KR101997434B1 - 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배전선로에 있어서 선로 인근 구조물이 배전선로보다 높은 경우에 직격뢰 차폐를 고려하여 섬락 고장 건수 및 인근 구조물에 의한 유도뢰 섬락 고장 건수를 통한 낙뢰 해석 및 내뢰 성능을 평가할 수 있도록 하는 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치 및 그 방법을 제공한다.
이를 위해 본 발명은 배전선로의 구성물에 대한 세부 정보를 제공받아 배전선로 섬락 발생 모의를 위한 모델링을 수행하고, 배전선로 부근에서 관측된 낙뢰 정보와, 구조물 지리 정보를 제공받아 차폐계수 및 뇌격의 흡인 거리를 산출하는 정보 수신 및 처리부, 상기 배전선로 모델링 정보와, 차폐계수 및 뇌격의 흡인 거리 정보를 근거로 하여, 낙뢰의 뇌격 크기 및 위치와, 뇌격의 종류를 판정하는 해석 유형 판별부, 상기 판정된 낙뢰의 뇌격 크기 및 위치와, 뇌격 종류 판정 결과를 근거로 하여, 난수 발생에 의한 반복 시뮬레이션을 수행하여 낙뢰의 확률 분포에 따른 뇌격 전류 크기 및 뇌격 위치, 섬락 발생 여부를 판정하는 낙뢰 해석부, 상기 낙뢰 해석부로부터의 뇌격 전류 크기 및 뇌격 위치, 섬락 발생 여부를 판정 결과를 반영하여, 미리 설정된 뇌격 발생의 통계 자료를 적용한 내뢰 설계의 기준값을 설정하는 내뢰 성능 평가부 및, 상기 내뢰 성능 평가부로부터 설정된 내뢰 설계의 기준값을 확인 가능하게 출력하는 결과 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이를 위해 본 발명은 배전선로의 구성물에 대한 세부 정보를 제공받아 배전선로 섬락 발생 모의를 위한 모델링을 수행하고, 배전선로 부근에서 관측된 낙뢰 정보와, 구조물 지리 정보를 제공받아 차폐계수 및 뇌격의 흡인 거리를 산출하는 정보 수신 및 처리부, 상기 배전선로 모델링 정보와, 차폐계수 및 뇌격의 흡인 거리 정보를 근거로 하여, 낙뢰의 뇌격 크기 및 위치와, 뇌격의 종류를 판정하는 해석 유형 판별부, 상기 판정된 낙뢰의 뇌격 크기 및 위치와, 뇌격 종류 판정 결과를 근거로 하여, 난수 발생에 의한 반복 시뮬레이션을 수행하여 낙뢰의 확률 분포에 따른 뇌격 전류 크기 및 뇌격 위치, 섬락 발생 여부를 판정하는 낙뢰 해석부, 상기 낙뢰 해석부로부터의 뇌격 전류 크기 및 뇌격 위치, 섬락 발생 여부를 판정 결과를 반영하여, 미리 설정된 뇌격 발생의 통계 자료를 적용한 내뢰 설계의 기준값을 설정하는 내뢰 성능 평가부 및, 상기 내뢰 성능 평가부로부터 설정된 내뢰 설계의 기준값을 확인 가능하게 출력하는 결과 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배전선로 인근의 지리 정보를 이용하여 선로 인근 구조물이나 차폐물에 의한 직격뢰 차폐를 고려한 섬락 고장 건수 평가와, 구조물에 의한 유도뢰 섬락 고장 건수를 통한 낙뢰 해석 및 내뢰 성능 평가를 수행할 수 있도록 하는 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 배전선로의 낙뢰에 의한 고장발생 건수는 내뢰설계의 성능을 보여주는 대표적인 판단 근거이며, 이는 직격뢰와 유도뢰에 의한 고장의 합계를 연간 단위 선로긍장당 회수(Flash-over/100km/year)로 표현하게 된다.
통상, 뇌서지 보호대책 수립을 위해서 대지나, 나무 또는 건축물 등과 같은 선로 인근 구조물, 전력설비가 낙뢰에 의해 발생하는 과전압의 크기에 따른 섬락 여부를 검토하여 임계 섬락 전압 이하로 유지가 가능하도록 피뢰기, 가공지선 설치 및 접지 저항값 등의 내뢰설계를 수행한다.
또한, 뇌뢰 과전압에 의한 섬락 고장의 유형은 낙뢰 위치에 따라 구별하게 되는데, 전력설비에 직접적으로 뇌격하는 경우를 직격뢰에 의한 섬락고장으로 분류하며, 그 외 대지 및 선로 인근의 구조물에 뇌격하여 선로의 상도체(즉, 전력선)에 유도 과전압을 발생시켜 이 전압이 섬락을 일으키는 경우를 유도뢰 섬락고장으로 구분한다.
한편, 직격뢰에 의한 배전선로의 섬락고장 건수를 산출하기 위해서는, 고려해야할 여러 가지 파라메터 중에서 콘크리트 전주의 서지임피던스 및 선로인근 구조물에 의한 직격뢰 차폐계수를 도출하는 방법이 매우 복잡하며, 작업자에 따라 고려하는 조건이 다르므로 그 결과 또한 신뢰도를 확보하기에는 한계가 있다.
또한, 배전선로는 송전선로나 발/변전소의 설비에 비해 절연강도가 낮기 때문에 유도뢰에 의한 섬락고장도 검토되어야 한다. 대지에 낙뢰시 전력선에 유도되는 과전압 예측에 대한 방법은 기 공지된 기술이 있으나, 선로 인근의 구조물에 낙뢰시 그 해석방법은 통상의 공지된 기술로는 실제 배전선로에서 적용하기에 제한이 있다.
왜냐하면, 대지에 낙뢰시 과전압을 예측하는 방법을 이용하여 건물에 뇌격시 건물 내부의 접지선 및 철골 구조물을 통해 대지로 유입되는 뇌서지 전류의 특성을 해석하여 건물의 접지시스템 설계를 위한 목적으로 배전선로의 내뢰설계 성능을 평가하기 불가능하기 때문이다.
통상, 뇌서지 보호대책 수립을 위해서 대지나, 나무 또는 건축물 등과 같은 선로 인근 구조물, 전력설비가 낙뢰에 의해 발생하는 과전압의 크기에 따른 섬락 여부를 검토하여 임계 섬락 전압 이하로 유지가 가능하도록 피뢰기, 가공지선 설치 및 접지 저항값 등의 내뢰설계를 수행한다.
또한, 뇌뢰 과전압에 의한 섬락 고장의 유형은 낙뢰 위치에 따라 구별하게 되는데, 전력설비에 직접적으로 뇌격하는 경우를 직격뢰에 의한 섬락고장으로 분류하며, 그 외 대지 및 선로 인근의 구조물에 뇌격하여 선로의 상도체(즉, 전력선)에 유도 과전압을 발생시켜 이 전압이 섬락을 일으키는 경우를 유도뢰 섬락고장으로 구분한다.
한편, 직격뢰에 의한 배전선로의 섬락고장 건수를 산출하기 위해서는, 고려해야할 여러 가지 파라메터 중에서 콘크리트 전주의 서지임피던스 및 선로인근 구조물에 의한 직격뢰 차폐계수를 도출하는 방법이 매우 복잡하며, 작업자에 따라 고려하는 조건이 다르므로 그 결과 또한 신뢰도를 확보하기에는 한계가 있다.
또한, 배전선로는 송전선로나 발/변전소의 설비에 비해 절연강도가 낮기 때문에 유도뢰에 의한 섬락고장도 검토되어야 한다. 대지에 낙뢰시 전력선에 유도되는 과전압 예측에 대한 방법은 기 공지된 기술이 있으나, 선로 인근의 구조물에 낙뢰시 그 해석방법은 통상의 공지된 기술로는 실제 배전선로에서 적용하기에 제한이 있다.
왜냐하면, 대지에 낙뢰시 과전압을 예측하는 방법을 이용하여 건물에 뇌격시 건물 내부의 접지선 및 철골 구조물을 통해 대지로 유입되는 뇌서지 전류의 특성을 해석하여 건물의 접지시스템 설계를 위한 목적으로 배전선로의 내뢰설계 성능을 평가하기 불가능하기 때문이다.
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도 1은 종래의 일반적인 송전선로의 섬락고장 판별 장치에 대한 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 송전선로의 섬락고장 판별장치(30)는, 보호 계전기(10)와 접속된 고장정보 수신부(32)와, 낙뢰 관측 시스템(20)과 접속된 낙뢰 정보 수신부(34), 상기 고장정보 수신부(32)의 고장 정보와 상기 낙뢰정보 수신부(34)의 낙뢰 정보를 각각 입력받아 고장 위치를 판별하는 고장 위치 판별부(36), 상기 고장 위치 판별부(36)에서 제공되는 고장 위치의 낙뢰 전류를 통해 역섬락 고장을 판별하는 섬락 유형 판별부(38), 상기 섬락 유형 판별부(38)를 통해 판별된 섬락 고장 판별 결과를 출력하는 결과 출력부(40)를 포함한다.
도 1에 따르면, 상기 고장 정보 수신부(32)에서 고장 정보가 수신되고, 낙뢰정보 수신부(34)에서 낙뢰 관측 시스템(20)으로부터 낙뢰 정보가 수신되면, 상기 고장 위치 판별부(36)는 상기 고장 정보와, 낙뢰 정보를 통해서 낙뢰에 의한 고장 위치를 판별하게 된다.
상기 섬락 유형 판별부(38)는 상기 고장 위치 판별부(36)로부터 제공된 고장위치의 낙뢰 전류를 임계 섬락값과 비교하여 역섬락 고장여부를 판정하게 되는데, 상기 낙뢰 전류가 임계 섬락값보다 작은 경우에는 해당 낙뢰 전류가 차폐 실패시의 최소 임계값과 최대 임계값사이에 포함되지 않게 되면, 섬락 고장이 발생되지 않은 정도인 것으로 판단하게 된다.
이러한 구성을 갖춘 종래의 송전선로의 섬락고장 판별장치는 송전선로의 섬락에 의한 고장 여부만을 판별할 수 있을 뿐이고, 이를 응용하여 배전선로에 대한 고장 여부를 판단하는 것이 극히 어렵게 된다.
관련 기술로는 국내공개특허 제2005-0080713호(송전 철탑의 역섬락 방지 방법)(2005.08.17)가 있다.
즉, 종래에는 배전 선로의 낙뢰에 의한 섬락고장 건수를 종합적으로 고려하여 예측할 수 있는 기술이 개발되어 있지 않으며, 종래의 송전선로 고장 판별 장치 등을 응용하여 예측 기법을 개발한다고 하더라도, 배전선로가 가지고 있는 제약조건이 많아 실제 운전중인 배전선로에 적합한 고장 판별 기능을 발휘하기가 어렵다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위해 이루어진 것으로서, 배전선로에 있어서 선로 인근 구조물이 배전선로보다 높은 경우에 직격뢰 차폐를 고려하여 섬락 고장 건수 및 인근 구조물에 의한 유도뢰 섬락 고장 건수를 통한 낙뢰 해석 및 내뢰 성능을 평가할 수 있도록 하는 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일측면에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치는, 배전선로의 구성물에 대한 세부 정보를 제공받아 배전선로 섬락 발생 모의를 위한 모델링을 수행하고, 상기 배전선로 부근에서 관측된 낙뢰 정보와, 상기 배전선로 부근의 구조물 지리 정보를 제공받아 뇌격 건수 결정에 반영되는 차폐계수 및 뇌격의 흡인 거리를 산출하는 정보 수신 및 처리부, 상기 정보 수신 및 처리부로부터의 모델링 정보와, 차폐계수 및 뇌격의 흡인 거리를 근거로 하여, 낙뢰의 뇌격 크기와 위치 및 뇌격의 종류 중 적어도 하나에 대한 낙뢰 정보를 판정하는 해석 유형 판별부, 상기 해석 유형 판별부에 의해 판정된 낙뢰 정보를 근거로 하여, 난수 발생에 의한 반복적인 시뮬레이션을 수행하여 낙뢰의 확률 분포에 따른 뇌격 전류 크기 및 뇌격 위치, 섬락 발생 여부 중 적어도 하나를 판정하는 낙뢰 해석부, 상기 낙뢰 해석부에 의해 판정된 판정 결과를 반영하여, 미리 설정된 뇌격 발생의 통계 자료를 적용한 내뢰 설계의 기준값을 설정하는 내뢰 성능 평가부 및, 상기 내뢰 성능 평가부에 의해 설정된 내뢰 설계의 기준값을 출력하는 결과 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 정보 수신 및 처리부는, 상기 내뢰성능 평가대상 배전선로의 각 구성물에 대한 세부적인 구조 정보를 수신하고, 배전선로에 섬락이 발생되는 경우를 모의하기 위한 전산 모델링을 수행하여 건물의 전자기적 모델을 산출하는 배전선로 모델링부와, 상기 배전선로 모델링부를 통해 모델링된 건물의 전자기적 모델을 참조하여, 상기 낙뢰의 누적 확률분포 함수와, 상기 구조물의 높이, 이격거리 정보를 통해 직격뢰의 뇌격 건수 결정에 반영되는 차폐계수를 산출하는 차폐계수 도출부 및, 상기 누적 확률분포 함수와, 상기 구조물의 높이, 이격거리 등의 정보를 이용하여 배전선로의 뇌격 반경, 대지로 뇌격되는 높이, 직격뢰의 범위가 되는 선로와의 수평거리를 산출하고, 상기 산출값을 통해 낙뢰의 흡인거리 예측 방식으로서 흡인거리 모델을 예측하여 결정하는 흡인거리 모델 결정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내뢰성능 평가 대상 배전선로의 구성물에 대한 세부 정보는 전주, 전력선, 가공지선, 접지저항 중에서 적어도 어느 하나 이상이고, 상기 배전선로 부근에서 관측된 낙뢰 정보는 누적 확률분포 함수(Cumulative Probability Distribution Function)와, 낙뢰밀도, 뇌우일수 중에서 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 차폐계수 도출부는 상기 구조물에 뇌격되는 뇌뢰의 흡인반경이 배전선로와의 수평거리를 완전히 포함하는 경우의 이격거리가 되는 비율로 차폐계수를 도출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 해석 유형 판별부는, 누적 확률(Cumulative Probability)을 고려하여 랜덤한 난수를 발생하는 난수 발생부와, 상기 난수 발생부에서 발생되는 랜덤 숫자를 누적 확률분포 함수에 반영하여 누적 확률에 해당되는 뇌격 전류의 크기를 결정하는 뇌격 크기 결정부, 상기 뇌격 크기 결정부에서 결정된 뇌격전류의 크기와, 구조물의 높이를 고려하여 선로주변 구조물에 뇌격되는 흡인 반경을 계산함에 의해, 해당 뇌격 크기에 해당하는 흡인 거리를 결정하는 흡인거리 결정부, 상기 흡인 거리 결정부에서 결정된 흡인 거리를 기초로, 미리 설정된 뇌격 거리 이내에서 뇌격 위치를 랜덤하게 예측하여 결정하는 뇌격위치 결정부 및, 상기 흡인거리 결정부로부터 결정된 흡인 거리와, 상기 뇌격위치 결정부에서 결정된 뇌격 위치를 각각 비교하여, 뇌뢰가 직격뢰(Direct Lighting)인지 유도뢰(Indirect Lighting) 인지를 구분하여 결정하는 뇌격 판정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 낙뢰 해석부는, 제2프로그램 모듈과의 반복 시뮬레이션에 따라 뇌격 전류의 크기와, 흡인 거리, 뇌격 위치의 결정과, 배전선로의 구성 상태, 뇌뢰에 의해 발생되는 과전압의 크기를 계산하는 제1프로그램 모듈과, 상기 제1프로그램 모듈과의 반복 시뮬레이션에 따라, 뇌격 크기의 확률 누적 분포를 산출하고, 상기 확률 누적 분포에 따른 섬락율을 계산하며, 상기 제1프로그램 모듈과의 시뮬레이션이 미리 설정된 횟수에 도달하도록 시뮬레이션의 개시 명령을 전달하는 제2프로그램 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 낙뢰 해석부에서 배전선로의 섬락발생 여부 판단 기준은, 배전선로에서 전력선과 대지간의 절연강도를 유지하는 라인포스트 애자의 BIL(Basic Impulse Insulation Level)과, 절연전선과 라인포스트 애자의 조합에 의해 결정되는 CFO(Critical Flash-Over Voltage)인 1.5*BIL 중에서 어느 하나를 적용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 결과 출력부는 상기 내뢰 성능 평가부로부터 설정된 내뢰 설계의 기준값을 화면 표시하거나, 종이에 프린트 하거나, 통신망을 통해 원격지에 원격 전송하는 것 중에서 어느 하나를 통해 출력하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에서는 상기 내뢰 성능 평가부로부터 설정된 내뢰 설계의 기준값을 입력받아 배전선로의 내뢰설계용 소프트웨어 프로그램과 연동하여, 피뢰기의 설치간격, 접지 저항값의 조정을 통해 평가 기준에 부합되는 내뢰설계 결과를 제시하는 배전선로 내뢰 설계 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 방법은, 정보 수신 및 처리부가 배전선로의 구성물에 대한 세부 정보를 제공받아 배전선로 섬락 발생 모의를 위한 모델링을 수행하고, 배전선로 부근에서 관측된 낙뢰 정보와, 내뢰성능 평가 대상 배전선로 부근의 구조물 지리 정보를 제공받아 뇌격 건수 결정에 반영되는 차폐계수 및 뇌격의 흡인 거리를 산출하는 단계, 해석 유형 판별부가 상기 정보 수신 및 처리부로부터의 모델링 정보와, 차폐계수 및 뇌격의 흡인 거리를 근거로 하여, 낙뢰의 뇌격 크기 및 위치와, 뇌격의 종류 중 어느 하나를 판정하는 단계, 낙뢰 해석부가 상기 해석 유형 판별부에 의해 판정된 낙뢰의 뇌격 크기 및 위치와, 뇌격의 종류를 근거로 하여, 난수 발생에 의한 반복적인 시뮬레이션을 수행하여 낙뢰의 확률 분포에 따른 뇌격 전류 크기 및 뇌격 위치, 섬락 발생 여부를 판정하는 단계, 내뢰 성능 평가부가 상기 낙뢰 해석부에 의해 판정된 뇌격 전류 크기 및 뇌격 위치, 섬락 발생 여부를 반영하여, 미리 설정된 뇌격 발생의 통계 자료를 적용한 내뢰 설계의 기준값을 설정하는 단계 및, 결과 출력부가 상기 내뢰 성능 평가부에 의해 설정된 내뢰 설계의 기준값을 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 정보 수신 및 처리부는, 상기 내뢰성능 평가대상 배전선로의 각 구성물에 대한 세부적인 구조 정보를 수신하고, 배전선로에 섬락이 발생되는 경우를 모의하기 위한 전산 모델링을 수행하여 건물의 전자기적 모델을 산출하는 배전선로 모델링부와, 상기 배전선로 모델링부를 통해 모델링된 건물의 전자기적 모델을 참조하여, 상기 낙뢰의 누적 확률분포 함수와, 상기 구조물의 높이, 이격거리 정보를 통해 직격뢰의 뇌격 건수 결정에 반영되는 차폐계수를 산출하는 차폐계수 도출부 및, 상기 누적 확률분포 함수와, 상기 구조물의 높이, 이격거리 등의 정보를 이용하여 배전선로의 뇌격 반경, 대지로 뇌격되는 높이, 직격뢰의 범위가 되는 선로와의 수평거리를 산출하고, 상기 산출값을 통해 낙뢰의 흡인거리 예측 방식으로서 흡인거리 모델을 예측하여 결정하는 흡인거리 모델 결정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내뢰성능 평가 대상 배전선로의 구성물에 대한 세부 정보는 전주, 전력선, 가공지선, 접지저항 중에서 적어도 어느 하나 이상이고, 상기 배전선로 부근에서 관측된 낙뢰 정보는 누적 확률분포 함수(Cumulative Probability Distribution Function)와, 낙뢰밀도, 뇌우일수 중에서 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 차폐계수 도출부는 상기 구조물에 뇌격되는 뇌뢰의 흡인반경이 배전선로와의 수평거리를 완전히 포함하는 경우의 이격거리가 되는 비율로 차폐계수를 도출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 해석 유형 판별부는, 누적 확률(Cumulative Probability)을 고려하여 랜덤한 난수를 발생하는 난수 발생부와, 상기 난수 발생부에서 발생되는 랜덤 숫자를 누적 확률분포 함수에 반영하여 누적 확률에 해당되는 뇌격 전류의 크기를 결정하는 뇌격 크기 결정부, 상기 뇌격 크기 결정부에서 결정된 뇌격전류의 크기와, 구조물의 높이를 고려하여 선로주변 구조물에 뇌격되는 흡인 반경을 계산함에 의해, 해당 뇌격 크기에 해당하는 흡인 거리를 결정하는 흡인거리 결정부, 상기 흡인 거리 결정부에서 결정된 흡인 거리를 기초로, 미리 설정된 뇌격 거리 이내에서 뇌격 위치를 랜덤하게 예측하여 결정하는 뇌격위치 결정부 및, 상기 흡인거리 결정부로부터 결정된 흡인 거리와, 상기 뇌격위치 결정부에서 결정된 뇌격 위치를 각각 비교하여, 뇌뢰가 직격뢰(Direct Lighting)인지 유도뢰(Indirect Lighting) 인지를 구분하여 결정하는 뇌격 판정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 낙뢰 해석부는, 제2프로그램 모듈과의 반복 시뮬레이션에 따라 뇌격 전류의 크기와, 흡인 거리, 뇌격 위치의 결정과, 배전선로의 구성 상태, 뇌뢰에 의해 발생되는 과전압의 크기를 계산하는 제1프로그램 모듈과, 상기 제1프로그램 모듈과의 반복 시뮬레이션에 따라, 뇌격 크기의 확률 누적 분포를 산출하고, 상기 확률 누적 분포에 따른 섬락율을 계산하며, 상기 제1프로그램 모듈과의 시뮬레이션이 미리 설정된 횟수에 도달하도록 시뮬레이션의 개시 명령을 전달하는 제2프로그램 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 낙뢰 해석부에서 배전선로의 섬락발생 여부 판단 기준은, 배전선로에서 전력선과 대지간의 절연강도를 유지하는 라인포스트 애자의 BIL(Basic Impulse Insulation Level)과, 절연전선과 라인포스트 애자의 조합에 의해 결정되는 CFO(Critical Flash-Over Voltage)인 1.5*BIL 중에서 어느 하나를 적용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 결과 출력부는 상기 내뢰 성능 평가부로부터 설정된 내뢰 설계의 기준값을 화면 표시하거나, 종이에 프린트 하거나, 통신망을 통해 원격지에 원격 전송하는 것 중에서 어느 하나를 통해 출력하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에서는 상기 내뢰 성능 평가부로부터 설정된 내뢰 설계의 기준값을 입력받아 배전선로의 내뢰설계용 소프트웨어 프로그램과 연동하여, 피뢰기의 설치간격, 접지 저항값의 조정을 통해 평가 기준에 부합되는 내뢰설계 결과를 제시하는 배전선로 내뢰 설계 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 방법은, 정보 수신 및 처리부가 배전선로의 구성물에 대한 세부 정보를 제공받아 배전선로 섬락 발생 모의를 위한 모델링을 수행하고, 배전선로 부근에서 관측된 낙뢰 정보와, 내뢰성능 평가 대상 배전선로 부근의 구조물 지리 정보를 제공받아 뇌격 건수 결정에 반영되는 차폐계수 및 뇌격의 흡인 거리를 산출하는 단계, 해석 유형 판별부가 상기 정보 수신 및 처리부로부터의 모델링 정보와, 차폐계수 및 뇌격의 흡인 거리를 근거로 하여, 낙뢰의 뇌격 크기 및 위치와, 뇌격의 종류 중 어느 하나를 판정하는 단계, 낙뢰 해석부가 상기 해석 유형 판별부에 의해 판정된 낙뢰의 뇌격 크기 및 위치와, 뇌격의 종류를 근거로 하여, 난수 발생에 의한 반복적인 시뮬레이션을 수행하여 낙뢰의 확률 분포에 따른 뇌격 전류 크기 및 뇌격 위치, 섬락 발생 여부를 판정하는 단계, 내뢰 성능 평가부가 상기 낙뢰 해석부에 의해 판정된 뇌격 전류 크기 및 뇌격 위치, 섬락 발생 여부를 반영하여, 미리 설정된 뇌격 발생의 통계 자료를 적용한 내뢰 설계의 기준값을 설정하는 단계 및, 결과 출력부가 상기 내뢰 성능 평가부에 의해 설정된 내뢰 설계의 기준값을 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따르면, 운전중인 배전선로에 대하여 주변 구조물을 고려하여 직격뢰 차폐를 고려한 섬락고장 건수 및 구조물에 의한 유도뢰 섬락고장 검수를 통한 배전선로의 내뢰설계 성능을 평가할 수 있도록 함으로써, 최적 내뢰설계를 통해 시공품질 개선 및 과투자를 방지하여 내뢰설비를 위한 시설비를 경제적으로 운용할 수 있게 되고, 배전계통 및 기기 절연보호를 위한 최적의 종합적인 접지설계를 통한 운영효율의 향상이 기대되며, 통신선 공가 채택시 사전 검토를 통한 내뢰 대책 및 상호 협조적 접지설계로 효율적인 투자계획을 수립할 수 있다.
또한, 기후 및 환경변화에 능동적으로 대처할 수 있는 내뢰설계 성능평가 시스템 제공으로 기후, 환경 변화에 대해 신속한 대응 및 시행착오를 최소화할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 일반적인 송전선로의 섬락고장 판별 장치에 대한 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치의 기술적 원리를 설명하기 위한 흡인거리 모델을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치의 기술적 원리를 설명하기 위한 배전선로의 차폐계수를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치의 기술적 원리를 설명하기 위한 배전선로 주변 건물의 전자기적 모델을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치의 기술적 원리를 설명하기 위한 유도뢰에 의한 과전압 특성을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치에서 정보 수신 및 처리부의 상세한 구성을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치에서 해석 유형 판별부의 상세한 구성을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치에서 낙뢰 해석부의 상세한 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치의 기술적 원리를 설명하기 위한 흡인거리 모델을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치의 기술적 원리를 설명하기 위한 배전선로의 차폐계수를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치의 기술적 원리를 설명하기 위한 배전선로 주변 건물의 전자기적 모델을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치의 기술적 원리를 설명하기 위한 유도뢰에 의한 과전압 특성을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치에서 정보 수신 및 처리부의 상세한 구성을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치에서 해석 유형 판별부의 상세한 구성을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치에서 낙뢰 해석부의 상세한 구성을 나타낸 도면이다.
이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치의 기술적 원리를 설명하기 위한 흡인거리 모델을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치의 기술적 원리를 설명하기 위한 배전선로의 차폐계수를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 직격뢰의 해석시 배전선로 인근 지리정보 데이터베이스로부터 구조물의 높이(H)와 선로와의 이격 거리(X)를 입력 받아 배전선로의 가공지선 높이(h)와의 관계를 고려하여 낙뢰의 흡인거리 예측 모델을 구하게 되는데, 상기 흡인거리 예측 모델을 이용하여 배전선로가 완전 차폐되는 조건만을 반영함에 의해 도 3에 도시된 형태로 차폐계수를 도출한다.
한편, 배전선로 주변의 구조물(이하, 차폐물이라 칭함)이 존재하지 않는 경우에 직격뢰의 뇌격수(N)는 하기한 수학식 1과 같이 계산할 수 있다.
여기서, 상기 "Ng"는 대지 낙뢰밀도이고, 상기 "h"는 전주의 가공지선 높이이며, 상기 "b"는 상도체(즉, 전력선)간의 폭에 해당된다.
또한, 배전선로 주변에 실제 차폐물이 존재하는 경우에서의 직격뢰 뇌격수(Nd)는 하기한 수학식 2와 같이 계산할 수 있다.
여기서, 상기 "Sf"는 선로 주변 차폐물에 의한 차폐계수이고, 상기 "OHGW_R"는 콘크리트 전주와 가공지선 접지를 나타내며, 상기 "CFO"는 절연물의 조합에 따른 임계절연파괴 전압(Critical Flash-Over Voltage)을 나타낸다.
상기 직격뢰 해석 과정 중에서 차폐물이 있는 경우와, 대지에 뇌격될 경우에는 유도뢰 해석 과정을 수행하게 되며, 이때 차폐물에 의한 유도 과전압 계산을 위해서는 본 발명의 기술적 원리가 적용된 건물의 전자기적 모델을 이용하게 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치의 기술적 원리를 설명하기 위한 배전선로 주변 건물의 전자기적 모델을 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 배전선로 주변 건물에 대한 전자기적 모델을 이용하게 되면, 낙뢰의 누적 확률분포 함수(Cumulative Probability Distribution Function)에 의한 뇌격 전류크기의 확률에 따라 접지 인하선으로 흐르는 전류값을 결정할 수 있게 되고, 상기 결정된 전류값에 따라 발생되는 자계에 의해 배전선로에 유도되는 과전압을 전자기적으로 계산하여 유도뢰에 의한 섬락발생 가능성을 검토하는 것이 가능하게 된다.
도 4에 따르면, 건물에 뇌격시 발생되는 인근 배전선로의 유도 과전압 특성을 검토하는 것이 가능하게 됨에 따라, 실제 배전선로 현장에 전자기적 모델의 적용을 통한 합리적인 내뢰설계 및 성능평가가 가능하다.
그 다음에, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치의 기술적 원리를 설명하기 위한 유도뢰에 의한 과전압 특성을 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바에 따르면, 배전선로의 라인포스트 애자의 섬락전압 임계값을 180 kV로 가정하고, 선로 인근에 60 m 높이의 건물이 선로와 3 m의 이격거리를 가지고 배치되어 있다고 가정한 경우에, 뇌격전류의 크기 및 대지 저항율 조건에 따라 180 kV 이상 크기의 과전압이 발생한 상태와, 선로 조건이 임계 섬락값을 초과하였음을 보여 주고 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 실제 배전선로의 주변 정보와 전자기적 건물 모델을 통한 유도뢰 해석을 통해 합리적이고 정확한 내뢰설계가 가능하고, 기존 선로에 대한 평가를 통해 최적의 내뢰설계 방안을 제시할 수 있게 된다.
다음에, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치는, 배전선로 정보 시스템(100)과, 낙뢰 관측 시스템(200), 구조물 정보 제공 시스템(300), 내뢰설계 성능평가 모듈(400), 배전선로 내뢰 설계 모듈(500)을 포함한다.
상기 배전선로 정보 시스템(100)은 전주, 전력선, 가공지선, 접지저항, 기타 설비 등과 같은 성능평가 대상 선로의 구성물에 대한 각 구성물의 형태에 기반한 세부적인 구조 정보를 제공한다.
상기 낙뢰 관측 시스템(200)은 국가 기상정보 시스템이나, 자체 관측시스템 또는 국내/외에 공개된 기상 통계정보 시스템 중에 어느 하나가 적용된 것으로서, 낙뢰의 누적 확률분포 함수, 낙뢰 밀도, 뇌우일수 등과 같이 배전선로 주변에서 관측된 낙뢰 정보를 제공한다.
상기 구조물 정보 제공 시스템(300)은 GPS 등에 의해 측정된 좌표정보와, 좌표상에 존재하는 건물 대장 등의 지리 정보를 저장하고 있는 지리정보 데이터베이스를 갖춘 것으로서, 내뢰성능 평가대상 선로를 중심으로 좌, 우에 존재하는 구조물의 높이, 이격거리 등의 정보를 제공한다. 여기서, 상기 구조물 정보 제공 시스템(300)은 작업자가 동원되어 수동으로 측정된 정보를 제공할수도 있다.
상기 내뢰설계 성능평가 모듈(400)은, 정보 수신 및 처리부(410)와, 해석 유형 판별부(420), 낙뢰 해석부(430), 내뢰 성능 평가부(440), 결과 출력부(450)를 포함한다.
상기 정보 수신 및 처리부(410)는 상기 배전선로 정보 시스템(100)으로부터 성능평가 대상선로의 각 구성물(즉, 전주, 전력선, 가공지선, 접지저항, 기타 설비 등)에 대한 세부적인 구조 정보를 수신하여 전산해석 소프트웨어 프로그램에 의한 알고리즘에 따라 배전선로에 섬락이 발생되는 경우를 모의하기 위한 소프트웨어적인 모델링을 수행하고, 상기 낙뢰 관측 시스템(200)으로부터 제공되는 관측된 낙뢰 정보를 수신하여 상기 흡인거리 모델(도 2 참조)을 이용하여 낙뢰의 흡인거리 모델을 결정하게 되며, 상기 구조물 정보 제공 시스템(300)으로부터 내뢰성능 평가대상 선로를 중심으로 좌, 우에 존재하는 구조물의 높이, 이격거리 등의 정보를 수신하여 직격뢰의 뇌격 건수 결정시에 반영하기 위한 차폐계수(Sf)를 산출한다.
상기 해석 유형 판별부(420)는, 상기 정보 수신 및 처리부(410)로부터 결정되는 상기 낙뢰의 흡인거리 모델을 이용하여 배전선로에 직접 뇌격하는 뇌격 크기와 뇌격 범위(즉, 뇌격 거리)를 각각 예측하고, 상기 정보 수신 및 처리부(410)에서 구조물의 정보를 기초로 산출하는 차폐 계수를 이용하여 선로 주변 구조물에 대하여 뇌격이 직격뢰인지 또는 유도뢰 인지를 판별한다. 이에, 상기 해석 유형 판별부(420)는 상기 뇌격의 판정 결과에 따라 전산해석 모델을 수정하여 적용할 수 있도록 한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치에서 정보 수신 및 처리부의 상세한 구성을 나타낸 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 정보 수신 및 처리부(410)는, 배전선로 모델링부(412)와, 차폐계수 도출부(414), 흡인거리 모델 결정부(416)를 포함한다.
상기 배전선로 모델링부(412)는 상기 배전선로 정보 시스템(100)으로부터 제공되는 성능평가 대상선로의 각 구성물에 대한 세부적인 구조 정보를 수신하여, 전산해석 소프트웨어 프로그램에 의한 처리를 통해 배전선로에 섬락이 발생되는 경우를 모의하기 위한 전산 모델링을 수행하여 건물의 전자기적 모델(도 3 참조)을 산출한다.
상기 차폐계수 도출부(414)는 상기 배전선로 모델링부(412)를 통해 모델링된 건물의 전자기적 모델을 참조하여, 상기 낙뢰 관측 시스템(200)으로부터 제공되는 낙뢰의 누적 확률분포 함수와, 상기 구조물 정보 제공 시스템(300)으로부터 제공되는 구조물의 높이, 이격거리 등의 정보를 수신하여 직격뢰의 뇌격 건수를 결정하는 경우에 반영되는 차폐계수(Sf)를 산출한다.
상기 흡인거리 모델 결정부(416)는 상기 누적 확률분포 함수와, 상기 구조물 정보 제공 시스템(300)으로부터 제공되는 구조물의 높이, 이격거리 등의 정보를 이용하여 산출되는 배전선로로의 뇌격 반경, 대지로 뇌격되는 높이, 직격뢰의 범위가 되는 선로와의 수평거리를 통하여 낙뢰의 흡인거리 예측 방식으로서 흡인거리 모델을 예측하여 결정한다.
여기서, 상기 낙뢰 관측 시스템(200)으로부터 취득된 정보인 누적 확률분포함수(Pc)를 정의하면 하기한 수학식 2와 같이 나타난다.
여기서, 상기 "Ip"는 뇌격 전류에 해당된다.
참고로, 상기 수학식 3은 한전의 낙뢰감시정보 네트워크(KLDINet)에서 제공되는 정보를 이용하여 산출한 것이다.
상기 누적 확률분포 함수(Pc)를 이용하게 되면, 사용자에 따라 통계기간을 설정할 수 있으므로 낙뢰 관측을 위한 목적에 맞게 값을 선택할 수 있다.
한편, 낙뢰가 배전선로에 뇌격되는 반경(rs)은 하기한 수학식 4을 이용하여 누적 확률분포 함수에 따른 뇌격전류(Ip)를 계산함에 의해 구할 수 있다.
또한, 상기 수학식 4와 같이 계산되는 상기 배전선로의 뇌격 반경(rs)을 이용하여 대지로 뇌격되는 높이(rg)에 대해 하기한 수학식 5와 같이 계산할 수 있다.
따라서, 상기 정보 수신 및 처리부(410)의 차폐계수 도출부(414)에서는 상기 수학식 4와 같이 계산되는 낙뢰가 배전선로에 뇌격되는 반경(rs)과, 상기 수학식 5와 같이 계산되는 대지로의 뇌격 높이(rg)를 이용하여 직격뢰의 범위가 되는 선로와의 수평거리(ymin)를 하기한 수학식 6의 계산에 따라 알 수 있다.
이와 같이, 상기 정보 수신 및 처리부(410)의 흡인거리 모델 결정부(416)는 배전선로에 낙뢰가 뇌격될 수 있는 흡인거리 모델을 수학적 계산식인 상기 수학식 4와, 수학식 5, 수학식 6으로부터 구현할 수 있게 된다.
한편, 상기 수학식 4 내지 수학식 6은 배전선로의 높이가 지상에서 10 ∼ 15 m 범위일 때 간략화된 수식이므로, 상기 선로주변 구조물에 뇌격되는 뇌뢰의 흡인 반경(Ra)은 상기 수학식 3에서의 뇌격전류(Ip)와, 구조물의 높이(H)를 고려하여 하기한 수학식 7과 같이 계산할 수 있다.
여기서, 상기 "α"는 
의 조건을 갖는다.
이 때, 상기 정보 수신 및 처리부(410)의 차폐계수 도출부(414)에서는 상기 수학식 7에서 계산된 구조물의 흡인반경(Ra)이 배전선로의 직격뢰 범위인 선로와의 수평거리(ymin)를 완전히 포함하는 경우의 이격거리(X)가 되는 비율로 차폐계수(Sf)를 도출할 수 있게 되는데, 이러한 과정은 건물의 높이(H)에 따라 반복적으로 수행된다.
이에, 상기 해석 유형 판별부(420)에서는 상기 흡인거리 모델을 이용하여 직격뢰 또는 유도뢰 여부를 구분하고, 도출된 차폐계수를 이용하여 뇌격전류 크기에 따른 뇌격위치를 결정하여 선로주변 구조물이 존재할 경우 유도뢰 해석시 필요한 뇌격전류의 크기를 결정할 수 있다.
이에, 상기 해석 유형 판별부(420)에서는 상기 흡인거리 모델을 이용하여 직격뢰 또는 유도뢰 여부를 구분하고, 도출된 차폐계수를 이용하여 뇌격전류 크기에 따른 뇌격위치를 결정하여 선로주변 구조물이 존재할 경우 유도뢰 해석시 필요한 뇌격전류의 크기를 결정할 수 있다.
삭제
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치에서 해석 유형 판별부의 상세한 구성을 나타낸 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 해석 유형 판별부(420)는 난수 발생부(422)와, 뇌격크기 결정부(424), 흡인거리 결정부(425), 뇌격위치 결정부(426), 뇌격 판정부(428)를 포함한다.
상기 난수 발생부(422)는 0 ∼ 100% 이내의 누적 확률(Cumulative Probability)을 고려하여 0 ∼ 1 사이의 랜덤한 숫자를 난수로서 발생하게 되고, 상기 뇌격 크기 결정부(424)는 상기 난수 발생부(422)에서 발생되는 랜덤 숫자를 상기 수학식 3의 누적 확률분포 함수(Pc) 계산식에 반영하여 누적 확률에 해당되는 뇌격 전류의 크기를 예측하여 결정한다.
상기 흡인거리 결정부(425)는 상기 뇌격 크기 결정부(424)에 의해 결정되는 뇌격전류의 크기와, 구조물의 높이(H)를 고려하여 상기 수학식 7에서 계산되는 선로주변 구조물에 뇌격되는 흡인 반경을 계산함에 의해, 해당 뇌격 크기에 해당하는 흡인 거리를 예측하여 결정한다.
상기 뇌격위치 결정부(426)는 상기 흡인 거리 결정부(425)를 통해서 흡인 거리가 결정되면, 상기 흡인 거리를 기초로 하여 예컨대 500 m와 같은 미리 설정된 뇌격 거리 이내에서 뇌격 위치를 랜덤하게 예측하여 결정한다.
상기 뇌격 판정부(428)는 상기 흡인거리 결정부(425)로부터 결정된 흡인 거리와, 상기 뇌격위치 결정부(426)에서 결정된 뇌격 위치를 각각 비교하여, 뇌뢰가 직격뢰(Direct Lighting)인지 또는 유도뢰(Indirect Lighting) 인지의 여부를 구분하여 결정한다.
한편, 도 6에서, 상기 낙뢰 해석부(430)는 상기 해석 유형 판별부(420)로부터 결정되는 뇌격 전류 크기와, 흡인 거리, 뇌격 위치, 직격뢰 또는 유도뢰의 판정 결과에 근거하여, 우연한 현상의 경과에 대해 난수를 발생시켜서 수치적, 모형적으로 반복적인 시뮬레이션을 실행시킴으로써 문제의 근사해를 얻는 방식을 적용하여 낙뢰를 해석한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 낙뢰 해석부(430)는 EMTP 또는 Matlab과 같은 전산해석 소프트웨어 프로그램으로 이루어진 제1프로그램 모듈(432)과, 제2프로그램 모듈(434)을 상호 연동시켜서 반복적으로 시뮬레이션을 수행함에 의해, 각 뇌전류의 크기 및 위치에 대한 섬락 발생 여부를 판단하여 해석하게 된다.
상기 낙뢰 해석부(430)에서, 상기 제1프로그램 모듈(432)은 상기 제2프로그램 모듈(434)과의 반복적인 시뮬레이션에 따라 뇌격 전류의 크기와, 흡인 거리, 뇌격 위치를 결정하게 되고, 배전선로의 구성 상태와, 뇌뢰에 의해 발생되는 과전압의 크기를 계산한다.
또한, 상기 제2프로그램 모듈(434)은 상기 제1프로그램 모듈(432)과의 상호 연동을 통한 반복적인 시뮬레이션에 따라, 뇌격 크기의 확률 누적 분포를 계산하여 산출하고, 상기 확률 누적 분포에 따른 섬락율을 계산하게 되는데, 상기 제1프로그램 모듈(432)과의 시뮬레이션 횟수를 체크하여 그 횟수가 미리 설정된 횟수에 도달하지 않게 되면, 상기 제1프로그램 모듈(432)에 다른 시뮬레이션의 개시 명령을 전달하는 역할도 수행한다.
여기서, 상기 낙뢰 해석부(430)에서 배전선로의 섬락발생 여부를 판단하는 기준은 배전선로에서 전력선과 대지간의 절연강도를 유지하는 라인포스트 애자의 BIL(Basic Impulse Insulation Level)인 180 kV로 할 수도 있고, 절연전선과 라인포스트 애자의 조합에 의해 결정되는 CFO(Critical Flash-Over Voltage)인 1.5*BIL을 적용할 수도 있다.
한편, 낙뢰 해석부(430)의 제1 및 제2프로그램 모듈(432, 434)은, 상기 정보 수신 및 처리부(410)의 배전선로 모델링부(412)의 배전선로 전산모델링을 통해 구현된 배전선로에 콘크리트 전주의 서지임피던스를 반영하고, 상기 정보 수신 및 처리부(410)의 흡인거리 모델 결정부(416)를 통해 결정된 흡인거리 모델 및 상기 수학식 1에 의해 계산되는 직격뢰 뇌격수와, 상기 차폐계수 도출부(414)에서 도출된 차폐계수(Sf)를 반영하여 실제 대상의 배전선로에 뇌격되는 건수를 결정하여, 상기 해석 유형 판별부(420)의 뇌격 판정부(428)에 의해 판정되는 직격뢰에 대한 소프트웨어적인 시뮬레이션을 수행하고, 상기 유도뢰에 해당되는 뇌격전류 크기 및 위치를 판별하여 소프트웨어적인 시뮬레이션을 수행한다.
여기서, 대지 및 구조물에 뇌격하는 유도뢰에 대해서는 유도뢰의 소프트웨어 프로그램 구성에 의해 소프트웨어적인 해석을 실시하며, 이 과정에서 도 4에 도시된 바에 따른 건물의 전자기적 모델을 반영하도록 한다.
상기 내뢰 성능 평가부(440)는, 상기 낙뢰 해석부(430)를 통해 해석되는 낙뢰의 뇌격 판정 결과를 근거로 하여, 배전선로에 대하여 미리 설정되어 있는 통계 자료 즉, 국내 낙뢰고장 건수(예컨대 0.4[건/100km/year])를 적용하여 내뢰 설계가 실시되도록 기준을 설정한다.
여기서, 상기 미리 설정된 통계자료는 뇌격에 의해 실질적으로 발생되는 일시 고장, 순간 고장에 의한 순간 정전, 순간 전압강하를 집계하여 산정한 것이며, 선로긍장에 대한 일시 고장, 순간 고장에 대한 고장율을 반영하여 분석한 결과로서 도출된 것이다.
상기 결과 출력부(450)는 상기 내뢰 성능 평가부(440)에서 미리 설정된 통계자료에 기초하여 내뢰 성능이 평가되어 설정되는 내뢰 설계의 기준값을 작업자가 확인 가능하게 출력하는 것으로서, 상기 출력 형태는 표시 화면을 통해 문자 또는 그래픽 메뉴 화면의 형태로 화면 출력이 가능하고, 종이에 프린트 출력도 가능하도록 한다.
도 6에서, 상기 배전선로 내뢰 설계 모듈(500)은 상기 결과 출력부(450)를 통하여 상기 내뢰 성능 평가부(440)로부터 도출되는 결과를, 배전선로의 내뢰설계용 소프트웨어 프로그램과 연동하여 최적의 내뢰설계 기능을 수행하는 것으로서, 상기 내뢰설계용 소프트웨어 프로그램을 통해서 피뢰기의 설치간격, 접지 저항값 등을 조정하여 평가 기준에 부합되는 최적의 내뢰설계 결과를 제시한다.
또한, 상기 결과 출력부(450)는 상기 내뢰 성능 평가부(440)에 의해 제시된 기준에 부합되는 경우의 수를 합산하여 섬락 고장수를 계산함에 의해 이를 섬락 고장값으로 화면 출력하는 것이 가능하다.
한편, 상기 결과 출력부(450)는 상기 내뢰 성능 평가부(440)를 통해 설정된 내뢰 설계의 기준값을 원격지와의 통신망을 이용한 통신을 통해 별도의 배전선로의 내뢰 감시용 서버에 원격 전송하는 것도 얼마든지 가능하다.
상기 내뢰 설계의 기준값을 원격지의 서버에 원격으로 전송하는 경우에, 상기 원격지의 서버에서 관리하는 데이터베이스(Database)에 누적 저장하여 관리함으로써, 본 발명에 따라 예측된 내뢰설계 성능과, 실제적인 낙뢰에 의해 고장이 발생된 통계자료를 비교하여 내뢰 설계의 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다.
상기와 같이 이루어진 본 발명에서는 다른 실시예로서, 상기 낙뢰 해석부(430)의 유도뢰 정보를 이용하여 배전선로의 인근에 배설되어 있는 여타 통신선의 유도 종전압을 검토하는 것이 가능하게 된다.
즉, 상기 유도뢰의 입력값인 뇌전류 크기 대신에 변전소로부터 고장점까지의 고장전류 계산을 통해 상용주파 지락고장 전류값을 입력받아서, 전자기적인 해석을 수행함을 통해 통신선에서 발생되는 유도 종전압을 예측하여 통신선 및 배전선로의 접지 설계가 가능하다.
본 발명은, 또 다른 실시예로서 상기 낙뢰 해석부(430) 및 상기 내뢰 성능 평가부(440)를 통해 전기 철도 또는 통신 철탑에 대한 내뢰대책 및 접지설계가 가능하다. 즉, 전기 철도의 최상부 전선로의 높이, 통신 철탑 상부의 피뢰침 높이를 배전선로의 높이 값으로 입력받고, 인근 구조물 정보를 이용하여 본 발명에 따른 뇌서지 해석을 수행함으로써, 해당 전기 철도, 통신 철탑에 대해 최적의 내뢰설계가 가능하다.
상기 낙뢰 해석부(430)에서, 상기 제1프로그램 모듈(432)은 상기 제2프로그램 모듈(434)과의 반복적인 시뮬레이션에 따라 뇌격 전류의 크기와, 흡인 거리, 뇌격 위치를 결정하게 되고, 배전선로의 구성 상태와, 뇌뢰에 의해 발생되는 과전압의 크기를 계산한다.
또한, 상기 제2프로그램 모듈(434)은 상기 제1프로그램 모듈(432)과의 상호 연동을 통한 반복적인 시뮬레이션에 따라, 뇌격 크기의 확률 누적 분포를 계산하여 산출하고, 상기 확률 누적 분포에 따른 섬락율을 계산하게 되는데, 상기 제1프로그램 모듈(432)과의 시뮬레이션 횟수를 체크하여 그 횟수가 미리 설정된 횟수에 도달하지 않게 되면, 상기 제1프로그램 모듈(432)에 다른 시뮬레이션의 개시 명령을 전달하는 역할도 수행한다.
여기서, 상기 낙뢰 해석부(430)에서 배전선로의 섬락발생 여부를 판단하는 기준은 배전선로에서 전력선과 대지간의 절연강도를 유지하는 라인포스트 애자의 BIL(Basic Impulse Insulation Level)인 180 kV로 할 수도 있고, 절연전선과 라인포스트 애자의 조합에 의해 결정되는 CFO(Critical Flash-Over Voltage)인 1.5*BIL을 적용할 수도 있다.
한편, 낙뢰 해석부(430)의 제1 및 제2프로그램 모듈(432, 434)은, 상기 정보 수신 및 처리부(410)의 배전선로 모델링부(412)의 배전선로 전산모델링을 통해 구현된 배전선로에 콘크리트 전주의 서지임피던스를 반영하고, 상기 정보 수신 및 처리부(410)의 흡인거리 모델 결정부(416)를 통해 결정된 흡인거리 모델 및 상기 수학식 1에 의해 계산되는 직격뢰 뇌격수와, 상기 차폐계수 도출부(414)에서 도출된 차폐계수(Sf)를 반영하여 실제 대상의 배전선로에 뇌격되는 건수를 결정하여, 상기 해석 유형 판별부(420)의 뇌격 판정부(428)에 의해 판정되는 직격뢰에 대한 소프트웨어적인 시뮬레이션을 수행하고, 상기 유도뢰에 해당되는 뇌격전류 크기 및 위치를 판별하여 소프트웨어적인 시뮬레이션을 수행한다.
여기서, 대지 및 구조물에 뇌격하는 유도뢰에 대해서는 유도뢰의 소프트웨어 프로그램 구성에 의해 소프트웨어적인 해석을 실시하며, 이 과정에서 도 4에 도시된 바에 따른 건물의 전자기적 모델을 반영하도록 한다.
상기 내뢰 성능 평가부(440)는, 상기 낙뢰 해석부(430)를 통해 해석되는 낙뢰의 뇌격 판정 결과를 근거로 하여, 배전선로에 대하여 미리 설정되어 있는 통계 자료 즉, 국내 낙뢰고장 건수(예컨대 0.4[건/100km/year])를 적용하여 내뢰 설계가 실시되도록 기준을 설정한다.
여기서, 상기 미리 설정된 통계자료는 뇌격에 의해 실질적으로 발생되는 일시 고장, 순간 고장에 의한 순간 정전, 순간 전압강하를 집계하여 산정한 것이며, 선로긍장에 대한 일시 고장, 순간 고장에 대한 고장율을 반영하여 분석한 결과로서 도출된 것이다.
상기 결과 출력부(450)는 상기 내뢰 성능 평가부(440)에서 미리 설정된 통계자료에 기초하여 내뢰 성능이 평가되어 설정되는 내뢰 설계의 기준값을 작업자가 확인 가능하게 출력하는 것으로서, 상기 출력 형태는 표시 화면을 통해 문자 또는 그래픽 메뉴 화면의 형태로 화면 출력이 가능하고, 종이에 프린트 출력도 가능하도록 한다.
도 6에서, 상기 배전선로 내뢰 설계 모듈(500)은 상기 결과 출력부(450)를 통하여 상기 내뢰 성능 평가부(440)로부터 도출되는 결과를, 배전선로의 내뢰설계용 소프트웨어 프로그램과 연동하여 최적의 내뢰설계 기능을 수행하는 것으로서, 상기 내뢰설계용 소프트웨어 프로그램을 통해서 피뢰기의 설치간격, 접지 저항값 등을 조정하여 평가 기준에 부합되는 최적의 내뢰설계 결과를 제시한다.
또한, 상기 결과 출력부(450)는 상기 내뢰 성능 평가부(440)에 의해 제시된 기준에 부합되는 경우의 수를 합산하여 섬락 고장수를 계산함에 의해 이를 섬락 고장값으로 화면 출력하는 것이 가능하다.
한편, 상기 결과 출력부(450)는 상기 내뢰 성능 평가부(440)를 통해 설정된 내뢰 설계의 기준값을 원격지와의 통신망을 이용한 통신을 통해 별도의 배전선로의 내뢰 감시용 서버에 원격 전송하는 것도 얼마든지 가능하다.
상기 내뢰 설계의 기준값을 원격지의 서버에 원격으로 전송하는 경우에, 상기 원격지의 서버에서 관리하는 데이터베이스(Database)에 누적 저장하여 관리함으로써, 본 발명에 따라 예측된 내뢰설계 성능과, 실제적인 낙뢰에 의해 고장이 발생된 통계자료를 비교하여 내뢰 설계의 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다.
상기와 같이 이루어진 본 발명에서는 다른 실시예로서, 상기 낙뢰 해석부(430)의 유도뢰 정보를 이용하여 배전선로의 인근에 배설되어 있는 여타 통신선의 유도 종전압을 검토하는 것이 가능하게 된다.
즉, 상기 유도뢰의 입력값인 뇌전류 크기 대신에 변전소로부터 고장점까지의 고장전류 계산을 통해 상용주파 지락고장 전류값을 입력받아서, 전자기적인 해석을 수행함을 통해 통신선에서 발생되는 유도 종전압을 예측하여 통신선 및 배전선로의 접지 설계가 가능하다.
본 발명은, 또 다른 실시예로서 상기 낙뢰 해석부(430) 및 상기 내뢰 성능 평가부(440)를 통해 전기 철도 또는 통신 철탑에 대한 내뢰대책 및 접지설계가 가능하다. 즉, 전기 철도의 최상부 전선로의 높이, 통신 철탑 상부의 피뢰침 높이를 배전선로의 높이 값으로 입력받고, 인근 구조물 정보를 이용하여 본 발명에 따른 뇌서지 해석을 수행함으로써, 해당 전기 철도, 통신 철탑에 대해 최적의 내뢰설계가 가능하다.
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본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100:배전선로 정보 시스템 200:낙뢰 관측 시스템
300:구조물 정보 제공 시스템 400:내뢰설계 성능평가 모듈
410:정보 수신 및 처리부 420:해석 유형 판별부
430:낙뢰 해석부 440:내뢰 성능 평가부
450:결과 출력부 500:배전선로 내뢰 설계 모듈
300:구조물 정보 제공 시스템 400:내뢰설계 성능평가 모듈
410:정보 수신 및 처리부 420:해석 유형 판별부
430:낙뢰 해석부 440:내뢰 성능 평가부
450:결과 출력부 500:배전선로 내뢰 설계 모듈
Claims (20)
- 배전선로의 구성물에 대한 세부 정보를 제공받아 배전선로 섬락 발생 모의를 위한 모델링을 수행하고, 상기 배전선로 부근에서 관측된 낙뢰 정보와, 상기 배전선로 부근의 구조물 지리 정보를 제공받아 뇌격 건수 결정에 반영되는 차폐계수 및 뇌격의 흡인 거리를 산출하는 정보 수신 및 처리부;
상기 정보 수신 및 처리부로부터의 모델링 정보와, 차폐계수 및 뇌격의 흡인 거리를 근거로 하여, 낙뢰의 뇌격 크기와 위치, 및 뇌격의 종류 중 적어도 하나에 대한 낙뢰 정보를 판정하는 해석 유형 판별부;
상기 해석 유형 판별부에 의해 판정된 낙뢰 정보를 근거로 하여, 난수 발생에 의한 반복적인 시뮬레이션을 수행하여 낙뢰의 확률 분포에 따른 뇌격 전류 크기, 뇌격 위치 및 섬락 발생 여부 중 적어도 하나를 판정하는 낙뢰 해석부;
상기 낙뢰 해석부에 의해 판정된 판정 결과를 반영하여, 미리 설정된 뇌격 발생의 통계 자료를 적용한 내뢰 설계의 기준값을 설정하는 내뢰 성능 평가부;
상기 내뢰 성능 평가부에 의해 설정된 내뢰 설계의 기준값을 출력하는 결과 출력부; 및
상기 내뢰 성능 평가부로부터 설정된 내뢰 설계의 기준값을 입력받아 배전선로의 내뢰설계용 소프트웨어 프로그램과 연동하여, 피뢰기의 설치간격, 접지 저항값의 조정을 통해 평가 기준에 부합되는 내뢰설계 결과를 제시하는 배전선로 내뢰 설계 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 정보 수신 및 처리부는, 내뢰성능 평가대상 배전선로의 각 구성물에 대한 세부적인 구조 정보를 수신하고, 배전선로에 섬락이 발생되는 경우를 모의하기 위한 전산 모델링을 수행하여 건물의 전자기적 모델을 산출하는 배전선로 모델링부와,
상기 배전선로 모델링부를 통해 모델링된 건물의 전자기적 모델을 참조하여, 상기 낙뢰의 누적 확률분포 함수와, 상기 구조물의 높이, 이격거리 정보를 통해 직격뢰의 뇌격 건수 결정에 반영되는 차폐계수를 산출하는 차폐계수 도출부 및,
상기 누적 확률분포 함수와, 상기 구조물의 높이, 이격거리 정보를 이용하여 배전선로의 뇌격 반경, 대지로 뇌격되는 높이, 직격뢰의 범위가 되는 선로와의 수평거리를 산출하고, 상기 산출값을 통해 낙뢰의 흡인거리 예측 방식으로서 흡인거리 모델을 예측하여 결정하는 흡인거리 모델 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 내뢰성능 평가 대상 배전선로의 구성물에 대한 세부 정보는 전주, 전력선, 가공지선, 접지저항 중에서 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 배전선로 부근에서 관측된 낙뢰 정보는 누적 확률분포 함수(Cumulative Probability Distribution Function)와, 낙뢰밀도, 뇌우일수 중에서 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 차폐계수 도출부는 상기 구조물에 뇌격되는 뇌뢰의 흡인반경이 배전선로와의 수평거리를 완전히 포함하는 경우의 이격거리가 되는 비율로 차폐계수를 도출하고, 상기 차폐계수의 도출을 건물의 높이에 따라 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한항에 있어서,
상기 해석 유형 판별부는, 누적 확률(Cumulative Probability)을 고려하여 랜덤한 난수를 발생하는 난수 발생부와,
상기 난수 발생부에서 발생되는 랜덤 숫자를 누적 확률분포 함수에 반영하여 누적 확률에 해당되는 뇌격 전류의 크기를 결정하는 뇌격 크기 결정부,
상기 뇌격 크기 결정부에서 결정된 뇌격전류의 크기와, 구조물의 높이를 고려하여 선로주변 구조물에 뇌격되는 흡인 반경을 계산함에 의해, 해당 뇌격 크기에 해당하는 흡인 거리를 결정하는 흡인거리 결정부,
상기 흡인 거리 결정부에서 결정된 흡인 거리를 기초로, 미리 설정된 뇌격 거리 이내에서 뇌격 위치를 랜덤하게 예측하여 결정하는 뇌격위치 결정부 및,
상기 흡인거리 결정부로부터 결정된 흡인 거리와, 상기 뇌격위치 결정부에서 결정된 뇌격 위치를 각각 비교하여, 뇌뢰가 직격뢰(Direct Lighting)인지 유도뢰(Indirect Lighting) 인지를 구분하여 결정하는 뇌격 판정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 낙뢰 해석부는, 제2프로그램 모듈과의 반복 시뮬레이션에 따라 뇌격 전류의 크기와, 흡인 거리, 뇌격 위치의 결정과, 배전선로의 구성 상태, 뇌뢰에 의해 발생되는 과전압의 크기를 계산하는 제1프로그램 모듈과,
상기 제1프로그램 모듈과의 반복 시뮬레이션에 따라, 뇌격 크기의 확률 누적 분포를 산출하고, 상기 확률 누적 분포에 따른 섬락율을 계산하며, 상기 제1프로그램 모듈과의 시뮬레이션이 미리 설정된 횟수에 도달하도록 시뮬레이션의 개시 명령을 전달하는 제2프로그램 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 배전선로 내뢰설계 성능평가 장치. - 삭제
- 정보 수신 및 처리부가 배전선로의 구성물에 대한 세부 정보를 제공받아 배전선로 섬락 발생 모의를 위한 모델링을 수행하고, 배전선로 부근에서 관측된 낙뢰 정보와, 내뢰성능 평가 대상 배전선로 부근의 구조물 지리 정보를 제공받아 뇌격 건수 결정에 반영되는 차폐계수 및 뇌격의 흡인 거리를 산출하는 제1단계;
해석 유형 판별부가 상기 정보 수신 및 처리부로부터의 모델링 정보와, 차폐계수 및 뇌격의 흡인 거리를 근거로 하여, 낙뢰의 뇌격 크기와 위치, 및 뇌격의 종류 중 어느 하나에 대한 낙뢰 정보를 판정하는 제2단계;
낙뢰 해석부가 상기 해석 유형 판별부에 의해 판정된 낙뢰 정보를 근거로 하여, 난수 발생에 의한 반복적인 시뮬레이션을 수행하여 낙뢰의 확률 분포에 따른 뇌격 전류 크기, 뇌격 위치 및 섬락 발생 여부 중 적어도 하나를 판정하는 제3단계;
내뢰 성능 평가부가 상기 낙뢰 해석부에 의해 판정된 판정결과를 반영하여, 미리 설정된 뇌격 발생의 통계 자료를 적용한 내뢰 설계의 기준값을 설정하는 제4단계;
결과 출력부가 상기 내뢰 성능 평가부에 의해 설정된 내뢰 설계의 기준값을 출력하는 제5단계; 및
상기 제5단계에서, 배전선로 내뢰 설계 모듈이 상기 내뢰 성능 평가부로부터 설정된 내뢰 설계의 기준값을 입력받아 배전선로의 내뢰설계용 소프트웨어 프로그램과 연동하여, 피뢰기의 설치간격, 접지 저항값의 조정을 통해 평가 기준에 부합되는 내뢰설계 결과를 제시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배전선로 내뢰설계 성능평가 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 제1단계에서, 상기 정보 수신 및 처리부는 상기 내뢰성능 평가대상 배전선로의 각 구성물에 대한 세부적인 구조 정보를 수신하고, 배전선로에 섬락이 발생되는 경우를 모의하기 위한 전산 모델링을 수행하여 건물의 전자기적 모델을 산출하는 단계와,
상기 모델링된 건물의 전자기적 모델을 참조하여, 상기 낙뢰의 누적 확률분포 함수와, 상기 구조물의 높이, 이격거리 정보를 통해 직격뢰의 뇌격 건수 결정에 반영되는 차폐계수를 산출하는 단계 및,
상기 누적 확률분포 함수와, 상기 구조물의 높이, 이격거리 정보를 이용하여 배전선로의 뇌격 반경, 대지로 뇌격되는 높이, 직격뢰의 범위가 되는 선로와의 수평거리를 산출하고, 산출값을 통해 낙뢰의 흡인거리 예측 방식으로서 흡인거리 모델을 예측하여 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배전선로 내뢰설계 성능평가 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 제1단계에서, 상기 내뢰성능 평가 대상 배전선로의 구성물에 대한 세부 정보는 전주, 전력선, 가공지선, 접지저항 중에서 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 배전선로 내뢰설계 성능평가 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제1단계에서, 상기 배전선로 부근에서 관측된 낙뢰 정보는 누적 확률분포 함수(Cumulative Probability Distribution Function)와, 낙뢰밀도, 뇌우일수 중에서 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 배전선로 내뢰설계 성능평가 방법. - 제 9 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2단계에서, 상기 해석 유형 판별부는, 누적 확률(Cumulative Probability)을 고려하여 랜덤한 난수를 발생하고, 상기 발생되는 랜덤한 난수를 누적 확률분포 함수에 반영하여 누적 확률에 해당되는 뇌격 전류의 크기를 결정하는 단계와,
상기 결정된 뇌격전류의 크기와, 구조물의 높이를 고려하여 선로주변 구조물에 뇌격되는 흡인 반경을 계산함에 의해, 해당 뇌격 크기에 해당하는 흡인 거리를 결정하는 단계,
상기 결정된 흡인 거리를 기초로, 미리 설정된 뇌격 거리 이내에서 뇌격 위치를 랜덤하게 예측하여 결정하는 단계 및,
상기 결정된 흡인 거리와, 상기 결정된 뇌격 위치를 각각 비교하여, 뇌뢰가 직격뢰(Direct Lighting)인지 유도뢰(Indirect Lighting) 인지를 구분하여 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배전선로 내뢰설계 성능평가 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 제3단계에서, 상기 낙뢰 해석부는, 제1프로그램 모듈이 제2프로그램 모듈과의 반복 시뮬레이션에 따라 뇌격 전류의 크기와, 흡인 거리, 뇌격 위치의 결정과, 배전선로의 구성 상태, 뇌뢰에 의해 발생되는 과전압의 크기를 계산하고,
상기 제2프로그램 모듈이 상기 제1프로그램 모듈과의 반복 시뮬레이션에 따라, 뇌격 크기의 확률 누적 분포를 산출하고, 상기 확률 누적 분포에 따른 섬락율을 계산하며, 상기 제1프로그램 모듈과의 시뮬레이션이 미리 설정된 횟수에 도달하도록 시뮬레이션의 개시 명령을 전달하는 것을 특징으로 하는 배전선로 내뢰설계 성능평가 방법. - 삭제
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