. 한편 345kV이하 가공송전선로 지지물 접지설계 경우에는 정상 및 과도 접지저항 목표치와 정상 및 과도 접지저항 기준 및 측정방법을 표 7과 같이 운영하고 있다.

접지극에 고주파수 성분을 포함하는 뇌서지 전류가 유입되면 접지극의 인덕턴스나 접지극 토양 사이에서 작용하는 정전용량의 영향으로 과도접지임피던스 특성이 나타난다. 다중접지 배전선로에서 접지극의 접지저항특성은 낙뢰에 의한 뇌격전류나 개폐장치의 개폐서지, 선로고장전류 등과 같은 과도적 전류에 대해 접지극의 성능을 확인할 수 없으며 접지극의 성능을 충분히 보장할 수 없다. 이는 KEC에 따른 접지 저항값으로 만으로는 과도적 전류에 대한 접지성능을 만족하지 못하는 결과를 배전선로 고장사례로 증명되고 있다. KEC의 기준에 따른 사고전류에 대한 전위상승은 접지저항값 대비 기준치보다 더 높게 나타나 기기의 절연파괴, 전선의 단선 등으로 나타나고 또 다른 사고를 유발할 수 있어 접지극의 과도특성 확인을 위해 접지극에 대한 접지임피던스와 규약접지임피던스의 성능 확인 필요성이 대두되고 있다. 규약접지임피던스는 식 (3)과 같이 접지전극의 과도전위상승(v)과 뇌격전류(i)의 비이며 그림 15와 같다.

그림 15. 규약 접지임피던스 산정

Fig. 15. Conventional Earth Impedance Formula

KEC에 따른 접지극의 성능확인 방법은 상용주파수의 보폭전압, 접촉전압 및 스트레스전압 등의 계산에 따라 접지저항(Ω)을 산출하고 있으나 과도접지임피던스 계산은 불가능하다. 그러나 IEC 61400-24에 따른 실측된 접지임피던스값을 이용하면 접지극의 과도전위 산출이 가능하여 이 기준을 적용할 경우 뇌격전류에 대한 절연특성 설계 반영이 가능하다고 판단된다. 측정된 접지임피던스에 의해 과도전위 및 규약접지임피던스는 그림 15와 같이 산출할 수 있다.

그림 16. 규약 접지임피던스 산출

Fig. 16. Calculation of Conventional Earth Impedance

본 논문에서는 접지극의 임피던스값을 이용하여 접지극의 과도전위와 규약접지임피던스 산출방법을 제시하였으며 이는 낙뢰, 스위칭 서지 등에 의한 접지극의 과도특성 평가와 접지극에 대한 전기적 특성을 접지저항이 아닌 접지임피던스 차원에서 분석이 가능하여 접지극에 대한 새로운 성능평가기준으로 활용이 가능할 것으로 보여진다.

4.5 헬리켈 접지극(나선형) 도입 시 기대효과

헬리켈 타입 접지극 도입 시 낙뢰로 인한 가공전선 단선 등의 설비 고장은 정상 및 과도접지저항의 저감효과로 인해 감소할 것으로 예상된다. 또한 경년변화에 의한 접지극 부식 등으로 인해 주기적으로 시행하는 배전선로 접지저항 보강 주기도 늘어나 유지보수 비용 측면에서 유리할 것으로 기대되며 현장에서 사용되고 있는 봉형, 콘크리트 접지극 대비 자재비 및 공사비 측면에서 표 8과 같이 감소할 것으로 예상된다.