KR101041399B1 - 접지 매설 시험장 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 접지 매설 시험장 장치는, 과도 접지 임피던스를 측정하기 위한 대상 접지극; 원통형으로 내부에는 다양한 대지 저항률을 가지는 토양을 치환 수납하여, 다양한 대지저항률의 토양에 대해 방전시험을 가능하게 하는 원통형 토양 매설 장치; 귀환 전류를 유입시킴과 동시에 안정된 기준 전위점을 형성하기 위해 미리 정해둔 크기의 접지 임피던스를 가지는 실험용 기준 접지극 장치; 고전압 및 대전류 임펄스 발생기의 기준 전위점을 확보함과 동시에 등전위 평면을 이루는 등전위 동판 또는 등전위 메시 장치; 실험용 기준 접지극 장치와 등전위 동판 또는 등전위 메시 장치를 접속하는 다수의 접지도선 및 본딩 장치; 고전압 및 대전류 임펄스 발생기에서 상기 실험용 기준 접지극 장치로 인가되는 전류를 측정하기 위한 비접촉식 전류 측정기; 등전위 동판 또는 등전위 메시 장치와 접지극 사이의 전위상승을 측정하는 유입 절연식 다단 정밀 탄소분압기; 상기 유입 절연식 다단 정밀 탄소 분압기를 통해 측정된 전압 및 전류를 토대로 과도 접지 임피던스를 검출하는 과도 접지 임피던스 분석 장치;를 구비함을 특징으로 한다.

Description

접지 매설 시험장 장치{Apparatus for test site underground wiring earth}
본 발명은 피뢰설비용 접지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고전압 및 대전류의 임펄스가 통과할 때 발생하는 지중방전을 고려한 접지극의 성능을 임피던스로 평가하는 접지 매설 시험장 장치에 관한 것이다.
낙뢰 사고 예방을 위한 피뢰접지에 사용되는 접지극은 고전압 대전류 임펄스에 노출되게 되며 성능평가에 있어서 접지 임피던스 차원의 기술이 요구된다. 특히 임펄스에 의한 접지 성능은 과도 접지 임피던스로 평가하여야 하며 낙뢰의 특성상 접지극 주위에서 지중 방전을 수반하는 경우가 많다. 이러한 접지극으로 방전을 촉진시키는 구조로 상용화된 제품들이 있지만 이들에 대한 성능 평가 기술은 전무한 상태이다.
피뢰 설비용 접지 시스템은 방류시키는 전류가 임펄스 형태이며 상용 전원에 비해 높은 주파수 성분을 가진다. 또한 뇌격 전류가 작게는 수 kA에서 크게는 200 kA에 달하며 접지 전위 상승 또한 수백 kV를 넘게 되어 접지극 주위의 전계 강도가 토양의 절연 파괴 강도 이상이 될 경우 지중 방전이 발생한다.
종래에는 피뢰 설비용 접지에 대하여 성능평가 요소로 접지 저항만을 사용하기 때문에 높은 주파수와 큰 전류, 높은 전압에 대한 성능을 전혀 반영하지 못하고 있었다.
좀 더 설명하면, 접지극 주위에서 방전이 발생하면 접지 전극에 흐르는 전류는 순간적으로 급격히 상승하여 2차 피크를 형성하며 접지 전위는 피크값에 도달하기 이전 또는 피크값 이후에 급감하는 지점이 발생한다. 이러한 과도영역에서 접지저항은 접지극의 성능을 대표하지 못하며 전압과 전류의 피크로 정의되는 접지 임피던스도 실제 성능과 큰 차이를 보인다.
본 발명은 고전압 및 대전류 임펄스 발생기로부터 생성된 임펄스를 접지극에 인가시킨 후에 접지극에서 발생하는 전위 상승 파형과 전류 파형을 토대로 접지극의 임펄스 응답특성 분석과 전압-전류 곡선, 2차 피크 및 급감지점을 감지하여 이온화 개시전압, 임펄스 임피던스, 지중방전을 검출하는 접지 매설 시험자 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 접지 매설 시험장 장치는, 과도 접지 임피던스를 측정하기 위한 대상 접지극; 원통형으로 내부에는 다양한 대지 저항률을 가지는 토양을 치환 수납하여, 다양한 대지저항률의 토양에 대해 방전시험을 가능하게 하는 원통형 토양 매설 장치; 귀환 전류를 유입시킴과 동시에 안정된 기준 전위점을 형성하기 위해 미리 정해둔 크기의 접지 임피던스를 가지는 실험용 기준 접지극 장치; 고전압 및 대전류 임펄스 발생기의 기준 전위점을 확보함과 동시에 등전위 평면을 이루는 등전위 동판 또는 등전위 메시 장치; 실험용 기준 접지극 장치와 등전위 동판 또는 등전위 메시 장치를 접속하는 다수의 접지도선 및 본딩 장치; 고전압 및 대전류 임펄스 발생기에서 상기 실험용 기준 접지극 장치로 인가되는 전류를 측정하기 위한 비접촉식 전류 측정기; 등전위 동판 또는 등전위 메시 장치와 접지극 사이의 전위상승을 측정하는 유입 절연식 다단 정밀 탄소분압기; 상기 유입 절연식 다단 정밀 탄소 분압기를 통해 측정된 전압 및 전류를 토대로 과도 접지 임피던스를 검출하는 과도 접지 임피던스 분석 장치;를 구비함을 특징으로 한다.
상기한 본 발명은 높은 주파수와 큰 전류, 높은 전압에 대한 성능을 반영하여 피뢰설비 접지장치 대한 성능 평가를 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고전압 임펄스 발생기의 구성도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대전류 임퍼스 발생기의 구성도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 접지 매설 시험장 구조도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 과도 접지 임피던스 측정 시스템의 구성도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유입식 다단 정밀 탄소 분압기의 구조도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 과도 접지 임피던스 분석 알고리즘을 도시한 도면.
<고전압 임펄스 발생기>
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고전압 임펄스 발생기의 구성을 도시한 것이다.
상기 고전압 임펄스 발생기는 최대 1000kV의 고전압 임펄스를 발생하기 위한 것으로, 220V 60Hz의 상용 주파 전원으로부터 100kV의 전압을 얻을 수 있는 승압부(130), 교류를 직류로 변화시켜주며 정류된 직류의 극성을 전환시켜 주는 전환장치 및 충전 완료시, 방전시, 극성전환시에 회로를 개로시키는 PLC 제어방식(141)의 고전압 스위치(142)가 포함된 정류부(140), 콘덴서에 전하를 충전시키고 방전시 전위차를 감당해 주는 충전저항(150), 콘덴서에서 방전되는 전류의 크기를 제한해 주는 무유도성 댐핑저항 모듈(160), 최대 1000kV의 출력전압을 형성하는 다단 직렬 구갭(170), 방전되는 전압의 상승시간을 1~10μs, 반치도달시간을 20~100μs로 조절하는 무유도저항과 인덕터 조합의 파형조절부(180), 출력단자(190), 승압부(130), 정류부(140), 2중 구갭 트리거에 대하여 충전시간, 충전전압, 극성전환, 광신호 트리거를 조절하는 제어부(110), 트리거 신호 발생, 광신호 제어, 트리거 갭 조정, 강제 트리거 등을 조절하여 다단 직렬 구갭(170)을 구동시키는 트리거부(120)로 구성된다.
<대전류 임펄스 발생기>
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대전류 임펄스 발생기의 구성을 도시한 것이다.
상기 대전류 임펄스 발생기는, 220V 60Hz의 상용 주파 전원으로부터 100kV의 전압을 얻을 수 있는 승압부(230), 교류를 직류로 변화시켜주며 정류된 직류의 극성을 전환시켜 주는 전환장치 및 충전 완료시, 방전시, 극성전환시에 회로를 개로시키는 PLC 제어방식(241)의 고전압 스위치(242)가 포함된 정류부(240), 콘덴서에 전하를 충전시키고 방전시 전위차를 감당해 주는 충전저항(250), 콘덴서에서 방전되는 전류의 크기를 제한하는 무유도성 댐핑저항 모듈(260), 트리거부(220)의 제어를 통해 병렬로 구성된 구갭을 동작시켜 콘덴서에 충전된 전하를 집중하여 방전시키는 다중 병렬 구갭(270), 방전되는 전류의 상승시간을 2~20μs, 반치도달시간을 10~400μs로 조절하는 무유도저항과 인덕터 조합의 파형조절부(280), 충전전압, 충전시간, 극성전환, 병렬회로설정을 제어하는 제어부(210), 트리거 신호 발생, 광신호 제어, 트리거 갭 조정, 강제 트리거 등을 조절하여 다단 병렬 구갭(270)을 제어하는 트리거부(220)로 구성된다.
<접지매설 시험장 구조>
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 접지매설 시험장의 구조를 도 3을 참조하여 설명한다.
상기 접지매설 시험장에는 과도 접지 임피던스를 측정하기 위한 대상 접지극 장치(301), 직경 1m이상, 높이 75cm이상의 원통형으로 내부에는 다양한 대지저항률을 가지는 토양을 치환하여 가면서 수납하여, 다양한 대지저항률의 토양에 대해 방전시험을 가능하게 하는 원통형 토양 매설 장치(305), 귀환 전류를 유입시킴과 동시에 안정된 기준 전위점을 형성하기 위해 1Ω 이하의 접지 임피던스(접지 저항)를 가지는 실험용 기준 접지극 장치(302), 고전압 및 대전류 임펄스 발생기(100)의 기준 전위점을 확보함과 동시에 등전위 평면을 이루는 등전위 동판 또는 등전위 메시 장치(11), 실험용 기준 접지극 장치(302)와 등전위 동판 또는 등전위 메시 장치(11)를 접속하는 2조 이상의 접지도선 및 본딩 장치(12), 고전압 및 대전류 임펄스 발생기(100)에서 접지극으로 인가되는 전류를 측정하기 위한 비접촉식 전류 측정기인 로고스키 타입의 주파수 대역이 100Hz~10MHz인 CT(304), 등전위 동판 또는 등전위 메시 장치와 접지극 장치 사이의 전위 상승을 측정하는 유입 절연식 다단 정밀 탄소분압기(400)로 구성된다.
<과도 접지 임피던스 측정 시스템>
이제 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 과도 접지 임피던스 측정 시스템의 구성을 도 4를 참조하여 설명한다.
상기 과도 접지 임피던스 측정 시스템은 접지극 장치(301)에 발생하는 전위상승 V와 인가전류 I를 측정하여 과도 접지 임피던스를 분석한다. 그 측정 원리는 전위강하법에 근거를 두고 2전극법을 사용하며 기준전위를 실험용 주 접지극 장치(302)와 일치시켜 측정의 안정성을 향상시키며 측정자의 고전압 감전 위험을 제거한다. 여기서, 실험용 주 접지극 장치(302)는 1Ω 이하이며 시험 대상 접지극 장치(301)의 접지 임피던스(접지 저항)와의 비를 100:1 이상으로 유지할 때 정확도 99%가 된다.
상기 측정된 V와 I의 값은 고전압 대전류 측정부와 PC 기반으로 구성된 저전압 및 약전류 시스템 사이의 전위차에 의한 손상을 방지하고 측정값의 정확도를 향상시키기 위해 차동모드를 지원하는 절연분리기(312)를 통해 100MS/s 및 12bit 이상의 성능을 가지는 A/D 변환기(220)로 입력된다.
상기 A/D 변환기(220)는 상기 절연분리기(312)로부터의 신호를 디지털 신호로 변환하여 디지털 대역통과필터로 구성되는 필터부(313)로 제공한다. 상기 필터부(313)는 상기 디지털 신호를 대역통과필터링을 이행하여 동기 비교기(314)로 입력한다. 상기 동기 비교기(314)는 전압/전류 시간 동기, 2차 전류 피크 시간측정 기능을 가지며 방전 발생 시간 동기 여부를 분석하여 임펄스 임피던스 분석부(315)로 제공한다. 상기 임펄스 임피던스 분석부(315)는 임펄스 임피던스를 연산하고 V-I 곡선을 출력하여 과도 접지 임피던스를 측정한다. 여기서, 상기 고전압 또는 대전류 임펄스의 측정시에 접지극에서 발생하는 접지 전위 상승 Vg는 매우 높은 전압을 가지는 임펄스 파형이므로 800kV이상의 측정전압 성능을 가지며 1MΩ이상의 저항값을 가지는 유입식 다단 정밀 탄소 분압기(400)를 사용한다.
<유입식 다단 정밀 탄소 분압기>
본 발명에 따르는 유입식 다단 정밀 탄소 분압기(400)의 구성을 도 5를 참조하여 설명한다.
상기 유입식 다단 정밀 탄소 분압기(400)의 고전압부 VH는 테프론 또는 이와 동등하거나 그 이상의 절연 내력과 기계적 강도를 가지는 하우징(410)내에 측정 전압에 따라 최대 8단의 탄소 저항체(430)를 직렬 접속되어 구성된다.
상기 탄소 저항체(430) 및 접속 단자간에는 코로나 방전 방지를 위해 절연유(420)가 봉입된다.
상기 유입식 다단 정밀 탄소 분압기(400)의 저전압 측정부 VL은 1kΩ이상의 정밀 탄소 저항이 원형으로 병렬 접속된 구조(440)로 되어 있으며 분압비 구성과 안정적인 동작을 위해 4개 이상으로 구성된다.
상기 유입식 다단 정밀 탄소 분압기(400)에 구비되는 각각의 정밀 탄소 저항은 원판의 순동 또는 이와 동등 또는 그 이상의 도전성을 가지는 금속 원판에 견고하게 납땜되어 고정되며 상부와 하부가 대칭을 이루는 구조를 갖는다.
<과도 접지 임피던스 분석을 위한 알고리즘>
이제 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 과도 접지 임피던스 분석을 위한 알고리즘을 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
절연 분리기(510) 및 A/D 변환기(520)를 통과한 전압/전류 파형은 각각 100MS/s 이상의 샘플링 레이트에 따라 12 bit 이상의 디지털 신호로 변환되어 밴드 패스 필터인 필터부(530)로 제공된다.
상기 필터부(530)는 상용 주파 노이즈 및 고조파 성분을 제거하기 위한 것으로 저역측 차단주파수가 500Hz로 설정됨과 아울러 고역측 차단주파수는 500kHz~10MHz에서 설정된다.
상기 필터부(530)에 의해 필터링된 신호는 임펄스 임피던스 파형 누적부(560)와 지중방전 및 이온화 판별 및 편향시작 전압 이온화 개시 전압 결정부(540)로 제공된다.
상기 임펄스 임피던스 파형 누적부(560)의 피크/시간 검출부(561,562)는 피크 및 피크에서 피크까지의 시간을 검출하여, 파형 연산기(563)로 제공된다. 상기 파형 연산기(563)는 상기 피크/시간 검출부(561,562)로부터의 출력을 연산한 후에 임펄스 임피던스 파형 누적부(564)로 제공되며, 상기 임펄스 임피던스 파형 누적부(564)는 상기 파형 연산기(563)의 출력값을 누적하여 출력한다.
또한 상기 필터부(530)에 의하여 필터링된 신호는 2차 피크 도달시간 검출부(542) 및 피크 이후 전압 급강시간 검출부(541)로 제공되며, 2차 피크 도달시간 검출부(542) 및 피크 이후 전압 급강시간 검출부(541)는 상기 필터부(530)를 통과한 전압 및 전류 신호에 대해 방전시 발생하는 전류의 2차 피크 도달시간 및 피크 이후 전압 급감시간을 검출하여 일치 여부 체크부(543) 및 반복 누적부(546)로 제공한다.
상기 일치 여부 체크부(543)는 상기 2차 피크 도달시간과 피크 이후 전압 급감시간의 일치 여부를 판별(543)하여 단순 이온화와 지중 방전을 판단하여 미도시된 디스플레이 장치를 통해 안내한다.
또한 상기 반복 누적부(546)는 상기 2차 피크 도달시간과 피크 이후 전압 급감시간을 반복누적하여 V-I 곡선을 생성하여 V-I 곡선 출력부(547)로 출력함과 아울러 편향 시작 전압 이온화 개시 전압 설정부(548)로 제공하여 V-I 곡선을 토대로 동일 시간대에서 전압과 전류의 상호 변화 추이를 관찰하여 x축 +방향으로 편향되는 정도를 검출하여 편향이 시작되는 전압을 이온화 개시 전압으로 선정하도록 한다.
이러한 일련의 과정을 통해 접지극의 과도 접지 임피던스 측정이 가능하게 되며 임펄스 크기로 분석하는 임펄스 임피던스 분석, 이온화와 지중 방전 단계별 분석, V-I 곡선을 통한 이온화 또는 지중방전 정도 분석, 이온화 개시전압 분석이 가능하게 된다.
301 : 대상 접지극 장치
302 : 실험용 기준 접지극 장치
305 : 원통형 토양 매설 장치
100 : 고전압 및 대전류 임펄스 발생기
11 : 등전위 동판 또는 등전위 메시 장치
12 : 접지 도선 및 본딩 장치
304 : CT
400 : 유입 절연식 다단 정밀 탄소 분압기

Claims (3)

  1. 접지 매설 시험장 장치에 있어서,
    과도 접지 임피던스를 측정하기 위한 대상 접지극;
    원통형으로 내부에는 다양한 대지 저항률을 가지는 토양을 치환 수납하여, 다양한 대지저항률의 토양에 대해 방전시험을 가능하게 하는 원통형 토양 매설 장치;
    귀환 전류를 유입시킴과 동시에 안정된 기준 전위점을 형성하기 위해 미리 정해둔 크기의 접지 임피던스를 가지는 실험용 기준 접지극 장치;
    고전압 및 대전류 임펄스 발생기의 기준 전위점을 확보함과 동시에 등전위 평면을 이루는 등전위 동판 또는 등전위 메시 장치;
    실험용 기준 접지극 장치와 등전위 동판 또는 등전위 메시 장치를 접속하는 다수의 접지도선 및 본딩 장치;
    고전압 및 대전류 임펄스 발생기에서 상기 실험용 기준 접지극 장치로 인가되는 전류를 측정하기 위한 비접촉식 전류 측정기;
    등전위 동판 또는 등전위 메시 장치와 접지극 사이의 전위상승을 측정하는 유입 절연식 다단 정밀 탄소분압기;
    상기 유입 절연식 다단 정밀 탄소 분압기를 통해 측정된 전압 및 전류를 토대로 과도 접지 임피던스를 검출하는 과도 접지 임피던스 분석 장치;
    를 구비함을 특징으로 하는 접지 매설 시험장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유입 절연식 다단 정밀 탄소 분압기는,
    고전압 측정부와 저전압 측정부로 구성되며,
    상기 고전압 측정부는, 다수의 탄소 저항체를 직렬 접속되고, 상기 다수의 탄소 저항체 및 접속 단자간에는 코로나 방전 방지를 위해 절연유가 봉입되며,
    상기 저전압 측정부는, 다수의 탄소 저항체가 원형으로 병렬 접속됨을 특징으로 하는 접지 매설 시험장 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 과도 접지 임피던스 분석 장치는,
    상기 유입 절연식 다단 정밀 탄소 분압기로부터 출력되는 전압/전류 신호를 AD 변환하여 전압/전류 데이터로 출력하는 AD 변환기;
    상기 AD 변환기의 출력을 밴드패스필터링하는 필터부;
    상기 필터부로부터 출력되는 신호로부터 피크에서 피크까지의 시간을 검출하여 파형을 연산하고 누적하는 임펄스 임피던스 파형 누적부;
    상기 필터부로부터 출력되는 신호로부터 방전시 발생하는 전류의 2차 피크 도달시간 및 피크 이후 전압 급감시간을 검출하고, 그 2차 피크 도달시간과 피크 이후 전압 급감시간의 일치 여부를 판별하여 단순 이온화와 지중 방전을 판단하고,
    상기 2차 피크 도달시간과 피크 이후 전압 급감시간을 반복누적하여 전압-전류 곡선을 생성하고, 상기 전압-전류 곡선을 토대로 전압과 전류의 상호 변화 추이를 관찰하여 편향되는 정도를 검출하여 편향이 시작되는 전압을 이온화 개시 전압으로 선정하는 지중방전 및 이온화 판별 및 편향시작 전압 이온화 개시 전압 결정부;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 접지 매설 시험장 장치.
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