접지 그리드에 대한 광범위한 연구

접지 시스템 성능에 대한 파라메트릭 연구.

개요

2중 토양에서 임의의 기하학적 구성의 그리드 성능을 결정하기 위해 설계된 SafeGrid 접지 소프트웨어를 사용하여 접지 그리드에 대한 광범위한 연구가 수행되었습니다. 이 연구는 다왈리비와 무케드카르가 CDEGS라는 소프트웨어를 사용하여 수행한 작업을 확인합니다.

다양한 접지 그리드 구성과 토양 모델을 분석했습니다. 접지 저항, 접지 전위 상승, 접촉, 스텝 전위 등 중요한 물리적 파라미터를 다양하게 변경하고 안전과 관련된 결과를 계산했습니다.

이 연구의 결과는 다음을 증명하는 것을 목표로 합니다:

IEEE 표준 80에 제시된 방정식과 같은 단순화된 분석 방법은 가정이 너무 많아 접지 시스템의 성능을 정확하게 예측하지 못합니다.
얻은 결과는 물리 이론과 일치하며 다른 유사한 연구 및 조사 결과와도 거의 일치합니다.

소프트웨어

SafeGrid의 주요 알고리즘은 검증된 전자기 방정식과 유한 요소 기법을 기반으로 하며, 수십 년에 걸친 현장 테스트를 통해 확인되었습니다.

모델링 기능:

임의의 기하학적 구성의 접지 시스템.
다층 토양 모델링.
표면, 터치 및 스텝 전위의 3차원(3D) 분석.

토양 모델

이 보고서에서는 균일 토양과 2계층 토양이라는 두 가지 유형의 토양 모델을 사용했습니다. 그러나 SafeGrid는 다층 토양도 모델링할 수 있습니다. 다층 토양에서의 접지 시스템 성능에 관한 문서를 참조하세요.

접지 시스템을 정확하게 모델링하려면 2계층 토양 모델을 사용해야 합니다. 이는 접지 저항, 스텝 및 터치 전위가 상단 및 하단 토양층 모두의 함수이기 때문입니다.

2계층 모델은 유한 두께의 저항률 _ρ1의 상층과 무한 깊이의 저항률 _ρ2의 하층으로 구성됩니다.

IEEE 표준 80에서는 안전한 접지 시스템 설계를 위해 동등한 2계층 접지 모델을 기반으로 접지 전극을 표현하는 것으로 충분하다고 명시하고 있습니다.

설명	반사 계수, ^K1	최상층 저항률, ρ1(Ω.m)	하단 레이어 저항률, ρ2(Ω.m)
유니폼	0	100	100
낮음에서 높음	0.9	100	1900
낮음에서 높음	0.5	100	300
낮음에 높음	-0.9	100	5.26
낮음에 높음	-0.5	100	33.33

표 1. 연구한 토양 모델

¹ 반사 계수, K = (_ρ2 - _ρ1)/ (_ρ2 + _ρ1)

그리드 사례 분석

표 2에 표시된 간단한 접지 그리드를 자세히 분석했습니다.

SafeGrid는 임의의 접지 도체 구성을 모델링할 수 있습니다.

이러한 접지 그리드는 일반적으로 동일한 간격과 동일한 길이의 도체를 포함하는 메시가 있는 정사각형 또는 직사각형 그리드로 구성됩니다.

어스 그리드의 매설 깊이는 0.01m에서 최대 100m까지 다양했으며, 2계층 토양 모델의 경우 최상층 깊이는 0.1m에서 최대 100m까지 다양했습니다.

표 2에 표시된 계산 결과의 값은 표시된 대로 고정된 매개변수 값에 대한 것입니다. 이러한 매개변수는 매개변수 분석 중에 변경된 동일한 단순 그리드에 대한 것입니다.

표 2. 분석된 그리드 사례. 공통 매개변수 토양 저항 = 100Ω.m(균일), 고장 전류 = 1000A.

결과

표면, 터치 및 스텝 전위

다양한 그리드 구성에 대한 접지 전위, 터치 전위 및 스텝 전위의 플롯은 각각 그림 1, 2 및 3에 나와 있습니다.

도체(또는 메시) 수를 늘리면 다음과 같은 영향을 미칩니다:

그리드 저항(R)을 감소시킵니다.
GPR = R * 고장 전류이므로 그리드 전위 상승(GPR)을 감소시킵니다.
최대 지표면 전위가 감소합니다.
터치 전위가 감소합니다(그림 2).
최악의 터치 전위는 그리드의 가장자리로 이동합니다. 그림 2에서 메시 수가 증가함에 따라 커브의 오목한 부분이 증가하는 것으로 나타났습니다.

이 최종 관찰은 균일한 토양, 양의 반사 계수 K 및 균일한 간격의 그리드 도체에 적용됩니다. 그렇지 않으면 최악의 터치 전위가 발생하는 위치를 예측하기 어렵습니다.

그림 1. 표면 전위 - 그리드 매설 깊이 = 0.5m, 토양 모델 = 100Ω.m(균일), 고장 전류 = 10kA.

그림 2. 터치 전위 - 그리드 매설 깊이 = 0.5m, 토양 모델 = 100Ω.m(균일), 고장 전류 = 10kA.

그림 3. 단계 전위 - 그리드 매설 깊이 = 0.5m, 토양 모델 = 100Ω.m(균일), 고장 전류 = 10kA.

도체를 따라 흐르는 전류 밀도

도체의 전류 밀도는 다양한 그리드 배열 및 토양 저항 구조에 대해 그림 4, 5, 6에 나와 있습니다.

적용되는 그리드 고장 전류는 도체 30m마다 1000A가 적용되는 특정 배열의 경우 그리드 도체의 총 길이에 따라 달라집니다. 예를 들어, 30m 도체 4개로 구성된 단일 메시의 경우 적용되는 고장 전류는 4 x 1000A입니다.

그리드 도체를 따라 흐르는 전류 밀도 분포는 균일하지 않고 다음에 따라 달라지는 복잡한 함수입니다:

그리드 배열(예: 메시 수 등)
다른 컨덕터에 대한 컨덕터의 위치, 그리고
토양 저항 구조

최상층 토양 저항이 하층보다 낮으면(즉, K>0) 전류 밀도는 도체 끝으로 집중됩니다. 이는 전류가 최상층 토양층 내에 남아 있다가 토양으로 소산되면서 퍼지기 때문입니다.

When the lower layer soil resistivity is higher than the top layer (i.e. K<0) the current density at the centre of the conductors can be just as high as at the ends. This is because the fault current escapes directly downwards toward the lower resistivity bottom layer.

가장자리를 따르는 도체의 전류 손실은 매설 접지 그리드의 중앙(그림 5 및 그림 6의 점선)에 있는 도체보다 더 높습니다(그림 5 및 그림 6의 실선).

그림 4. 도체를 따라 단일 메시 전류 밀도. 고장 전류 = 4 x 1000 A

그림 5 도체를 따라 4메시(M4) 전류 밀도. 결함 전류 = 6 x 1000A

그림 6 도체를 따라 16메시(M16) 전류 밀도. 결함 전류 = 10 x 1000 A

최상부 토양층이 그리드 저항에 미치는 영향

그림 7과 그림 8은 0.5미터에 매설된 간단한 30 x 30미터 메시(M4 및 M16)의 경우 최상부 토양층의 두께에 따라 그리드 저항이 어떻게 달라지는지 보여줍니다.

최상층 토양 저항은 고정되어 있고, 하층 토양층 저항은 다양한 반사 계수(K)를 얻기 위해 변화합니다. 그리드 저항은 최상층 토양층의 다양한 깊이에 대해 계산됩니다.

최상층 토양층 깊이를 변경하면 다음과 같은 효과가 있습니다:

균일한 토양 모델(대조 사례)의 경우 그리드 저항에 영향을 미치지 않습니다.
최상부 토양층의 깊이가 깊어질수록 그리드 저항이 낮아지는 로우 온 하이 토양 모델(K>0)의 경우 그리드 저항이 낮아집니다.
For high on low soil model (K<0) as the depth of the top soil layer is increased grid resistance goes up.
최상층의 깊이가 무한대에 가까워지면 그리드 저항은 균일한 토양 모델에 수렴합니다.

상단 토양층 깊이 0.5m(그리드의 매설 깊이에 해당)에서 모든 경우의 그리드 저항이 급격하게 변화하는 것을 확인할 수 있습니다.
그리드 저항은 특히 저항률이 높은 바닥 토양층(K>0)의 경우 바닥 토양층의 영향을 받는 것으로 나타났습니다. 그리드 저항에 대한 바닥 토양층의 영향은 높은 깊이(전체 그리드 직경의 약 2배 이상)에서는 무시할 수 있습니다.