2.1 제안된 연구방법

그물망 접지극은 나도체를 격자형상으로 배치한 것으로 시공방법이 간단하고 기술적으로 검증된 방법이며, 상용주파수의 지락사고 등 일반적인 조건에서는 봉 접지극과 협조하여 인체 안전전압을 확보하기 용이하다. 그러나 낙뢰 등 충격파는 고주파 특성을 가지게 되는데 그물망 접지극에 고주파가 유입되는 경우 접지극 성능 감쇠가 발생하며 대지비저항, 접지극 크기, 그리드 간격 등에 영향을 받으며 주파수가 상승할수록 접지극 성능감쇠도 심화된다^[12,13]. 그림 1은 유입주파수에 따른 그물망접지극의 임피던스의 변화를 나타낸 것이다. 넓이 100×100 m의 그물망 접지극에서 유입전류 주파수 및 대지비저항에 따른 접지극 저항의 변화를 나타냈다^[14]. 대지비저항이 ρ=10 Ω·m으로 낮은 경우와 ρ=10 kΩ·m으로 높은 경우를 비교해보면 100 Hz까지는 ρ=10 Ω·m 및 ρ=10 kΩ·m의 접지극 저항이 각각 약 0.08 Ω, 80 Ω으로 대지비저항과 같이 1,000배 나지만 10 kHz에서는 각각 약 0.5 Ω, 80 Ω으로 160배 차이로 감소하였으며, 10 MHz에서는 값이 거의 근소함을 알 수 있다. 이를 통하여 그물망 접지극 방식은 대지비저항이 낮은 곳에서 고장전류 주파수에 의한 접지극 임피던스의 변화가 크게 나타나고 있음을 알 수 있다.

그림 1. 주파수 및 대지비저항에 따른 그물망접지극 임피던스 변화

Fig. 1. Changes in impedance of mesh grounding electrode according to inflow frequency and soil resistivity

이에 따라 접지설계 시 뇌격전류의 시간함수 및 등가 주파수를 고려하여야 하며 IEC 62305-1 부속서 B의 뇌격에 대한 현상 분석을 목적으로 ‘10/350 $\mu s$ 최초 정극성 뇌격, 1/200 $\mu s$ 최초 부극성 뇌격 및 0.25/10 $\mu s$ 후속 부극성 뇌격’ 전류의 시간 함수에 대한 뇌격 전류 파형을 식 (1)로 정의한다. 식 (1)에서$I$는 피크 전류, $k$는 피크 전류에 대한 교정계수, $t$는 시간, $\tau_{1}$는 파두 시정수, $\tau_{2}$는 파미 시정수를 의미한다^[15].

식 (1)을 바탕으로 뇌격에 대한 장시간 뇌격, 최초 단시간 뇌격 및 후속 단시간 뇌격 전류에 대한 그래프를 그리면 후속 단시간 뇌격 전류의 경우 수 MHz의 주파수 성분을 포함하고 있으나 1 MHz를 넘는 주파수의 에너지밀도는 전체의 1/100 이하므로 최대 1 MHz까지 고려하여 관련 연구를 진행하고 있다^[13,14].

2.2 격자판 접지극 형상선정 및 시뮬레이션 조건

2.2.1 격자판 접지극 형상선정

격자판 접지극의 형상 및 제원은 IEC 62305-3 및 한국전기설비규정(KEC) 142.2에 제시되어 있으며 크기는 600×600 ㎜ 이상, 도체의 폭은 25 ㎜ 이상, 도체 두께는 2 ㎜ 이상, 격자판 1개를 구성하는 전체 도체의 길이는 4.8 m 이상으로 규정하고 있으나 구체적인 형상에 대하여는 언급이 없으므로 위 규정을 만족하는 형상을 CDEGS 프로그램으로 시뮬레이션하여 그림 2의 형상을 선정하였다.

그림 2. 제안된 격자판 접지극 형상

Fig. 2. Proposed grid grounding electrode geometry

2.2.2 격자판 접지극 시뮬레이션 조건

격자판 접지극의 접지극 배치형태에 따른 성능변화를 관찰하기 위하여 접지극배치형태, 접지시공면적 및 대지비저항의 3개의 변수를 적용하여 접지극 성능을 시뮬레이션하였으며 실험 파라미터를 표 1로 나타내었다.

표 1 접지극 성능 해석을 위한 시뮬레이션 조건

Table 1 Simulation conditions for earth electrode performance analysis

Item	Detail
Fault current	1000A (X/R=20)
Topsoil	Topsoil layer 2,500Ω·m, thickness 0.15m
Construction method	Lattice Grid, Mesh Grid
Ground area	10×10m, 20×20m, 50×50m
Batch type	3,5,7,9-column structure
Ground resistivity	100Ω·m, 500Ω·m

접지 시공 면적은 10×10 m, 20×20 m, 50×50 m로 고려하였으며, 대지비저항은 100 Ω·m 및 500 Ω·m 등 2가지를 선정하였다. 접지극 배치는 그림 3에서 나타낸 바와 같이 3열, 5열, 7열, 9열 구조를 고려하였으며, 각각의 배치모델에 대해 접촉전압, 보폭전압, 대지전위상승 및 접지극 저항의 특성을 평가하였다. 배치 모델의 평가는 접지 시공 면적(3개 조건), 대지비 저항(2개 조건) 및 배치간격(4개 조건)을 고려하여 총 24개의 모델에 대한 성능을 평가하였으며, 연구한 격자판 접지극의 성능은 기존 방식인 그물망 접지극과 비교하였다.

그림 3. 접지 전극 성능 평가를 위한 다양한 구성

Fig. 3. Various configuration for evaluating earth electrode performance

2.3 상용주파수에서의 격자판 접지극 성능분석

2.3.1 시뮬레이션에 따른 격자판 접지극의 성능분석

본 절에서는 상용주파수에서의 격자판 접지극과 그물망 접지극의 성능을 시뮬레이션 하였으며 실증실험 결과를 통하여 시뮬레이션의 당위성을 검증하였다.

(1) 접촉전압

그림 4는 그리드구조에 따른 격자판 접지극과 그물망 접지극의 접촉전압을 나타내었다. 그림 4(a)는 대지면적 10×10 m로서 그물망은 3열 구조 1,688 V, 9열 구조 1,085 V이며, 격자판은 3열 구조 1,310 V(77.6 %), 9열 구조 821 V(75.7 %)로 나타나 격자판이 접촉전압을 효과적으로 제한하는 것으로 나타났다. 그림 4(b)는 대지면적 50×50 m을 나타낸 것으로 3열 구조는 그물망, 격자판 모두 약 450 V로 유사하지만 7열 구조는 각각 236 V, 209 V 9열 구조는 217 V, 173 V로 격자판 접지극이 75.9 %, 75.7 %로 우수한 결과를 나타내 대지가 넓은 경우 촘촘한 그리드에서 격자판의 접촉전압 저감효과가 상승하였다.

그림 4. 그리드 구조에 따른 접촉전압 특성

Fig. 4. Touch voltage characteristics according to grid structures

(2) 보폭전압

그림 5는 그리드구조에 따른 격자판 접지극과 그물망 접지극의 보폭전압을 나타내었다. 그림 5(a)의 대지면적 10×10 m, 3열 구조를 제외하고 모든 Case에서 격자판의 보폭전압이 그물망 대비 103.0 %∼136.1 %로 나타나 격자판 접지극에서의 보폭전압이 그물망 접지극보다 증가한 것으로 나타났다. 하지만 일반적으로 보폭전압의 안전전압 여유는 접촉전압에 비하여 크므로 현장에서 접촉전압이 만족되는 경우 보폭전압도 만족되는 것으로 판단한다. 따라서 격자판 접지극 특성에 따른 보폭전압의 증가와 비교할 때 접촉전압, 대지전위상승 감소에 따른 인체 안전 성능 개선 등의 이익이 더 크다고 사료된다.

그림 5. 그리드 구조에 따른 보폭 전압 특성

Fig. 5. Step voltage characteristics according to grid structures

(3) 대지전위상승 및 접지극 임피던스

대지전위상승은 접지극 임피던스와 지락전류에 크기에 따라 결정되므로 대지전위상승을 기준으로 하였다. 그림 6은 그리드구조에 따른 격자판 접지극과 그물망 접지극의 대지전위상승을 나타내었다. 그림 6(a)는 대지면적 10×10 m로서 그물망 접지극은 3열 구조 4,727 V, 9열 구조 4,038 V이며, 격자판 접지극은 3열 구조 4,538 V(96 %), 9열 구조 3,857 V(95.5 %)로 나타나 격자판 접지극이 그물망 접지극 대비 대지전위상승을 효과적으로 제한하는 것으로 나타났다. 그림 6(b)는 대지면적 50×50 m을 나타낸 것으로 격자판 접지극의 대지전위상승이 그물망 접지극 대비 99.8 %∼100.5 %로 그물망 접지극과 거의 유사한 값을 나타냈는데 이는 대지면적 크기에 비하여 격자판 접지극 면적이 차지하는 비중이 매우 낮기 때문으로 판단된다.

그림 6. 그리드 구조에 따른 EPR 및 접지극 임피던스 특성

Fig. 6. EPR and ground electrode impedance characteristics according to grid structure

2.3.2 실증실험을 통한 격자판 접지극의 성능분석

상용주파수에 대한 격자판 접지극의 시뮬레이션 결과를 실증하기 위하여 실증시험장을 구축하였으며 그 결과로 시뮬레이션의 타당성을 입증하였다. 그림 7은 실증실험장 구성으로시공 면적은 가로 5 m, 세로 5 m이며 0.75 m 굴착 후 접지극을 매설하였다. 그림 7(a)는 격자판 접지극 모델로 9개의 격자판을 연결하여 시공하였으며, 접속도체는 나동선 BC 50 ㎣를 사용하였다. 그림 7(b)는 그물망 접지극 모델로 나동선 BC 50 ㎣를 사용하여 그물망 형상을 구축하였다.

그림 7. 접지전극 성능 분석을 위한 실증실험장 구성

Fig. 7. Design of an experimental site for earth electrode performance analysis

그림 8. 상용주파수에서의 실증실험 결과

Fig. 8. Results of demonstration experiments at commercial frequencies

그림 8은 실증실험 결과로써 접지극 저항은 METREL社의 MI-3290, 접촉·보폭전압 및 포텐셜 전압은 MI-3295 계측기를 사용하여 5회 측정의 평균값을 나타내었다. 시뮬레이션 결과는 가장 면적이 좁은 10×10 m와 비교하였으며 균등한 데이터를 얻기 위하여 3열∼9열 구조 결과의 평균값을 적용하였다. 실증실험에서 접촉전압은 그물망 26.9 V, 격자판 20.7 V로 76.9 %로 감소되었으며 시뮬레이션에서는 76.5 %로 나타나 0.4%의 오차로 유사한 결과를 얻었음을 확인하였다. 격자판 접지극의 실측 결과는 그물망 접지극을 기준으로 보폭전압은 110.5 %, 접지극저항은 91.3 %, 대지전위상승은 90.4 %이며 시뮬레이션 결과는 보폭전압은 102.1 %, 접지극저항은 76.5 %, 대지전위상승은 95.6 %로 오차는 각각 8.4 %, 14.8 %, 4.3 %로 시뮬레이션의 타당성을 입증하였다.

2.4 과도상태 시 격자판 접지극 성능분석

피뢰를 포함한 통합접지 접지극으로서 격자판 접지극을 채택하는 경우를 고려하여 접지극에 고주파 전류가 유입되는 환경에 대한 성능을 실험하기 위하여 60 Hz, 60 kHz, 300 kHz, 600 kHz, 1 MHz 총 5가지 주파수에서의 접지극의 접촉전압, 보폭전압, 대지전위상승 및 접지극 저항 특성을 분석하였으며, 주파수 외의 시뮬레이션 파라미터는 상용주파수 시뮬레이션 부분 2.2.2항의 표 1과 동일하게 적용하였다.

(1) 접촉전압

그림 9는 과도 상태 시에 접촉전압 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 그림 9(a)는 대지면적 10 m×10 m, 3열 구조의 결과이다. 대지비저항 100 Ω·m기준 그물망 접지극은 60 Hz에서 1,688 V(100 %), 300 kHz에서 9,232 V(547 %), 1 MHz 에서 24,590 V(1,457 %) 상승하였으며 격자판 접지극은 60 Hz에서 1,310 V(78 %), 300 kHz에서 6,801 V(403 %), 1 MHz에서 15,567 V(922 %) 상승하여 1 MHz에서의 상승이 격자판 접지극이 그물망 접지극 대비 63.3 %로 낮게 나타났다.

그림 9. 격자구조 및 주파수에 따른 접촉전압 특성

Fig. 9. Touch voltage characteristics according to lattice structure and frequency

그림 9(c)는 대지면적 50 m×50 m, 3열 구조의 결과이다. 대지비저항 100 Ω·m 기준 그물망 접지극은 60 Hz에서 452 V(100 %), 300 kHz에서 22,078 V(4,885 %), 1 MHz에서 84,036 V(18,592 %) 상승하였으며 격자판 접지극은 60 Hz에서 459 V(102 %), 300 kHz에서 8,974 V(1,985 %), 1 MHz에서 19,365 V(4,284 %) 상승하여 1 MHz에서의 상승이 격자판이 그물망 대비 23 %로 낮게 나타났다. 이와 같이 고주파 고장전류가 유입되는 경우 접지극 도체의 유효현상에 따른 접촉전압의 상승을 격자판 접지극이 그물망 접지극 대비 23 %∼63.3 %로 낮게 제한할 수 있는 것으로 확인되었다.

(2) 보폭전압

그림 10은 보폭전압 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 그림 10(c)는 대지면적 50 m×50 m, 3열 구조의 결과이다. 대지비저항 100 Ω·m기준 그물망 접지극은 60 Hz에서 58 V(100 %), 300 kHz에서 3,51 V(605 %), 1 MHz에서 2,092 V(3,607 %) 상승하였으며 격자판 접지극은 60 Hz에서 60 V(103 %), 300 kHz에서 1,042 V(1,797 %), 1 MHz에서 1,939 V(3,343 %) 상승하여 1 MHz에서의 상승이 격자판 접지극이 그물망 접지극 대비 92.7 %로 낮았다. 반면 그림 10(a)는 대지면적 10 m×10 m, 3열 구조의 결과이다. 대지비저항 100 Ω·m 기준 그물망 접지극은 60Hz에서 360 V(100 %), 300 kHz에서 639 V(1,785 %), 1 MHz에서 1,332 V(370 %) 상승하였으며 격자판 접지극은 60 Hz에서 325 V(90 %), 300 kHz에서 1,284 V(357 %), 1 MHz에서 2,861 V(795 %) 상승하여 1 MHz에서의 보폭전압의 증가는 격자판 접지극이 그물망 접지극 대비 214.8 %로 크게 나타났다. 보폭전압은 접촉전압에 비하여 상대적으로 안전전압 여유가 크지만 이 부분에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

그림 10. 격자구조 및 주파수에 따른 보폭전압 특성

Fig. 10. Step voltage characteristics according to lattice structure and frequency

대지전위상승은 접지극 임피던스와 지락전류의 크기로 결정되어지므로 고주파 전류가 유입 시 접지도체 리액턴스 증가에 따라 접지극 임피던스 또한 증가하게 된다. 따라서 대지전위상승은 접지극 임피던스와 유사한 형상의 그래프를 나타내게 되기 때문에 대지전위상승을 기준으로 설명하였다.

그림 11은 대지전위상승 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 그림 11(a)는 대지면적 10 m×10 m, 3열 구조의 결과이다. 대지비저항 100 Ω·m기준 그물망 접지극은 60 Hz에서 4,727 V(100 %), 300 kHz에서 12,624 V(267 %), 1 MHz에서 29,608 V(626 %) 상승하였으며 격자판 접지극은 60 Hz에서 4,538 V(96 %), 300 kHz에서 10,649 V(225 %), 1 MHz에서 21,660 V(458 %) 상승하여 1 MHz에서의 대지전위상승이 격자판 접지극이 그물망 접지극 대비 73.2 %로 낮게 계산되었다.

그림 11(c)는 대지면적 50 m×50 m, 3열 구조의 결과이다. 대지비저항 100[Ω·m] 기준 그물망 접지극은 60 Hz에서 11,33V(100 %), 300 kHz에서 23,345 V(2,060 %), 1 MHz에서 86,508 V(7,635 %) 상승하였으며 격자판 접지극은 60 Hz에서 1,139 V(101 %), 300 kHz에서 13,482 V(1,190 %), 1 MHz에서 25,344 V(2,237 %) 상승하여 1 MHz에서의 상승이 격자판 접지극이 그물망 접지극 대비 29.3 %로 낮았다.

그림 11. 격자구조 및 주파수에 따른 접지전극 EPR 특성

Fig. 11. Earth electrode EPR characteristics according to lattice structure and frequency

이와 같이 낙뢰 등 고주파 성분이 포함된 전류가 접지극으로 유입되는 경우 대지전위의 상승을 격자판 접지극이 그물망 접지극 대비 29.3 %∼73.2 %의 크기로 제한할 수 있는 것으로 확인되었으며 주파수에 따른 접지극 임피던스의 변화 그래프도 이와 유사한 결과를 확인하였다.