KR19990075452A - 지중방전현상을 이용한 접지저항 저감방법및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지중방전 현상을 이용한 접지저항 저감방법 및 장치에 관한 것으로, 지중에 매설되는 전기설비의 접지부재의 본체부 외측면에 선단부가 뽀족한 형상의 침상봉을 결착시켜 낙뢰성 서지에 대해 상기 뾰족한 침상봉의 선단부에서 방전이 방전이 용이하게 일어나도록 하여 뇌서지 전압을 조기에 소멸시킴으로써, 낙뢰에 의한 과도상태에서의 피해를 최소화하여 전기설비의 장애발생을 방지하고, 또한 서지 및 임펄스 임피던스의 특성을 파악하고, 이를 각종 전기공급설비의 운전 및 유지보수에 활용하여 전기설비의 수명 연장 및 인축에 대한 안전성을 확보할 수 있는 기술이다.

Description

지중방전현상을 이용한 접지저항 저감방법 및 장치

본 발명은 낙뢰에 의한 과도상태에서의 피해를 최소화하기 위한 접지저항 저감방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 접지저항인 임펄스 임피던스(Impulse-Impedance)를 지중방전현상에 의하여 저감시키는 지중방전현상을 이용한 접지저항 저감방법 및 장치에 관한 것이다.

종래의 통상적인 전기설비의 접지저항 설계방법은 상용 주파수 계통에 대해서만 필요한 접지저항값으로 설계되었기 때문에 계통 이상시 접지 시스템이 필요한 기능을 발휘하지 못하고 설비의 파손이나 계통으로의 파급영향을 주어 심각한 문제로 대두되고 있는 실정이다.

또한 최근에 전기설비의 감시진단과 전기설비 자체가 반도체 소자로 대체되는 경향이 있어 고주파가 침입되었을 때의 임펄스 임피던스의 효과적인 측정과 대책이 시급히 요구되고 있으며, 정전기 장해, 전자파 장해등을 일으키는 대부분의 장애는 올바른 접지기술의 구현으로 방지될 수 있는 것들이다.

또한 전력설비의 절연파괴, 역섬락등 치명적으로 전력설비에 영향을 미치는 급준파전류를 빠르게 방사시키는 것이 전력사업의 측면에서 보면 훨씬 더 중요하며, 접지적인 측면에서 볼 때 일반 접지망에 급준파가 주입되는 경우 넓은 접지망이 전부 써지의 저감에 작용하지 않고 주입점 일부분만 써지의 저감에 기여하기 때문에 기존의 접지망 설계에서도 임펄스 임피던스 저감책이 필요하다.

이상과 같이 각종 전기설비에 장애 요인이 되고 있는 접지저항에 대해서 현재 국내에서는 과도상태에서의 특성을 고려하지 않은 정상접지저항만을 측정하여 설계를 하고 있는 실정이며, 이는 각 주파수에 따른 정확한 사고분석을 할 수 없을뿐만 아니라 각종 전기설비의 보호 측면에서 신뢰성을 잃고 있는 문제점을 안고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 지중에 매설되는 접지부재의 본체부 외측면에 선단부가 뽀족한 형상의 침을 갖는 침상봉을 다수개 결착시켜 지중에서의 방전현상이 용이하게 일어나도록 함으로써 낙뢰에 의한 과도상태에서의 전기설비의 장애발생을 방지하고, 서지(Surge) 및 임펄스 임피던스의 특성을 파악하고, 이를 각종 전기공급설비의 운전 및 유지보수에 활용하여 전기설비의 수명 연장 및 인축에 대한 안전성을 확보할 수 있는 지중방전현상을 이용한 접지저항 저감방법 및 그 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a 와 도 1b 는 본 발명에 따른 접지저항 저감장치의 제 1 실시예의 사시도

도 2a 와 도 2b 는 지중방전현상을 촬영하기 위해 지중에 매설된 접지저항 저감장치와 필름의 위치를 도시한 도면

도 3a 와 도 3b 는 상기 도 2a 와 도 2b 의 상태에서 지중방전현상을 촬영한 상태를 도시한 도면

도 4 와 도 5 는 본 발명에 따른 접지저항 저감장치의 제 2 및 제 3 실시예를 도시한 도면

도 6 은 본 발명의 방법에 따라 다수개의 침상봉을 조합하여 형성한 접지저항 저감장치의 제 4 실시예를 도시한 도면

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1,13 : 접지부재의 본체부 3 : 침상봉

5 : 리드선 7 : 압축단자

9a,9b : X-선 필름 11 : 접합부

30,50,70,90 : 접지부재

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 지중방전현상을 이용한 접지저항 저감방법은,

전기설비의 리드선과 연결되며 지중에 매설되는 접지부재의 본체부 외측에 선단부가 뾰족한 형상으로된 침상봉을 다수개 설치하여 낙뢰성 서지에대해 상기 침상봉의 선단부에서 지중방전이 발생되도록 함으로써 뇌서지 전압을 조기에 소멸시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 지중방전현상을 이용한 접지저항 저감장치는,

낙뢰성 서지에대해 지중에 매설된 접지부재에서의 방전이 쉽게 일어나도록 유도하여 뇌서지 전압을 조기에 소멸시킴으로써 전기설비의 장애발생을 방지하는 접지저항 저감장치에 있어서,

상기 접지부재는 상기 전기설비의 리드선과 연결되며, 지중에 매설되는 소정 형상의 본체부와,

상기 접지부재 본체부의 외측 표면부에 결착되며, 선단부가 뾰족한 침형상으로 된 다수개의 침상봉으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 지중방전현상을 용이하게 일으킬 수 있도록 고안된 침형태의 모양을 갖는 침상봉을 이용하여 대지전위상승 억제효과를 통한 임펄스 임피던스 저감기술을 보여주고 있다.

한편, 접지란 대지에 전기적으로 단자를 접속하는 것이며, 상기 전기적 단자역할을 하는 것이 접지전극이다. 전류가 전극을 통해 대지에 흘러들어갈 때 쉽게 흐르느냐의 여부는 접지저항에 달려 있으며, 흔히 말하는 접지저항이란 상용주파수(60Hz) 부근에서 측정한 것을 말한다.

자연계의 현상 중에 전기설비에 가장 나쁜 영향을 미치는 낙뢰의 침입에 의한 급준파는 유입전류의 상승률이 높고, 이는 파두장이 짧음을 의미한다. 이러한 낙뢰는 에너지의 측면에서 적은 양을 갖지만 대지전위의 상승이나 절연파괴 측면에서 상당한 파괴력을 지닌다.

전기설비의 절연파괴 및 전력설비의 역섬락등을 통하여 치명적으로 전력설비에 악영향을 가하는 급준파전류를 빠르게 대지로 방사시키는 것이 전기설비의 보호측면에서 보면 앞에서 설명한 접지저항의 저감보다 훨씬 더 중요하다 할 수 있다.

이 때 상기 급준파전류에 대한 순간 전위상승의 비를 "임펄스 임피던스 혹은 서지 임피던스"라고 한다.

일반적으로 급준파전류는 수 MHz에 이르는 고주파도 존재하므로 진행파의 개념으로 해석되는데, 이를 전송측면에서 보면 분포정수회로로 다루어야 한다는 점이고, 파형은 상당히 가파른 기울기를 갖고 있다는 점과 연속적이지 않다는 것을 의미한다. 즉, 분포정수회로로 해석한다는 의미는 다루고자 하는 전송선로를 거리의 측면에서 보면 순간적인 전압, 전류가 다르다는 것이다. 즉 비록 다루고자하는 선로가 접지봉과 같이 수 미터(m) 정도라 하더라도 침입한 급준파가 고주파이면 접지봉의 칩임점과 끝점에서의 전압, 전류의 크기가 다르다는 의미이다.

또한 접지적인 측면에서 볼 때 급준파가 갖는 또 다른 중요한 의미는 일반적으로 접지면적으로 접지저항을 저감시키는 방법으로는 임펄스 임피던스를 저감할 수 없다는 의미도 포함된다. 왜냐하면 급준파를 예로 들면, 파두장이 1μs 인 급준파를 일반 접지망에 주입하는 경우, 넓은 접지망이 전부 써지의 저감에 작용하지 않고 주입점 일부분만 써지의 저감에 기여하게 된다는 점이다. 결국 급준파의 경우 접지면적이 넓다하여 임펄스 임피던스 값이 면적에 비례하여 저감되지 않는다는 점이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 적합한 실시예에 대한 상세한 설명을 하기로 한다.

도 1a 와 도 1b 는 본 발명의 방법에 따라 지중방전현상을 용이하게 일으킬 수 있도록 고안된 접지저항 저감장치의 제 1 실시예의 사시도이다.

상기 도면에 도시된 접지저항 저감장치의 접지부재(30,50)는 지중에 매설되며, 전기 설비의 압축단자(7)로부터 연장되어 나온 리드선(5)과 그 일측이 연결되어 있는 접지부재 본체부(1)와, 상기 본체부(1)의 외측에 설치된 다수개의 침상봉(3)으로 구성되어 있다.

이때 상기 접지부재의 본체부(1)는 대략 직육면체 형상의 판상 구조로 되고, 상기 판상의 본체부(1) 상부에 침상봉(3)이 그 길이 방향으로 가로 및 세로 방향으로 배열되어 있다. 또한 상기 침상봉(3)은 소정길이의 봉으로 형성되되, 그 선단부가 침과 같이 뾰족한 형상으로 형성된다.

상기 침상봉(3)은 낙뢰성 서지에대해서 침의 뾰족한 끝 선단부분에서 방전이 일어나도록 하여 뇌써지전압을 빨리 소멸시킴으로써 임펄스 임피던스를 저감하며, 일반 접지봉과 비교하여 방전량, 시간적 특성에서 상당히 우수한 효과를 보이고 있다.(도 3a 및 도 3b 참조)

또한 다중뢰지역, 토양의 고유저항이 높은 지역, 용지확보가 곤란한 개소, 동절기에 결빙되어 토양의 고유저항이 높아지는 지역등에 설치하면 접지저항 저감측면에서 상당히 효과가 있음을 확인할 수 있다. [(표 1) 및 (표 2)참조]

이미 앞에서 언급한 바와 같이, 접지저항의 저감효과는 주로 지중방전의 발생이 주 원인이며, 2차적으로는 전극과 대지와의 접촉저항이나 토양 비저항의 변화 등도 고려되어야 한다. 또한 지중방전은 충격전류와 공히 단시간에 생성 소멸되고 그 형상도 시시각각으로 변화하여 불투명한 공간 중에서 직접적으로 관찰하는 것은 가스중의 코로나와는 달리 상당히 곤란하다.

따라서 본 발명에서는 지중의 전극직하에 X-선 필름을 수직으로 매설하여 지중에서 발생한 방전현상을 필름상의 영상으로써 출력한 것으로 영상의 크기, 형상으로부터 접지저항을 계산하면 실험치와 비교적 잘 일치한다는 점에서 이 방법을 채택하였다.

도 2a 와 도 2b 는 지중방전현상을 촬영하기 위해 지중에 매설된 접지저항 저감장치의 접지부재(30,50)와 필름(9)의 위치를 도시한 도면이다.

상기 도면을 참조하면, 도 2a 의 필름(9a) 위치는 수평으로 뻗어있는 침상봉(3)의 지중방전의 현상을 관찰하기 위한 필름의 위치를 나타내었고(이때에는 고안된 침상봉 2개를 조합하여 사용하면 가능함), 이에 해당하는 방전촬영 사진을 도 3a 에 도시하였다.

한편, 도 2b 의 필름(9b) 위치는 수직으로 뻗은 침상봉(3)의 단부에서 일어나는 현상을 나타내고 있고, 여기에 해당하는 지중 방전촬영 사진을 도 3b 에 도시하였다.

즉, 도 3a 는 침상봉(3)의 방향은 지면과 수평으로 배열되게 하고, 깊이는 지하 50 [cm] 의 깊이로 매설한 후 충격전압 발생장치(Impulse Generator; 이하 IG 라 칭함)를 이용하여 첨두치 1μs, 매질은 석분, 인가전압 42 [kV] , 대지전위상승 24 [kV] 의 조건으로 하여 상부에서 촬영한 지중방전사진이다.

여기서 오른쪽이 전류가 유입되는 방향이며, 그림에서 알 수 있듯이 인입점에서의 방전효과가 가장 크고, 두 번째는 다소 적고, 세 번째는 두 번째보다 다소 크다가 점점 세력이 약해지는 특성을 알 수 있다.

또한 상기 시험뿐에서만이 아니고 다른 유사한 경우에서도 같은 경향을 나타내 보임을 알 수 있었다.

도 3b 는 침상봉(3)의 침을 필름과 1 [cm] 의 간격을 두되, 지표면과 수직이 되도록 배열한 상태에서 위에서 아래로 보는 방향에서 촬영한 사진이며, 사진의 왼쪽이 전류유입 방향이 된다.

상기의 경우에 있어서도 첫 번째의 방전이 크게 일어나고,두 번째는 다소 작다가 세 번째부터 다시 줄어드는 상기 도 3a의 설명과 유사한 경향성을 나타낸다.

또한, 아래의 (표 1), (표 2)및 (표 3)은 본 발명의 접지저항 저감장치인 침상봉(3)의 효과를 제시하기 위하여 여러 가지의 급준파를 인가하였을때의 일반봉 1개와 본 발명에서 제안한 침상봉 1개를 사용했을 때의 임펄스 임피던스 저감효과를 비교하는 표이다.

한편, 보통의 일반적인 전기 구조물은 대지에 설치되고, 여기에 반드시 수반되는 구조물이 콘크리트이므로 도전성 콘크리트가 아닌 일반 콘크리트 내부에 일반봉과 침상봉을 넣어 콘크리트 궤를 만들고 이 궤를 대상으로 임펄스 시험을 시행하였으며 그 결과를 아래의 (표 3)에 나타내었다.

모래토양을 대상으로한 임펄스 임피던스 측정시험 결과

(방전이 없는 경우 / 방전의 경우), 함수율 : 1.93
	대 상	0.5μs	%	1μs	%	6.56μs	%	상용접지저항[Ω]
1	침상봉	283/194	61/42	245/186	64/49	258/180	37/26	891
2	일반봉	461/243	100/53	382/237	100/62	694/266	100/38	1474

석분토양을 대상으로한 임펄스 임피던스 측정시험결과

(방전의 경우 / 방전없는 경우) 함수율 : 1.14
	대 상	0.5μs	%	1μs	%	6.56μs	%	상용접지저항[Ω]
1	침상봉	210/120	60/34	201/103	57/30	376/231	82/50	601
2	일반봉	353/150	100/43	350/153	100/44	458/355	100/78	1338

콘그리트 내부에서의 임펄스 임피던스

임펄스 임피던스(방전무/방전유)
대 상	0.5μs 파두장	1μs 파두장	상용주파 접지저항
침상봉	62/20 (28[kV])	64/36 (24[kV])	80[Ω]
일반봉	62/24 (42[kV])	64/38 (47[kV])	80[Ω]
	( ) : 방전개시전압

상기 표 1, 표 2, 표 3은 방전이 일어난 경우와 일어나지 않은 경우의 임펄스 임피던스를 비교하고, 제안된 침상봉과 일반봉의 임펄스 임피던스를 비교한다.

이때 상기 각 표에서 ' / ' 앞의 수치는 방전이 없는 경우이고, ' / ' 후의 수치는 방전이 일어난 경우의 임펄스 임피던스이고 ' % '는 일반봉을 100%로 했을 때의 임펄스 임피던스이다.

상기 실험결과를 보면, 일반봉의 경우에도 방전이 일어나고 방전에 의한 감소비율도 상당히 크다는 것을 알 수 있다. 그러나 이것은 방전이 없을 때의 임펄스 임피던스가 크기 때문이다.

이미 앞에서 방전현상을 설명하면서 언급이 되었지만, 본 발명의 침상봉과 일반봉의 가장 큰 차이점은 방전개시전압이 서로 다르다는 것이다. 즉 토양, 수분, 급준도등에 의해서 다소의 영향을 받지만 본 발명의 침상봉은 대지전위상승이 20 [kV] ∼30 [kV] 에서 일어나고, 일반봉은 40 [kV] ∼50 [kV] 사이에서 일어난다.

이때 방전개시전압이 낮다는 의미는 대지전위상승의 억제효과가 낮은 대지전위상승에서도 크다는 의미이므로 방전개시전압이 낮을수록 임펄스 임피던스의 저감효과가 큰 것을 의미한다.

한편, 도 4 내지 도 6 은 본 발명에 따른 접지저항 저감장치의 또 다른 실시예를 도시한 것으로서,

도 4 는 2개의 접지부재(30)를 각각 접합시켜 형성한 접지저항 저감장치의 구조를 도시한 도면이다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 두 개의 접합부재(30)를 상하로 접합시킬 경우, 접합부분(11)을 중심으로 침상봉(3)이 본체부(1)의 양측으로 배열된 형태의 구조를 형성한다.

도 5 는 접지부재를 종래의 침상봉의 구조와 같이 수직으로 시공 가능하도록 설계된 본 발명의 접지저항 저감장치의 구조를 도시한 도면이다.

즉, 접지부재 본체부(13)를 수직 시공이 가능하도록 종래의 접지봉과 같이 형성하고, 상기 접지봉의 주위로 침상봉(3)을 결착시킨 형태로 구성한 것이다.

도 6 은 접지부재 본체부(1)와 다수개의 침상봉(3)으로 이루어진 단위 접지부재(30) 4개를 결합시킨 구조이다.

이때 결합시키는 상기 단위 접지부재(30)의 수는 3∼6개로 달리하여 형성할 수도 있다.

한편, 상기 예시된 본 발명의 접지저항 저감장치의 각 실시예에 있어서, 접지부재 본체부(1) 및 침상봉(3)의 재질을 내구성이 있는 스테인레스 스틸로 하여 자연부식과 전식 등의 부식현상을 방지하여 실용성을 향상시킬 수 있다.

이상 상술한 바와 같은 본 발명의 접지저항 저감방법은 낙뢰성 서지에대해서 방전이 쉽게 일어나도록 침의 끝부분을 뾰족하게 하여 뇌서지전압을 빨리 소멸시킴으로써 임펄스 임피던스를 저감하며, 서지의 특성을 알 수 있을 뿐만 아니라 각종 전기 공급 설비의 운전 및 유지·보수에 활용하여 전기설비의 수명 연장 및 인축에 대한 안전성을 확보 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 낙뢰에 의한 전기설비의 장애발생을 방지하기 위해 과도상태에서의 접지저항인 임펄스 임피던스를 저감시키기 위한 접지저항 저감방법에 있어서,

   상기 전기설비의 리드선과 연결되며 지중에 매설되는 접지부재의 본체부 외측에 선단부가 뾰족한 침상봉을 다수개 설치하여 낙뢰성 서지에 대해 상기 침상봉의 선단부에서 지중방전이 발생되도록 하여 뇌서지 전압을 조기에 소멸시키는 것을 특징으로 하는 지중방전을 이용한 접지저항 저감방법.
2. 낙뢰성 서지에 대해 지중에 매설된 접지부재에서의 방전이 쉽게 일어나도록 유도하여 뇌서지 전압을 조기에 소멸시킴으로써 전기설비의 장애발생을 방지하는 접지저항 저감장치에 있어서,

   상기 접지부재는 상기 전기설비의 리드선과 연결되며, 지중에 매설되는 소정 형상의 본체부와,

   상기 접지부재 본체부의 외측 표면부에 결착되며, 선단부가 뾰족한 침형상으로 된 다수개의 침상봉으로 구성되는 것을 특징으로 하는 접지저항 저감장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 침상봉의 직경은 1㎝∼3㎝ 인 것을 특징으로 하는 접지저항 저감장치.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 침상봉은 내구성이 높은 스테인레스 스틸로 형성된 것을 특징으로 하는 접지저항 저감장치.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 접지부재 본체부의 형상은 판상이고, 상기 판상의 본체부 상부 또는 하부에 결착되는 침상봉은 가로 및 세로 방향으로 일정하게 배열된 것을 특징으로 하는 접지저항 저감장치.
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 접지저항 저감장치는 접지부재 본체부와 상기 본체부에 결착된 침상봉으로 이루어진 단위 접지부재가 4∼6개 결착되어 형성된 것을 특징으로 하는 접지저항 저감장치.