KR101114999B1 - 2층 분포정수회로를 기반으로 한 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치 및 방법 - Google Patents

2층 분포정수회로를 기반으로 한 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치 및 방법 Download PDF

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이강수
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Abstract

동축구조를 가지고 탄소 함유 충전재로 내부가 채워지는 접지전극모듈에 대하여, 주파수의 변동에 따라 접지 임피던스의 변동이 가장 적게 나타나는 접지전극모듈의 길이(이하 최적 길이)를 구하는 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 2개의 분포정수회로를 2층으로 구성하여 접지전극회로를 구성하는 회로구성부; 대지의 저항률 및 비유전율, 충전재의 저항률 및 비유전율, 접지전극모듈의 내부 및 외부 직경을 모의 변수로 입력받는 변수입력부; 주파수 변동범위 내에서 다수의 주파수를 선정하는 주파수선정부; 선정된 각 주파수에 대하여, 모의변수에 의하여 접지전극회로를 모의하여, 접지전극의 길이에 대응되는 접지 임피던스를 계산하는 시뮬레이션부; 및, 각 주파수의 접지 임피던스 사이의 차이가 최소가 되는 접지전극의 길이를 구하는 접지길이 추정부를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 방법 및 장치에 의하여, 주파수의 변동에도 접지 임피던스의 변동이 적은 접지전극모듈을 구현함으로써, 뇌격 전류 등 고주파 사고전류에 대하여 안정적인 성능을 가지는 접지시스템 개발을 할 수 있다.

Description

2층 분포정수회로를 기반으로 한 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치 및 방법 { A device for assessing the length of carbon ground electrode module based on a two-level distributed parameter circuit model and the method thereof }
본 발명은 동축구조를 가지고 탄소 함유 충전재로 내부가 채워지는 접지전극모듈에 대하여, 주파수의 변동에 따라 접지 임피던스의 변동이 가장 적게 나타나는 접지전극모듈의 길이를 구하는 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치 및 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 2개의 분포정수회로를 2층으로 구성하여, 상층 분포정수회로는 충전재의 특성을 반영하고 하층 분포정수회로는 대지의 특성을 반영하는 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치 및 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 2층 분포정수회로로 일정한 주파수 범위 내의 각 주파수 별로 접지전극의 길이에 대응되는 접지 임피던스를 시뮬레이션하여, 각 주파수의 접지 임피던스 차이가 최소가 되는 접지전극의 길이를 구하는 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 우리나라의 산업이 국제화에 부응하여 국내 뿐 아니라 국제시장을 선점하고 경쟁력을 갖추기 위해 국제규격을 우리나라의 규격으로 받아들이는 일들이 빠르게 진행되고 있다. 국내의 접지 관련 규정 또한 IEC 60364, IEC 62305 등과 같은 접지관련 국제 규격을 변경 없이 받아들여 국내의 건축전기설비 분야 및 피뢰설비 분야의 산업규격으로 변경하였으며, 내선규정 및 각종 접지관련 기준을 포함하고 있는 기준들을 개정하였다.
이렇게 개정된 법령의 주요 골자 중 특히 접지는 환경오염을 유발시키는 시공방법이나 화학첨가물은 사용하지 못하도록 하고 있고, 전력, 통신, 피뢰 등 모든 접지를 하나의 접지극으로 사용하는 등전위 공통접지를 적용하도록 하고 있다.
이러한 접지 시스템은 일반건축물이나 주택, 공동주택 등 고주파의 노이즈가 거의 발생하지 않는 환경에서는 매우 유효한 접지시스템이라 할 수 있다. 그러나 UPS 설비 등 고속의 반도체 스위칭 소자가 사용되는 건물이나 정보통신 빌딩, 그리고 낙뢰발생 빈도가 아주 높은 환경을 가지는 지역 등에서는 사고전류가 고주파 형태로 발생되기 때문에 공통접지를 하더라도 높은 주파수에 의한 접지임피던스의 상승이 수배~수십배에 달하므로 같은 사고전류(낙뢰 포함)라 하더라도 매우 높은 전위상승이 발생되기 때문에 전자장비 및 설비에 매우 치명적인 악영향을 미칠 수 있다.
하지만 기존의 접지관련 규격뿐 아니라 변경된 규격에서도 건축물의 용도와는 상관없이 주로 접지저항을 기준으로 접지설계 및 점검을 하고 있으며 접촉전압과 보폭전압 등 안전전압에 대한 계산시에도 상용주파의 사고전류에 대해서만 고려하고 있다. 접지시스템을 설계하고 시공하기 위해서는 상용주파 사고전류 뿐만 아니라 낙뢰 전류 및 고주파 설비에서 발생할 수 있는 고주파 전압 노이즈 등도 고려해야 한다. 낙뢰 전류 및 고주파 설비에서 발생하는 사고전류는 주파수가 높기 때문에 접지임피던스를 고려하여 설계, 시공하여야 한다.
현재 국내의 접지 설계 및 시공사들은 대부분 접지저항만을 고려하여 접지전극의 규모를 매우 크게 시공하고 있으며 길이가 긴 매설지선이나 대지를 천공하여 길이가 긴 수직접지전극 등을 시설하고 있다. 이렇게 규모가 큰 접지전극들은 대부분 고주파수에서 접지임피던스가 급격하게 증가하는 특성을 보이며 이는 고주파 고장전류에 대하여 기기 및 인체의 안전을 보장할 수 없는 조건을 형성하게 된다.
따라서 고주파수를 포함하는 고장전류가 접지전극에 인가되었을 때 저주파수에서 나타내었던 접지저항을 유지할 수 있는 접지전극의 설계기법이 요구되며, 기존의 접지전극 및 탄소접지극 외 타 접지전극을 대체하여 보다 접지임피던스의 변화가 없는 접지전극의 개발이 요구된다.
접지극에 흐르는 전류가 상용 주파수 영역의 전류인 경우, 접지전극 전체가 접지극으로서의 기능을 한다. 그러나 뇌격전류와 같이 높은 주파수 성분을 포함하는 접지전류의 경우 접지전극 도체의 일부만이 접지전극으로 작용하게 된다. 즉, 접지전극의 일부만이 접지전극으로써의 기능을 한다는 것은 다른 관점에서 보면, 접지임피던스가 급격히 증가하기 때문이며, 정상상태에서의 접지저항으로는 그 특성을 해석하기가 기술적으로 불가능하다.
따라서 접지시스템의 보호동작을 효과적으로 수행하기 위해서는 고주파수에서 보다 효과접인 접지전극의 개발과 접지임피던스를 고려한 접지전극의 배치 및 유효길이를 고려한 설계와 시공이 필요하게 된다. 또한 접지전극의 종류에 따라 고주파 특성이 각각 달라지며, 상용 주파수 영역에서 동일한 접지저항을 가지는 접지전극일지라도 과도응답특성은 전혀 다른 양상을 나타내기도 한다.
현재 배전계통의 접지시스템은 대부분 가공지선과 기타 완금 및 저압선로의 중성성이 다중접지형태로 접속되어 있다. 그러므로 한 지점에서 입사한 뇌과전압은 효과적으로 보호동작이 이루어지지 않을 경우 급격히 다른 지점으로 전파되어 가게 되어 배전계통의 접지시스템 전체로 보았을 때에는 직격뢰 및 유도뢰에 의한 사고빈도가 매우 높은 편이다. 배전계통의 접지시스템은 접지저항으로 성능평가가 이루어지며, 접지저항을 기준으로 설계되고 있는 실정이므로 뇌격전류의 침입시에는 설계값보다 높은 접지전위상승이 발생하는 경우가 많다.
따라서 접지시스템의 성능을 접지임피던스 차원으로 확장하여 평가하는 방법이 필요하며, 접지임피던스의 주파수 의존성을 고려한 설계가 이루어져야 보다 효과적인 보호가 이루어질 수 있다.
한편, 전기설비기술기준에서 접지시스템의 성능을 단순히 접지저항 수치로 규정함에 따라 접지저항이 규정값 이하로 되는가 하는 부분만을 중요시 하였다. 하지만 최근 접지시스템의 중요성이 여러 전기분야에서 부각되고 있으며, 정상상태의 접지저항뿐만 아니라 과도상태를 포함한 접지임피던스 차원의 고려가 필요하다.
접지임피던스 차원의 고려는 송전선로보다 사용되는 기기나 설비의 절연내력이 현격히 낮은 배전계통에서의 뇌보호에서 매우 중요하다. 뇌격전류의 빠른 상승시간을 가지며 빠른 속도로 전파되기 때문에 저압배전계통에 접속되는 수용가에까지 심각한 피해를 주기도 한다. 따라서 배전계통의 접지시스템에서 접지임피던스 차원의 성능평가기법과 설계기법의 개발, 배전계통에서 사용되는 접지전극과 인하도선의 종류와 시설방법에 따른 실험적 연구는 더 이상 간과할 수 없는 중요한 분야로 남아 있다.
현재 접지설비의 중요성과 접지시스템에 대한 관심이 증가 하면서 국내외로 관련 산업의 규모가 점차 증가하고 있다. 과거에는 접지동봉과 동판을 사용하여 접지하는 방식이 일반적이었으나 현재는 다양한 방법의 접지전극이 개발/시공되고 있다. 국내의 접지시스템 관련 기술은 일반 접지동봉을 제외하고 산악이나 암반 등 열악한 환경에서 접지하는 외국제품인 전해질 생성 접지봉 기술과 화학 접지저항저감제 및 국내 개발의 침상 접지전극, 탄소접지봉으로 나뉘어 있다.
해외에서 주로 사용하는 접지극으로는 접지동봉과 스텐 봉 및 전해질 생성 접지모듈이 주를 이루고 있다. 이 중 접지동봉과 전해질 생성 접지동봉의 경우 부식이나 토양 오염에 문제가 있어 스텐봉과 탄소봉으로 대체되고 있는 추세이다.
현재 국내에서는 기존의 전력, 통신, 피뢰 등 종별 접지저항만을 고려한 설계가 주를 이루고 있으며 최근 관련 규정의 국제화로 접지시스템 설계의 과도기적 시기로 일부에서는 4, 5년 전부터 접지설계 프로그램을 이용하여 공통접지를 적용한 접지시스템을 설계하고 있는 추세이다.
접지시스템을 설계하는데 있어 사고전류의 주파수 특성에 따른 접지임피던스를 고려한 접지설계는 이루어지고 있지 않는 실정이다. 실제로 설계 엔지니어링 회사에서는 일부 업체를 제외하고는 거의 모든 접지설계를 기존의 종별접지로 설계하고 있으며 또는 피뢰접지 전문회사에 용역을 주어 접지시스템을 설계하고 있는 실정이며 이에 따라 주파수 특성에 따른 접지임피던스를 고려한 설계는 미흡한 상태이다.
외국의 접지설계 기술은 접지저항 보다는 주로 안전전압(보폭 및 접촉 전압)을 고려한 설계가 주를 이루고 있으며 선진국에서는 거의 모든 설비 및 건축물을 안전전압을 고려한 접지시스템을 구성하고 있는 추세이다. 이러한 추세임에도 불구하고 주파수 특성에 따른 접지임피던스를 고려한 접지시스템 설계는 거의 이루어지지 않고 있다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 동축구조를 가지고 탄소 함유 충전재로 내부가 채워지는 접지전극모듈에 대하여, 주파수의 변동에 따라 접지 임피던스의 변동이 가장 적게 나타나는 접지전극모듈의 길이를 구하는 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 분포정수회로 모델을 이용하여 시뮬레이션하되, 고주파일 때 임피던스가 변화되는 대지 및 충전재의 특성을 반영할 수 있는 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 동축구조를 가지고 탄소 함유 충전재로 내부가 채워지는 접지전극모듈에 대하여, 주파수의 변동에 따라 접지 임피던스의 변동이 가장 적게 나타나는 접지전극모듈의 길이(이하 최적 길이)를 구하는 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치에 관한 것으로서, 2개의 분포정수회로를 2층으로 구성하여 접지전극회로를 구성하는 회로구성부; 대지의 저항률 및 비유전율, 충전재의 저항률 및 비유전율, 접지전극모듈의 내부 및 외부 직경을 모의 변수로 입력받는 변수입력부; 주파수 변동범위 내에서 다수의 주파수를 선정하는 주파수선정부; 선정된 각 주파수에 대하여, 상기 모의변수에 의하여 상기 접지전극회로를 모의하여, 접지전극의 길이에 대응되는 접지 임피던스를 계산하는 시뮬레이션부; 및, 상기 각 주파수의 접지 임피던스 사이의 차이가 최소가 되는 접지전극의 길이를 구하는 접지길이 추정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치에 있어서, 상기 접지전극회로는 대지의 저항률 및 비유전율을 사용한 하층 분포정수회로와, 충전재의 저항률 및 비유전율을 사용한 상층 분포정수회로로 구성된 2층 분포정수회로인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치에 있어서, 상기 2층 분포정수회로의 단위 회로는 π형 단위회로를 2층으로 구성하되, 상기 π형 단위회로는 컨덕턴스(G)와 커패시턴스(C)의 병렬회로를 양쪽으로 구성하고 양쪽의 병렬회로를 인덕턴스(L) 회로로 연결하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치에 있어서, 상기 상층 분포정수회로의 제1 컨덕턴스(G1), 제1 커패시턴스(C1), 및 제1 인덕턴스(L1)와, 상기 하층 분포정수회로의 제2 컨덕턴스(G2), 제2 커패시턴스(C2), 및 제2 인덕턴스(L2)는 수직매설 시 [수식 1]에 의해 구하는 것을 특징으로 한다.
[수식 1]
Figure 112010065387598-pat00001
,
Figure 112010065387598-pat00002
,
Figure 112010065387598-pat00003
,
Figure 112010065387598-pat00004
,
Figure 112010065387598-pat00005
,
Figure 112010065387598-pat00006
.
단, l, d1, d2는 각각 접지전극모듈의 길이, 내부 직경, 외부 직경,
ρ1, ε1은 각각 충전재의 저항률 및 비유전율,
ρ2, ε2는 각각 대지의 저항률 및 비유전율,
ε0, μ0 는 각각 진공의 유전율과 투자율.
또, 본 발명은 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치에 있어서, 상기 상층 분포정수회로의 제1 컨덕턴스(G1), 제1 커패시턴스(C1), 및 제1 인덕턴스(L1)와, 상기 하층 분포정수회로의 제2 컨덕턴스(G2), 제2 커패시턴스(C2), 및 제2 인덕턴스(L2)는 수평매설 시 [수식 2]에 의해 구하는 것을 특징으로 한다.
[수식 2]
Figure 112010065387598-pat00007
,
Figure 112010065387598-pat00008
,
Figure 112010065387598-pat00009
,
Figure 112010065387598-pat00010
,
Figure 112010065387598-pat00011
,
Figure 112010065387598-pat00012
.
단, l, r1, r2는 각각 접지전극모듈의 길이, 내부 반경, 외부 반경,
ρ1, ε1은 각각 충전재의 저항률 및 비유전율,
ρ2, ε2는 각각 대지의 저항률 및 비유전율,
ε0, μ0 는 각각 진공의 유전율과 투자율,
s 는 매설깊이.
또, 본 발명은 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치에 있어서, 상기 시뮬레이션부는 EMTP 프로그램을 이용하여 모의하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치에 있어서, 접지길이 추정부는 접지전극모듈의 길이를 단위 길이 간격으로 나누고, 각 접지전극모듈의 길이에 해당하는 각 주파수의 접지 임피던스의 최대값과 최소값의 차이(이하 길이별 임피던스 변동범위)를 구하고, 상기 길이별 임피던스 변동범위가 가장 작은 접지전극모듈의 길이를 접지전극모듈의 최적 길이로 정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 동축구조를 가지고 탄소 함유 충전재로 내부가 채워지는 접지전극모듈에 대하여, 주파수의 변동에 따라 접지 임피던스의 변동이 가장 적게 나타나는 접지전극모듈의 길이(이하 최적 길이)를 구하는 탄소접지전극모듈의 길이 산정 방법에 관한 것으로서, (a) 2개의 분포정수회로를 2층으로 구성하여 접지전극회로를 구성하는 단계; (b) 대지의 저항률 및 비유전율, 충전재의 저항률 및 비유전율, 접지전극모듈의 내부 및 외부 직경을 모의 변수로 입력받는 단계; (c) 주파수 변동범위 내에서 다수의 주파수를 선정하는 단계; (d) 선정된 각 주파수에 대하여, 상기 모의변수에 의하여 상기 접지전극회로를 모의하여, 접지전극의 길이에 대응되는 접지 임피던스를 계산하는 단계; 및, (e) 상기 각 주파수의 접지 임피던스 사이의 차이가 최소가 되는 접지전극의 길이를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치 및 방법에 의하면, 주파수의 변동에도 접지 임피던스의 변동이 적은 접지전극모듈을 구현함으로써, 뇌격 전류 등 고주파 사고전류에 대하여 안정적인 성능을 가지는 접지시스템 개발을 할 수 있는 효과가 얻어진다.
특히, 본 발명에 따른 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치 및 방법에 의하면, 고주파일 때 임피던스가 변화되는 대지 및 충전재의 특성을 반영하여 시뮬레이션함으로써, 다양한 대지환경조건 또는 주파수 환경조건에 적합한 접지시스템의 설계를 할 수 있는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명을 실시하기 위한 전체 시스템 구성의 일례를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소접지전극모듈의 길이산정 장치의 구성에 대한 블록도이다.
도 3은 접지전극에 유입된 전류의 분산특성 및 분포정수회로모델의 등가회로도를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소접지전극모듈의 이층구조 분포정수회로 모델을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 2층 분포정수회로 모델의 단위 분포정수회로의 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소의 함유량에 따른 충전재의 저항률 및 비유전율을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 10 m 탄소접지전극모듈의 수평매설 시 주파수에 따른 접지임피던스에 대한 모의 결과를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소접지전극모듈의 접지임피던스를 모의한 결과를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소접지전극모듈의 접지임피던스에 대한 주파수 의존성의 모의결과와 실제 측정결과를 비교한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 주파수에 따른 최소 접지임피던스 변동을 지니는 동축구조 탄소접지전극모듈의 최적설계길이를 예시한 표이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 접지도선에 흐르는 전류에 의한 자계 세기를 구하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 접지도선의 인덕턴스 측정결과와 모의결과를 비교한 표이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따라 접지도선(인하도선)의 영향 유무 경우의 주파수-임피던스 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소접지전극모듈의 길이산정 방법을 설명하는 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 저장장치 20 : 컴퓨터 단말
30 : 전극모듈 길이산정 장치 31 : 회로구성부
32 : 변수입력부 33 : 주파수선정부
34 : 시뮬레이션부 35 : 접지길이 추정부
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명을 실시하기 위한 전체 시스템의 구성의 예들에 대하여 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소접지전극모듈의 길이산정 장치 및 방법은 저장장치(10)에 저장된 모의변수를 입력받아 처리하는 컴퓨터 단말(20) 상의 장치 또는 프로그램 시스템(30)으로 실시될 수 있다.
즉, 전극모듈의 길이산정 장치 및 방법은 프로그램으로 구성되어 컴퓨터 단말(20)에 설치되어 실행될 수 있다. 컴퓨터 단말(20)에 설치된 프로그램은 하나의 장치 또는 시스템(30)과 같이 동작할 수 있다.
또한, 컴퓨터 단말(20)은 PC, 노트북, PDA, 스마트폰 등 컴퓨팅 기능을 가진 단말장치이다. 한편, 다른 실시예로서, 전극모듈의 길이산정 장치 및 방법은 프로그램으로 구성되어 범용 컴퓨터에서 동작하는 것 외에 ASIC(주문형 반도체) 등 하나의 전자회로로 구성되어 실시될 수 있다. 그 외 가능한 다른 형태도 실시될 수 있다.
저장장치(10)는 모의변수를 저장하는 데이터 저장소로서, 네트워크 상의 데이터베이스(또는 DB서버), 컴퓨터 단말(20)의 하드 디스크 등 저장공간, 이동저장매체 등을 포함한다. 또한, 다른 실시예로서, 모의변수를 분석자가 직접 컴퓨터 단말(20)의 입력장치를 통해 입력할 수도 있다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 탄소접지전극모듈의 길이산정 장치(30)의 구성을 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2에서 보는 바와 같이, 전극모듈의 길이산정 장치(30)는 회로구성부(31), 변수입력부(32), 주파수선정부(33), 시뮬레이션부(34), 및 접지길이 추정부(35)로 구성된다.
회로구성부(31)는 2개의 분포정수회로를 2층으로 구성하여 접지전극회로를 구성한다. 접지전극회로는 대지의 저항률 및 비유전율을 사용한 하층 분포정수회로와, 충전재의 저항률 및 비유전율을 사용한 상층 분포정수회로로 구성된 2층 분포정수회로이다.
고주파성분을 포함하는 뇌격전류와 전자기장해(EMI)를 유발하는 고주파 이상전류가 접지전극에 인가되는 경우 접지전극의 인덕턴스와 토양의 커패시턴스에 의한 임피던스 특성이 나타나며, 이러한 접지전극의 고주파 전류에 대한 임피던스특성은 분포정수회로모델을 이용한 해석이 가능하다. 서지나 고장전류가 접지전극으로 유입될 때, 도 3a와 같이 매설된 접지전극을 따라 분산된 누설전류의 형태로 대지로 방류된다. 이러한 전류의 분산특성은 전송선로 이론(Transmission line theory)을 통하여 이론적으로 구현이 가능하며, 이를 구현한 모의해석기법이 본 발명에서 이용한 분포정수회로모델이다.
분포정수회로모델은 도 3b와 같이 접지전극을 이루는 금속도체인 동의 저항(R)과 인덕턴스(L), 그리고 접지전극이 매설된 토양의 컨덕턴스(G)와 커패시턴스(C)를 분포회로정수로 표현하며, 분포회로정수와 전송선로의 전파방정식을 이용하여 접지전극의 접지임피던스를 산출한다.
접지전극을 이루는 동의 저항률 10-8 Ω?m에 비해서 토양의 저항률은 1～106 Ω?m로 108 ～1014 배의 차이가 나기 때문에 접지시스템을 설계할 때 접지전극 자체의 저항(R)은 무시할 수 있으므로, 접지전극을 이상적인 도체로 가정하여 인덕턴스 성분만으로 나타낸다.
본 발명에서 수행한 동축구조형 탄소접지전극모듈의 모의는 직선형 접지전극의 분포정수회로모델의 모의 기법에 탄소접지전극모듈의 특성을 추가한다.
탄소접지전극모듈 경우 직선형 접지전극의 일종으로 접지임피던스에 대한 모의가 가능하나 탄소접지전극모듈 내부의 탄소 특성이 주파수에 따른 접지임피던스에 영향을 미치므로, 그 특성을 반영하기 위하여 도 4a와 같이 분포정수회로의 이층구조로 시뮬레이션 모델을 사용한다.
도 4a는 동축구조 탄소접지전극모듈의 시뮬레이션을 위한 이층구조의 분포정수회로 모델을 나타낸다. 탄소접지전극모듈의 시뮬레이션 모델은 탄소의 특성을 반영하기 위한 상층의 분포정수회로와 토양의 영향을 반영하기 위한 하층의 분포정수회로로 이루어져 있다.
하층의 분포정수회로는 기존의 분포정수회로와 동일한 방법으로 분포회로정수를 산정할 수 있으나, 상층의 분포정수회로는 충전재의 탄소 특성을 반영하기 위하여 주파수와 탄소함유량에 따라 변화하는 저항률과 비유전율을 고려한다.
탄소함유량에 따라 충전재의 저항률과 비유전율의 차이가 나타난다. 특히 주파수가 변화함에 따라 비유전율의 차이가 크게 나타난다. 충전재의 탄소함유량과 주파수의존성을 반영함으로써 기존의 분포정수회로 모델보다 접지전극 자체의 구조적인 특성을 명확히 반영할 수 있는 2층구조 분포정수회로 모델을 제시한다.
도 4b와 도 4c는 기존의 접지전극을 대상으로 하는 분포정수회로 모델을 개선한 2층 구조의 분포정수회로 모델을 나타낸다. 도 4b의 2층구조 분포정수회로 모델의 경우 인가점에서 충전재의 특성이 고려되지 않고 단락되어 있는 효과가 나타나기 때문에, 도 4c와 같이 π형 모델로 분포정수회로 모델을 선정하여 충전재의 특성이 인가점에서도 반영이 되도록 분포정수회로 모델을 개선하였다.
2층구조 분포정수회로는 크게 충전재의 특성을 반영하기 위한 상층의 분포정수회로와 토양(또는 대지)의 영향을 반영하기 위한 하층의 분포정수회로로 이루어져 있기 때문에, 각각의 분포정수회로를 산정하여야 모의가 가능하다. 도 5와 같이 2층구조 분포정수회로 모델의 분포회로정수를 먼저 계산하고, π형 2층 분포정수회로 모델에 맞도록 분포회로정수를 수정하여 동축구조 탄소접지전극모듈의 분포회로정수를 산정할 수 있다.
도 5에서 보는 바와 같이, π형 2층 분포정수회로의 π형 단위 회로는 2층으로 구성한다. 상층의 π형 단위 회로는 컨덕턴스(G)와 커패시턴스(C)의 병렬회로를 양쪽으로 구성하고, 양쪽의 병렬회로를 인덕턴스(L) 회로로 연결한다. 즉, 제1 상층 컨덕턴스(G11)와 제1 상층 커패시턴스(C11)의 병렬회로(이하 제1 상층 병렬회로)와, 제2 상층 컨덕턴스(G12)와 제2 상층 커패시턴스(C12)의 병렬회로(이하 제2 상층 병렬회로)를 양쪽으로 구성한다. 그리고 상층 인덕턴스(L)의 양단을 각각 제1 상층 병렬회로의 일단과 제2 상층 병렬회로의 일단과 연결한다.
상층의 π형 단위 회로와 동일한 방식으로, 하층의 π형 단위 회로는 컨덕턴스(G)와 커패시턴스(C)의 병렬회로를 양쪽으로 구성하고, 양쪽의 병렬회로를 인덕턴스(L) 회로로 연결한다. 즉, 제1 하층 컨덕턴스(G21)와 제1 하층 커패시턴스(C21)의 병렬회로(이하 제1 하층 병렬회로)와, 제2 하층 컨덕턴스(G22)와 제2 하층 커패시턴스(C22)의 병렬회로(이하 제2 하층 병렬회로)를 양쪽으로 구성한다. 그리고 하층 인덕턴스(L)의 양단을 각각 제1 하층 병렬회로의 일단과 제2 하층 병렬회로의 일단과 연결한다.
상층의 π형 단위 회로와, 하층의 π형 단위 회로는 각각의 병렬회로를 연결시킨다. 즉, 제1 상층 병렬회로의 일단을 제1 하층 병렬회로의 일단과 연결시킨다. 이때, 제1 상층 병렬회로에서 상층 인덕턴스(L)의 일단과 연결되지 않는 일단과, 제1 하층 병렬회로에서 하층 인덕턴스(L)의 일단과 연결되는 일단과 연결한다.
동일한 방식으로, 제2 상층 병렬회로에서 상층 인덕턴스(L)의 일단과 연결되지 않는 일단과, 제2 하층 병렬회로에서 하층 인덕턴스(L)의 일단과 연결되는 일단과 연결한다.
먼저, 하층의 분포정수회로 모델에 대하여 설명한다.
하층의 분포회로정수 G2, C2, L2 는 기존의 직선형 접지전극과 동일하게 외부전극에 의한 접지저항(R0)으로 산정할 수 있다. 접지저항(R0)은 접지전극 주변의 토양의 대지저항률에 의해 결정되며, 동축구조 탄소접지전극모듈의 수직매설 시에는 [수학식 3]의 수직접지전극의 접지저항식으로 접지저항을 산정하고, 수평매설 시에는 [수학식 7]의 매설지선의 접지저항식을 이용한다. 분포정수회로모델에서 토양에 의한 단위길이 당 컨덕턴스는 접지저항과 관련된 회로정수이며, 접지저항의 역수를 접지전극의 길이로 나누어 산정한다.
전송선로 이론에 의하면 임의의 형태의 송전선로에 대하여 분포회로정수 G, C, L은 [수학식 1]과 [수학식 2]와 같은 상관관계를 갖는다.
[수학식 1]
Figure 112010065387598-pat00013
[수학식 2]
Figure 112010065387598-pat00014
단, ε2 는 토양의 비유전율, ε0, μ0 은 진공의 유전율과 투자율이다.
접지저항의 역수를 접지전극의 길이로 나누어 산정한 G를 이러한 G, C, L의 상관관계를 통하여 C와 L을 산정할 수 있다.
동축구조 탄소접지전극모듈의 수직매설 시 사용되는 수직접지전극에 대한 접지저항식은 [수학식 3]과 같으며, 동축구조 탄소접지전극모듈의 분포회로정수는 수학식 4 ~ 6 과 같이 계산된다.
[수학식 3]
Figure 112010065387598-pat00015
[수학식 4]
Figure 112010065387598-pat00016
[수학식 5]
Figure 112010065387598-pat00017
[수학식 6]
Figure 112010065387598-pat00018

여기서, l은 동축구조 탄소접지전극모듈의 길이
d2 는 동축구조 탄소접지전극모듈의 외부도체의 직경
ρ2 는 대지의 저항률
ε2 는 대지의 비유전율
ε0, μ0 은 각각 진공의 유전율과 투자율
동축구조형 탄소접지전극모듈의 수평매설 시 사용되는 매설지선에 대한 접지저항식은 [수학식 7]과 같으며, 동축구조형 탄소접지전극모듈의 단위 분포정수회로는 수학식 8 ~ 10과 같이 계산된다.
[수학식 7]
Figure 112010065387598-pat00019
[수학식 8]
Figure 112010065387598-pat00020
[수학식 9]
Figure 112010065387598-pat00021
[수학식 10]
Figure 112010065387598-pat00022

여기서, l은 동축구조 탄소접지전극모듈의 길이
r2는 동축구조 탄소접지전극모듈의 외부도체의 반경
s는 매설깊이
대지의 비유전율은 그 측정이 매우 어렵고 수분의함유량 및 포함된 수분의 저항률 등에 따라 그 값이 다양하게 변하기 때문에 여러 문헌상에 나타난 단일 비유전율을 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 건조한 토양의 비유전율은 약 2～3 정도이고 물의 비유전율이 대략 80 정도인 것을 고려하여, 10～80의 범위의 비유전율에 대하여 모의 해석하였다.
다음으로, 상층의 분포정수회로 모델에 대하여 설명한다.
상층의 분포회로정수는 충전재를 모의하는 파라미터이며 이러한 파라미터는 토양(또는 대지)과 다르기 때문에 탄소의 함유량에 따른 충전재의 저항률과 비유전율을 시뮬레이션에 반영하였다. 도 6은 1 kHz에서 1 MHz까지 측정한 탄소함유량에 따른 충전재의 저항률과 비유전율을 나타낸다. 충전재의 저항률은 탄소함유량에 따라 감소한 반면 비유전율은 탄소의 함유량에 따라 증가하였고 주파수가 증가함에 따라 두 파라미터 모두 감소하는 특성을 나타내기 때문에 그러한 결과를 참조하여 접지임피던스의 모의 시 해당되는 주파수에 맞춰 충전재의 저항률과 비유전율을 상층의 분포회로정수 G1, C1 의 산정에 적용하였다.
동축구조 탄소접지전극모듈의 수직매설 시 사용되는 상층부의 분포회로정수는 수학식 11 ~ 13과 같이 계산된다.
[수학식 11]
Figure 112010065387598-pat00023
[수학식 12]
Figure 112010065387598-pat00024
[수학식 13]
Figure 112010065387598-pat00025
여기서, l은 동축구조 탄소접지전극모듈의 길이
d1 은 동축구조 탄소접지전극모듈의 내부 도체의 직경
ρ1 는 동축구조 탄소접지전극모듈의 내부 충전재의 비저항
ε1 은 동축구조 탄소접지전극모듈의 내부 충전재의 비유전율
ε0, μ0 는 각각 진공의 유전율과 투자율
동축구조 탄소접지전극모듈의 수평매설 시 사용되는 상층부의 분포회로정수는 수학식 14 ~ 16과 같이 계산된다.
[수학식 14]
Figure 112010065387598-pat00026
[수학식 15]
Figure 112010065387598-pat00027
[수학식 16]
Figure 112010065387598-pat00028

여기서, l은 동축구조 탄소접지전극모듈의 길이
r1 은 동축구조 탄소접지전극모듈의 내부도체의 반경
s는 매설깊이
다음으로, 변수입력부(32)는 대지의 저항률 및 비유전율, 충전재의 저항률 및 비유전율, 접지전극모듈의 내부 및 외부 직경을 모의 변수로 입력받는다. 즉, 앞서 설명한, 모의 변수인 접지전극모듈의 내부 직경 d1, 외부 직경 d2, 충전재의 저항률 ρ1 및 비유전율 ε1, 대지의 저항률 ρ2 및 비유전율 ε2 를 입력받는다.
또한, 주파수선정부(33)는 주파수 변동범위 내에서 다수의 주파수를 선정한다.
앞서의 예에서, 주파수 변동범위는 100 Hz에서 1 MHz이다. 이 주파수 변동범위를 대표할 수 있는 다수의 주파수를 선정한다. 예를 들어, 100 Hz, 1 kHz, 10 kHz, 50 kHz, 100 kHz, 500 kHz, 1 MHz로 선정한다.
이들 주파수 값은 미리 선정하여 저장될 수 있다. 또는, 주파수 변동범위가 주어지면 일정한 간격으로 다수의 주파수를 선정할 수 있다. 이때, 일정한 간격은 각 주파수에 로그를 취하여 로그 결과값이 일정한 간격으로 하게 하는 것이 바람직하다. 또는, 다른 실시예로서, 일정한 배율로 증가시켜 다수의 주파수를 선정한다.
또한, 바람직하게는, 주파수의 변동범위의 최소 주파수 및 최대 주파수를 포함시켜 다수의 주파수를 선정한다.
다음으로, 시뮬레이션부(34)는 선정된 각 주파수에 대하여, 상기 모의변수에 의하여 상기 접지전극회로를 모의하여, 접지전극의 길이에 대응되는 접지 임피던스를 계산한다. 바람직하게는, 시뮬레이션부(34)는 EMTP 프로그램을 이용하여 모의한다.
즉, 동축구조 탄소접지전극모듈의 모델에 상,하층의 분포회로정수를 산정하여 대입한 후 EMTP 프로그램을 이용하여 모의하면 각각의 주파수에 따른 접지임피던스 모의가 가능하다.
도 7은 10 m 탄소접지전극모듈에 대하여 대지저항률 300 Ω?m에서 100 Hz ～ 1 MHz 주파수 범위의 접지 임피던스를 모의한 예를 나타낸다. 약 50 kHz 이하의 주파수에서는 비유전율의 크기에 상관없이 탄소접지전극모듈의 접지저항에 수렴하는 접지임피던스를 나타내었고, 약 100 kHz 이상의 주파수에서는 접지임피던스가 접지저항보다 커지는 유도성 특성을 보이거나 접지저항보다 작아지는 용량성 특성을 나타내었다. 대지저항률 300 Ω?m, 비유전율 20에서 주파수의 변화에 따라 접지임피던스가 거의 변화하지 않는 10 m 탄소접지전극모듈의 특성이 모의되었다. 이 결과를 통해 본 발명에서 목표로 하는 주파수 변화에 따른 접지임피던스의 변동이 최소화되는 접지설계에서 가장 중요한 핵심 요소인 최적의 접지전극 길이의 산정이 가능하다.
다음으로, 접지길이 추정부(35)는 각 주파수의 접지 임피던스 사이의 차이가 최소가 되는 접지전극의 길이를 구한다. 특히, 접지길이 추정부(35)는 접지전극모듈의 길이를 단위 길이 간격으로 나누고, 각 접지전극모듈의 길이에 해당하는 각 주파수의 접지 임피던스의 최대값과 최소값의 차이(이하 길이별 임피던스 변동범위)를 구하고, 상기 길이별 임피던스 변동범위가 가장 작은 접지전극모듈의 길이를 접지전극모듈의 최적 길이로 정한다.
2층 구조 분포정수회로 모델을 이용하여 입력된 모의 변수에 따라 시뮬레이션을 설명한다.
앞서 본 일례로서, 100 Hz ～ 1 MHz의 주파수 범위에서 동축구조 탄소접지전극모듈의 길이가 증가함에 따른 특정 주파수에서의 접지임피던스를 모의한다. 도 8은 대지저항률이 비교적 높은 280 Ω?m, 비유전율 20의 토양과 대지저항률이 비교적 낮은 23 Ω?m, 비유전율 20의 조건에서 탄소접지전극모듈의 접지임피던스를 모의한 결과를 나타낸다.
동축구조 탄소접지전극모듈의 길이가 짧고 대지저항률이 높은 경우 용량성 접지임피던스가 나타나 주파수가 높을 때 접지임피던스가 접지저항보다 낮게 나타났으며, 탄소접지전극모듈의 길이가 길어질 때에는 접지전극 내부의 인덕턴스 영향이 커져 접지저항보다 큰 유도성 접지임피던스가 나타났다.
따라서 탄소접지전극모듈의 길이가 길어짐에 따라 용량성 접지임피던스에서 유도성 임피던스로 변화되는 과정에서 주파수에 따른 접지임피던스의 변동이 가장 작게 나타나는 길이를 산출할 수 있다.
즉, 도 8a의 높은 대지저항률에서는 9.6 m, 도 8b의 낮은 대지저항률에서는 2 m의 길이에서 접지임피던스의 변동이 가장 적으며, 그 길이를 탄소접지전극모듈의 주파수에 따른 접지임피던스 변동을 최소화 할 수 있는 최적설계 길이로 정한다.
최적 길이를 구하는 구체적 방법은 다음과 같다. 접지전극모듈의 길이를 단위 길이 간격으로 나누고, 각 접지전극모듈의 길이에 해당하는 각 주파수의 접지 임피던스를 구한다. 이 임피던스 값은 시뮬레이션부(34)에 의해 모의한 결과값이다. 그리고 구한 각 임피던스의 최대값과 최소값의 차이(이하 길이별 임피던스 변동범위)를 구한다.
상기와 같이, 단위 길이 간격으로 나눈 각 길이에 대하여, 길이별 임피던스 변동범위를 구한다. 그리고 길이별 임피던스 변동범위가 가장 작은 길이를 접지전극모듈의 최적 길이로 정한다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 효과를 도 9 및 도 10을 참조하여 설명한다.
도 8에서 구한 탄소접지전극모듈의 최적설계 길이조건에 대해 주파수 변동성을 확인하기 위하여 동일한 대지저항률을 가진 토양에서 탄소접지전극모듈의 접지임피던스에 대한 주파수 의존성을 도 9와 같이 모의하고 측정결과와 비교하였다.
고주파수 영역에서 접지임피던스의 모의결과와 측정결과의 약간의 오차가 있으나 이러한 점은 정확한 토양의 비유전율의 결과가 반영되지 못해서 오는 오차라 판단되며 주파수 변화에 따른 접지임피던스의 경향성이 측정결과와 매우 유사하며 접지임피던스 변동이 적다는 것을 알 수 있다.
따라서 본 발명의 일실시예에 의해 수행한 탄소접지전극모듈의 접지임피던스 모의를 통해 접지임피던스 변동이 적은 탄소접지전극모듈의 최적설계 조건을 산정할 수 있으며 측정결과와 비교하여 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 확보하였다.
일반적인 토양의 대지저항률은 10～1000 Ωm이고 토양의 비유전율이 10～80으로 알려져 있기 때문에, 각 토양의 특성에 따라 탄소접지전극모듈의 접지임피던스 변동성이 가장 적은 길이인 임계길이를 산출하여야 접지시스템 시공 시 탄소접지전극모듈의 길이를 결정할 수 있도록 한다.
도 10은 주파수에 따른 최소 접지임피던스 변동을 지니는 동축구조 탄소접지전극모듈의 최적설계길이를 토양의 비유전율과 대지저항률에 따라 각각 분포정수회로 모델로 모의를 하였으며, 그 산출 결과를 최적의 탄소접지전극모듈 길이 산정을 위한 기준으로 제시한다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따라 접지도선(또는 인하도선)의 인덕턴스의 영향을 고려하는 시률레이션을 도 11 내지 도 13을 참조하여 설명한다.
모의해석결과와의 비교를 위한 실측결과를 얻기 위하여 접지임피던스를 측정할 때, 접지임피던스는 인가전류와 접지전극의 전위의 측정에 의해 산출된다. 이 때, 검출된 전위에는 접지전극의 전위뿐만이 아니라 인출용 접지도선의 전압강하가 포함되며, 접지전극에 접속된 접지도선의 인덕턴스가 1 μ이면, 접지임피던스는 주파수 1 MHz에서 인출용 접지도선에 의해 6.28 Ω 증가하게 되고, 10 MHz에서는 62.8 Ω 증가하게 된다. 따라서 고주파수에서 인출용 접지도선의 인덕턴스의 영향을 무시할 수 없으므로, 아래에 제시된 방법으로 접지도선의 인덕턴스를 계산하여, 접지임피던스 모의해석에 적용한다.
도 11과 같은 유한길이의 접지도선에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자계의 세기는 Biot-Savart 법칙을 적용하는 [수학식 17]로 계산되며, 유한길이의 도선에 쇄교하는 총 전류자속쇄교수는 [수학식 18]로 산출된다. 이 계산된 도선에 쇄교하는 총 전류자속쇄교수를 기초로 하여 식 [수학식 19]와 같이 접지도선의 직경(2r0)과 길이(l)에 따른 인덕턴스가 산출된다.
[수학식 17]
Figure 112010065387598-pat00029
[수학식 18]
Figure 112010065387598-pat00030
[수학식 19]
Figure 112010065387598-pat00031
단, μ0 는 진공의 투자율이고, l과 r0 은 각각 접지도선의 길이와 반지름이다.
실험용 접지전극의 한쪽 끝에 연결하여 인출한 접지도선은 단면적 25 mm2의 GV전선으로, 이 GV전선의 인덕턴스에 대한 모의결과와 측정결과는 도 12와 같다.
LCR미터를 이용하여 측정하였으며, 측정 장비의 여건 상 310 mm 이상의 길이의 직선 형태의 도선에 대하여 측정이 불가능하고 도선의 형태에 따라 인덕턴스가 변하므로 측정이 가능한 범위 내의 3가지 길이에 대한 직선형 도선의 인덕턴스 모의결과와 측정결과를 비교하여 제시한다.
도 12에 제시된 자료와 같이 모의결과가 측정결과와 거의 동일한 값을 나타냄을 확인할 수 있다. 실제 시설된 동축구조 탄소접지전극모듈에 연결된 접지도선은 길이가 1.2 m이므로 이에 대한 인덕턴스의 계산결과는 1.38 μH이며, 이 계산결과를 EMTP의 분포정수회로 앞단에 직렬로 추가하여 모의해석 시 접지도선의 인덕턴스에 의한 영향을 반영한다.
도 13은 접지도선의 인덕턴스에 의한 영향을 검증하기 위하여 접지도선이 포함된 경우와 포함되지 않는 경우의 동축구조 탄소접지전극모듈의 접지임피던스를 시뮬레이션 하여 측정값과 비교한 결과를 나타낸다.
도 13a에서 2 m 탄소접지전극모듈에 대하여 모의한 결과 200 kHz 이상의 주파수에서도 인덕턴스 영향이 거의 나타나지 않고 접지임피던스가 거의 일정한 결과를 나타내고 있다. 하지만 동일한 조건에서 실제 측정한 결과는 200 kHz 이상의 주파수에서 인덕턴스 영향이 크게 작용한 유도성 접지임피던스를 나타내었다.
동축구조 탄소접지전극모듈에 고주파수에서 접지도선의 인덕턴스 영향이 나타날 것이라 판단하여 접지도선의 영향을 고려한 접지임피던스의 시뮬레이션 결과를 도 13b에 나타내었다. 접지도선의 영향을 무시한 결과와 비교하여 모의와 측정 결과와 측정결과가 거의 유사하게 나타났다. 따라서 고주파수에서는 접지도선의 영향이 크게 나타나고 접지임피던스에 무시할 수 없을 정도의 영향을 끼치지 때문에 접지임피던스의 모의 시 접지도선의 영향을 반드시 고려해야 한다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 탄소접지전극모듈의 길이 산정 방법을 도 14를 참조하여 설명한다.
도 14에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 탄소접지전극모듈의 길이 산정 방법은, (a) 2개의 분포정수회로를 2층으로 구성하여 접지전극회로를 구성하는 단계(S10); (b) 대지의 저항률 및 비유전율, 충전재의 저항률 및 비유전율, 접지전극모듈의 내부 및 외부 직경을 모의 변수로 입력받는 단계(S20); (c) 주파수 변동범위 내에서 다수의 주파수를 선정하는 단계(S30); (d) 선정된 각 주파수에 대하여, 상기 모의변수에 의하여 상기 접지전극회로를 모의하여, 접지전극의 길이에 대응되는 접지 임피던스를 계산하는 단계(S40); 및, (e) 상기 각 주파수의 접지 임피던스 사이의 차이가 최소가 되는 접지전극의 길이를 구하는 단계(S50)로 구분된다.
상기 탄소접지전극모듈의 길이 산정 방법의 설명 중 생략된 부분은 상기 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치의 설명을 참조한다.
본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 동축구조를 가지고 탄소 함유 충전재로 내부가 채워지는 접지전극모듈에 대하여, 주파수의 변동에 따라 접지 임피던스의 변동이 가장 적게 나타나는 접지전극모듈의 길이를 구하는 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치를 개발하는 데 적용이 가능하다.

Claims (11)

  1. 동축구조를 가지고 탄소 함유 충전재로 내부가 채워지는 접지전극모듈에 대하여, 주파수의 변동에 따라 접지 임피던스의 변동이 가장 적게 나타나는 접지전극모듈의 길이(이하 최적 길이)를 구하는 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치에 있어서,
    2개의 분포정수회로를 2층으로 구성하여 접지전극회로를 구성하는 회로구성부;
    대지의 저항률 및 비유전율, 충전재의 저항률 및 비유전율, 접지전극모듈의 내부 및 외부 직경을 모의 변수로 입력받는 변수입력부;
    주파수 변동범위 내에서 다수의 주파수를 선정하는 주파수선정부;
    선정된 각 주파수에 대하여, 상기 모의변수에 의하여 상기 접지전극회로를 모의하여, 접지전극의 길이에 대응되는 접지 임피던스를 계산하는 시뮬레이션부; 및,
    상기 각 주파수의 접지 임피던스 사이의 차이가 최소가 되는 접지전극의 길이를 구하는 접지길이 추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접지전극회로는 대지의 저항률 및 비유전율을 사용한 하층 분포정수회로와, 충전재의 저항률 및 비유전율을 사용한 상층 분포정수회로로 구성된 2층 분포정수회로인 것을 특징으로 하는 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 2층 분포정수회로의 단위 회로는 π형 단위회로를 2층으로 구성하되, 상기 π형 단위회로는 컨덕턴스(G)와 커패시턴스(C)의 병렬회로를 양쪽으로 구성하고 양쪽의 병렬회로를 인덕턴스(L) 회로로 연결하는 것을 특징으로 하는 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상층 분포정수회로의 제1 컨덕턴스(G1), 제1 커패시턴스(C1), 및 제1 인덕턴스(L1)와, 상기 하층 분포정수회로의 제2 컨덕턴스(G2), 제2 커패시턴스(C2), 및 제2 인덕턴스(L2)는 수직매설 시 [수식 1]에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치.
    [수식 1]
    Figure 112010065387598-pat00032

    단, l, d1, d2는 각각 접지전극모듈의 길이, 내부 직경, 외부 직경,
    ρ1, ε1은 각각 충전재의 저항률 및 비유전율,
    ρ2, ε2는 각각 대지의 저항률 및 비유전율,
    ε0, μ0 는 각각 진공의 유전율과 투자율.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 상층 분포정수회로의 제1 컨덕턴스(G1), 제1 커패시턴스(C1), 및 제1 인덕턴스(L1)와, 상기 하층 분포정수회로의 제2 컨덕턴스(G2), 제2 커패시턴스(C2), 및 제2 인덕턴스(L2)는 수평매설 시 [수식 2]에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치.
    [수식 2]
    Figure 112010065387598-pat00033

    단, l, r1, r2는 각각 접지전극모듈의 길이, 내부 반경, 외부 반경,
    ρ1, ε1은 각각 충전재의 저항률 및 비유전율,
    ρ2, ε2는 각각 대지의 저항률 및 비유전율,
    ε0, μ0 는 각각 진공의 유전율과 투자율,
    s 는 매설깊이.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 시뮬레이션부는 EMTP 프로그램을 이용하여 모의하는 것을 특징으로 하는 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    접지길이 추정부는 접지전극모듈의 길이를 단위 길이 간격으로 나누고, 각 접지전극모듈의 길이에 해당하는 각 주파수의 접지 임피던스의 최대값과 최소값의 차이(이하 길이별 임피던스 변동범위)를 구하고, 상기 길이별 임피던스 변동범위가 가장 작은 접지전극모듈의 길이를 접지전극모듈의 최적 길이로 정하는 것을 특징으로 하는 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 접지전극회로는 접지도선(인하도선)의 인덕턴스 회로를 상기 분포정수회로의 앞단에 직렬로 추가하는 것을 특징으로 하는 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 접지도선의 인덕턴스 회로의 인덕턴스 L은 [수식 3]에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 탄소접지전극모듈의 길이 산정 장치.
    [수식 3]
    Figure 112010065387598-pat00034

    단, μ0 는 진공의 투자율이고, l과 r0 은 각각 접지도선의 길이와 반지름.
  10. 동축구조를 가지고 탄소 함유 충전재로 내부가 채워지는 접지전극모듈에 대하여, 주파수의 변동에 따라 접지 임피던스의 변동이 가장 적게 나타나는 접지전극모듈의 길이(이하 최적 길이)를 구하는 탄소접지전극모듈의 길이 산정 방법에 있어서,
    (a) 2개의 분포정수회로를 2층으로 구성하여 접지전극회로를 구성하는 단계;
    (b) 대지의 저항률 및 비유전율, 충전재의 저항률 및 비유전율, 접지전극모듈의 내부 및 외부 직경을 모의 변수로 입력받는 단계;
    (c) 주파수 변동범위 내에서 다수의 주파수를 선정하는 단계;
    (d) 선정된 각 주파수에 대하여, 상기 모의변수에 의하여 상기 접지전극회로를 모의하여, 접지전극의 길이에 대응되는 접지 임피던스를 계산하는 단계; 및,
    (e) 상기 각 주파수의 접지 임피던스 사이의 차이가 최소가 되는 접지전극의 길이를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소접지전극모듈의 길이 산정 방법.
  11. 제10항의 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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