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소개
이 튜토리얼에서는 변전소 접지 및 접지 시스템 설계에 사용되는 주요 개념을 소개합니다. 그리드 전위 상승, 터치 및 스텝 전압, 전류 분배 등 중요한 용어에 대해 설명합니다.
오류 발생 시 예시 접지 및 접지 시스템의 동작에 대해 설명합니다.
목차
1 그리드 전위 상승(GPR)
그림 1(a)는 지표면 0.5m 아래에 매설된 수평 도체("메쉬" 또는 "그리드" 도체라고도 함)와 수평 도체가 형성한 그리드에 연결된 3m 길이의 수직 도체("접지봉"이라고도 함)로 구성된 간단한 접지 시스템을 보여줍니다. 수평 그리드는 정사각형이며 4개의 정사각형 메시로 세분화됩니다.
그림 1(b)는 정전 시 접지 시스템에 전원이 공급될 때 지표면에서 발생하는 표면 전압을 보여줍니다.
접지 시스템을 통해 전류가 땅에 주입되면 전류는 토양의 저항에 직접적으로 의존하는 저항을 만나게 됩니다. 이 저항을 통해 흐르는 전류로 인해 접지 시스템과 연결된 모든 금속 구조물의 전위가 상승합니다. 변전소 접지 그리드가 원격 접지의 전위(0볼트)에 있다고 가정한 먼 접지 지점에 대해 도달할 수 있는 최대 전위를 그리드 전위 상승(GPR )이라고 합니다[1].
GPR은 접지 시스템에 의해 토양에 주입되는 전류의 크기에 정비례합니다. 주어진 주입 전류에 대해 GPR은 토양 저항률에 정비례합니다. 따라서 접지 시스템을 설계할 때 신뢰할 수 있는 토양 저항을 측정하고 변전소 현장에서 측정하여 토양 특성을 확인하는 것이 매우 중요합니다. 이는 접지 시스템 성능을 정확하게 모델링하기 위해 필요합니다.
주어진 고장 전류에 대해 GPR은 그리드 면적에 대략 반비례합니다. 그리드의 모양과 매설 깊이도 GPR에 어느 정도 영향을 미친다는 점에 유의하세요.
그림 1에 표시된 그리드의 GPR은 2220V이며, 항상 GPR보다 낮은 최대 표면 전압은 2060V입니다.
그림 1 - 시스템 및 표면 전압 플롯 예시
2 터치 및 스텝 전압
그림 1은 접지 전위가 GPR보다 낮고 크게 변화하는 것을 보여줍니다. 그리드 도체 바로 위의 지점에서는 접지 전위가 GPR에 가장 가깝고, 반면에 그리드 메시의 중간 지점에서는 전위 강하가 발생하며 이 중심 지점에서 GPR과 접지 전위의 차이가 최대가 됩니다. 즉, 메시의 중앙에 서서 접지 시스템에 연결된 금속 구조물에 접촉하는 사람은 높은 접촉 전압을 받게 됩니다.
'터치 전압'은 접지 시스템과 사람이 전기가 통하는 금속 구조물(접지 시스템과 동일한 전위에 있다고 가정)에 접촉하면서 서 있을 수 있는 접지 표면 위치 사이의 전위 차이입니다[1].
그림 2 (a)의 플롯은 그리드 내부와 그리드에서 최대 1미터 떨어진 곳의 터치 전압을 표시합니다. 최대 터치 전압은 일반적으로 그리드의 모서리에서 발생하는데, 이는 주변 도체에 가장 높은 누설 전류가 존재하기 때문입니다(누설 전류 플롯을 얻는 것이 이를 표시하는 방법입니다).
그림 1과 그림 2 (b)에서 볼 수 있듯이 접지 시스템 경계 외부의 가파른 전위 기울기로 인해 사람의 발이 위치한 두 접지면 위치 사이에 상당한 전위차가 발생할 수 있습니다. 일반적으로 사람의 보폭은 1m를 초과하지 않는다고 가정하며, 따라서 '스텝 전압'은 1m 떨어진 두 접지 지점 사이의 전위차로 정의됩니다.
스텝 전압 레벨은 일반적으로 터치 전압보다 훨씬 낮습니다. 따라서 일반적으로 설계에 안전한 터치 전압을 달성할 수 있다면 스텝 전압은 문제가 되지 않습니다.
그림 2 - 2차원의 터치 및 스텝 전압 플롯
터치 및 스텝 전압은 GPR과 마찬가지로 대지에 주입되는 전류에 정비례합니다. 또한 주어진 주입 전류와 주어진 그리드 비율 세트에 대해 터치 및 스텝 전압은 접지의 전기 저항에 정비례합니다.
접지 시스템의 성능을 평가하기 위해 고장 조건에서 발생하는 GPR과 터치 및 스텝 전압을 최대 허용 또는 허용 전압 한계라고도 하는 최대 허용 값과 비교합니다. 이러한 안전 한계는 IEC 및 IEEE 표준 방법[1], [2]에 따라 도출됩니다.
터치 및 스텝 전압 제한을 계산하는 방법을 설명하는 페이지를 참조하세요.
안전 한계를 실제 터치 및 스텝 전압과 비교하여 설계가 안전한지 여부를 결정합니다. 안전한 설계를 달성하기 위한 두 가지 주요 접근 방식이 있습니다:
- 변전소 내 및 변전소 주변 어느 지점에서나 나타나는 실제 터치 및 스텝 전압이 안전 한도 미만임을 표시(또는 표시)합니다.
변전소 내부 및 외부 표면에 쇄석 또는 아스팔트 표면층을 추가하여 허용 한도를 높입니다.
3 고장 전류 분배
변전소 근처에서 우발적인 통전 또는 "지락"이 발생하면 고장난 상 도체에서 많은 양의 전류가 흐르고 사용 가능한 모든 전도성 경로를 통해 전원으로 되돌아갑니다(그림 3 참조).
그림 3은 변전소 A 근처에 고장이 발생한 경우 가공 송전선을 통해 연결된 두 변전소에 대한 고장 전류의 흐름을 보여줍니다. 화살표는 고장 전류의 흐름 방향을 나타냅니다. 다음은 실제 예제를 통해 고장 전류 분포를 설명하는 동영상 튜토리얼입니다.
오류가 발생하는 동안 전체 오류 전류의 일부가 다음 경로를 따라 전원(오류 전류) 소스로 돌아갑니다:
- 접지선: 고장 전류의 일부는 전적으로 접지선(존재하는 경우)을 통해 고장 지점에서 전원으로 흐릅니다. 고장 전류의 또 다른 부분은 접지선의 길이를 따라 흐르다가 송전탑 접지 또는 고장 지점과 가장 가까운 접지선 이외의 변전소의 접지 시스템과 같은 다양한 접지 경로를 통해 대지로 주입됩니다.
- 변전소 접지 시스템: 고장 전류의 또 다른 부분은 고장이 발생한 변전소 근처의 접지 시스템에 의해 대지로 주입됩니다. 이 전류는 대지를 통해 전원의 접지 시스템으로 흐르고, 다시 전원의 접지 시스템을 통해 고장 전류를 공급하는 발전기 또는 변압기로 흐릅니다.
- 보조 접지 시스템: 변전소에 변전소 부지의 접지 시스템 외에 추가 접지 시스템이 있는 경우, 고장 전류의 일부가 이 추가 접지 시스템으로 전환됩니다. 건물 철근 콘크리트 바닥의 철근은 원격 접지와 마찬가지로 보조 접지 시스템으로 간주될 수 있습니다.
변전소 접지 시스템에 주입되는 고장 전류의 일부를 일반적으로 계통 전류라고 하며, 이 전류는 접지 시스템의 전위 상승을 유발합니다.
각 경로를 따라 흐르는 고장 전류의 양은 상대 임피던스에 따라 직접적으로 달라집니다. 예를 들어, 접지선의 임피던스가 낮고 고장난 변전소와 전원 사이의 거리가 멀지 않은 경우, 길고 임피던스가 높은 경우보다 고장 전류의 더 많은 부분을 전달하는 경향이 있습니다. 마찬가지로 변전소 접지 시스템의 임피던스가 매우 낮은 경우 임피던스가 높은 경우보다 고장 전류의 훨씬 더 많은 부분을 전도합니다.
대부분의 경우 그리드 전류는 전원이 제공하는 총 고장 전류보다 훨씬 적습니다. 따라서 설계 단계에서 고장 전류 분포를 분석하는 것은 가치가 있지만 전도 경로에 대한 추가 정보가 필요합니다.
4 GPR을 줄이기 위한 설계
접지 시스템은 GPR이 5000V를 초과하지 않도록 설계해야 하며, 이는 주로 장비를 보호하기 위한 것입니다[3].
GPR을 줄이려면 그리드 저항을 줄여야 하며, 이는 그리드의 크기(면적)를 늘리거나 저항이 낮은 바닥 토양층에 봉을 추가하는 방식으로 가장 효과적으로 달성할 수 있습니다. 그리드 내부에 도체를 추가하면 GPR을 더 낮출 수 있습니다.
표 1은 4개의 간단한 접지 시스템에 대해 SafeGrid 접지 소프트웨어에서 계산된 결과를 보여줍니다. 이러한 접지 시스템은 0.5m 깊이에 매설된 20m × 20m 정사각형 메시로 구성되며 막대(길이 3m)가 추가됩니다. 접지 시스템과 도체 단면적에 주입되는 고장 전류는 각각 1000A와 70mm2입니다. 저항률 100Ω.m의 균일한 토양 모델을 가정합니다.
사례 1에서 시작하여 십자 형태로 설치된 20m 길이의 메시 도체 2개를 추가하면 GPR은 6.37% 감소합니다. 20m 길이의 도체 6개를 추가로 추가하여 총 25개의 메시로 사례 3의 그리드를 구성하면 GPR은 14.1% 감소합니다.
그리드에 내부 도체를 추가하는 것은 그리드 크기를 늘리는 것보다 덜 효과적입니다. 사례 4는 크기만 20m에서 25m로 늘렸을 때 GPR이 16.78% 감소하는 것을 보여줍니다.
그리드 저항을 줄이면 그리드 전류가 증가하여 전류 변동이 없다고 가정할 때 얻을 수 있는 GPR의 감소 폭이 작아집니다.
5 터치 및 스텝 전압을 줄이기 위한 설계
접지 시스템은 정전 시 변전소 경계 내 어느 지점에서든 접촉 전압이 위험하지 않도록 설계되어야 합니다. 터치 전압은 지표면의 한 지점과 변전소 접지 시스템 사이의 전위 차이이므로 이상적인 상황은 지표면의 전위가 변전소 GPR에 근접하는 것입니다.
4개의 메시 그리드에 대한 표면 전압 및 터치 전압 플롯은 각각 그림 4 (a) 및 (b) 플롯에 나와 있습니다. 표면 전압 플롯의 4개의 계곡은 4개의 메시의 중심에 해당하며 가장 큰 터치 전위가 존재하는 지점입니다. 이 그리드의 최대 터치 전압은 642V입니다.
그림 4 - 4메시 그리드의 표면 및 터치 전압 플롯
그림 5는 동일한 그리드에 대한 표면 전압 및 터치 전압 플롯이지만 메시가 25개인 경우를 보여줍니다. 메쉬 수가 증가하면 계곡이 훨씬 더 얕아집니다. 따라서 최대 터치 전압은 훨씬 작아집니다. 이 그리드의 최대 터치 전압은 391V입니다.
그림 5 - 25메시 그리드의 표면 및 터치 전압 플롯
어느 시점에서 그리드 도체를 추가하여 얻은 개선 효과가 미미해지며, 그림 5에서는 이미 그리드 영역 전체에서 터치 전위가 거의 균일하기 때문에 계곡을 더 얕게 만들어도 큰 개선 효과를 얻지 못할 것임을 알 수 있습니다. 이 경우에도 개선이 필요한 경우, 예를 들어 접지 시스템의 크기를 늘리는 등 GPR 자체를 낮춰야 합니다.
변전소 영역 내의 스텝 전압은 일반적으로 터치 전압이 안전 한도 내에 있는 경우 문제가 되지 않습니다. 변전소 영역 내의 스텝 전압은 터치 전압보다 작을 뿐만 아니라 인간은 터치 전압보다 높은 스텝 전압을 견딜 수 있습니다.
스텝 전압은 일반적으로 가파른 접지 전위 구배가 존재하는 변전소 주변에서만 문제가 됩니다. 일반적으로 전위 구배의 가파른 정도는 접지 시스템의 크기에 대략 반비례하므로 스텝 전위는 큰 접지 시스템보다 작은 접지 시스템에서 더 큰 문제를 일으킬 수 있습니다. 접지 시스템의 크기를 늘리는 것이 스텝 전압을 줄이는 효과적인 방법입니다.
그리드 내부의 접촉 전압이 감소하더라도 변전소 가장자리의 접촉 전압은 여전히 매우 높습니다. 변전소 외부의 인력과 장비를 보호하기 위해 주 접지 그리드에서 1m 떨어진 곳에 매립형 등급 링 (IEEE 표준 80에서는 "주변 도체"라고 함)을 추가하여 터치 전압을 줄일 수 있습니다(20m × 20m).
그림 6은 그레이딩 링이 없는 터치 및 스텝 전압을 보여줍니다. 최대 터치 전압은 767V이며 변전소 주변의 스텝 전압도 허용되지 않습니다.
그림 6 - 등급 링이 없는 터치 및 스텝 전압 2D 플롯
그림 7은 메인 그리드와 동일한 깊이에 그레이딩 링을 매립한 터치 및 스텝 전압을 보여줍니다. 그레이딩 링을 설치하면 터치 전압과 스텝 전압이 크게 감소합니다. 최대 터치 전압은 425V로 감소하고 변전소 주변의 스텝 전압도 그레이딩 링이 없는 경우 200V에 비해 약 50V로 감소합니다.
그림 7 등급 링이 있는 터치 전압 2D 플롯
6 토양 저항 구조가 전압에 미치는 영향
실제 변전소 현장의 경우 토양 저항 구조는 일반적으로 균일하지 않습니다. 대부분의 현장에서는 다층 토양 모델이 접지 시스템 전기 성능을 평가하는 데 더 현실적이고 정확합니다.
이 섹션에서는 간단한 2중 토양에 대한 최상층과 하층 저항의 차이가 표면 전압에 미치는 영향을 살펴봅니다. 대부분의 토양 구조에는 3~5층 사이의 모델이 필요합니다.
일반적인 2계층 토양 모델은 다음과 같습니다:
- 하이 온 로우 모델(상단 레이어 저항이 하단 레이어 저항보다 높음)
- 로우 온 하이 모델(하단 레이어 저항이 상단 레이어 저항보다 높음)
토양이 높을 때와 낮을 때 터치 및 스텝 전압에 미치는 다양한 영향을 보여주기 위해 막대가 없는 간단한 20m × 20m 접지 그리드를 사용합니다.
그림 8은 상층 토양의 저항이 500Ω.m, 깊이 1.5m, 하층 토양 저항이 50Ω.m인 고저 토양 모델의 표면 전압을 보여줍니다. 최대 표면 전압은 3595V입니다. 하이 온 로우 모델의 경우 고저항 층의 최상층으로 유입된 고장 전류는 저저항 층의 하층으로 빠져나가려고 합니다.
그림 8 - 고저 토양 모델의 표면 전압 플롯
그림 9는 깊이 1.5m에서 표층 토양의 저항이 50Ω.m이고 바닥층 토양의 저항이 500Ω.m인 저고도 토양 모델의 표면 전압을 보여줍니다. 바닥층 토양의 저항이 클수록 깊은 토양층으로 흐르는 전류가 방해되어 표면 전압이 증가합니다. 로우 온 하이 토양 모델의 최대 표면 전압은 5525V에 이릅니다.
그림 9 - 로우 온 하이 토양 모델의 표면 전압 플롯
하단 레이어 저항은 상단 레이어에 비해 그리드 저항 및 그리드 전위 상승에 가장 큰 영향을 미칩니다(상대적인 두께로 인해 하단 레이어 두께는 무한한 깊이까지 확장됨). 따라서 저항률이 낮은 바닥층은 전체 그리드 저항과 GPR이 낮아지는데, 이것이 바로 장점입니다. 그러나 토양 저항률 모델이 하이 온 로우인 경우 표면 전압 프로파일의 가파른 변화로 인해 터치 전압이 로우 온 하이보다 훨씬 더 클 수 있습니다.
7 막대를 사용하여 안전성 향상
Ⅰ. 근접 효과를 고려하여 막대를 분리합니다.
접지 시스템에 설치된 봉은 성능을 향상시킬 수 있지만 봉을 적절한 거리로 분리해야 효과를 발휘할 수 있습니다.
그림 10에서 볼 수 있듯이, 한 세그먼트의 필드는 인접한 세그먼트에 영향을 미치고 그 반대의 경우도 마찬가지여서 고장 전류를 방출하는 능력을 감소시키는데, 이를 근접 효과라고 합니다. 여러 개의 수직 막대를 밀집시키는 것은 적절한 간격을 두고 적은 수의 막대를 배치할 때보다 $/Ω 측면에서 이득이 되지 않습니다.
이 현상을 설명하기 위해 각 모서리에 5m 막대가 4개씩 있는 그림 11의 간단한 그리드를 만들었습니다. 막대는 1, 2, 3, 4, 5, 7.5, 10, 20m 간격으로 분리되어 있으며 그리드(수평) 도체는 절연되어 있어 막대 간격에 따른 결과만 영향을 받도록 합니다.
그림 12는 막대 간격의 변화에 따른 그리드 임피던스를 보여줍니다. 막대 길이까지 분리하면 전체 저항이 크게 감소한다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 로드 길이보다 더 큰 간격으로 분리해야 한다는 결론을 내릴 수 있습니다.
따라서 일반적으로 막대가 효과적이려면 최소한 길이만큼 간격을 두어야 합니다. 예를 들어 5m 길이의 막대는 5m 이상 간격을 두어야 합니다.
Ⅱ. 토양 특성에 따라 효과적으로 막대 사용
전압을 낮추기 위해 막대를 사용하는 것은 경우에 따라 효과가 떨어질 수 있습니다.
표 2는 다양한 토양 모델에 대한 봉이 있는 경우와 없는 경우의 접지 시스템의 그리드 임피던스를 보여줍니다. 막대를 설치하면 특히 고저 토양 모델의 경우 그리드 임피던스가 감소합니다.
고저 토양 모델에 막대를 추가하면 그리드 임피던스가 86.14% 감소하는 반면, 저고 토양 모델에 막대를 사용하면 표토층에 전류가 남아 있기 때문에 그리 효과적이지 않습니다(24.53% 감소). 이 문제는 저고도 토양 모델에 카운터포이즈(일반적으로 모서리에서 그리드에서 바깥쪽으로 뻗어 있는 수평 도체)를 설치하여 접지 그리드가 덮는 면적을 늘리면 해결할 수 있습니다. 접지 그리드가 덮는 면적을 늘리면 항상 성능이 향상됩니다.
참조
[1] "AC 변전소 접지 안전에 대한 IEEE 가이드", IEEE Std 80-2013.
[2] "전류가 인간과 가축에 미치는 영향 - 일반적인 측면." IEC 60479-1:2018.
[3] "변전소 접지 시스템의 허용 접지 전위 상승의 최대 한계." IEEE 산업 애플리케이션 트랜잭션(51권 6호, 2015년).
