KR20050063009A - 가변주파수 전류를 이용한 대지 고유 임피던스의 측정장치 및 방법 - Google Patents

가변주파수 전류를 이용한 대지 고유 임피던스의 측정장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주파수가 가변되는 측정전류를 발생하는 측정전류 발생부; 보조전극; 상기 제1, 제2 보조전극을 연결하되, 전위검출 포설전선을 수직으로 교차하며 연결된 전류인가 포설전선; 측정전류를 검출하는 검출용 변성기(CT); 접지전위를 측정하기 위한 제3, 제4 보조전극; 전위검출 포설전선; 접지 전위를 측정하는 전위상승 검출부; 절연분리기; 아날로그/디지털(A/D) 변환기; 대역통과필터; 위상차를 검출하는 감산기; 파형크기 검출기; 대지저항/리액턴스 계산기;를 포함하는 가변주파수를 이용한 대지 고유 임피던스 측정 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 실제 대지의 등가회로의 용량 성분과 저항 성분 등이 결합된 대지고유임피던스를 측정하여 향후 시설될 접지시스템의 설계 및 보완시의 중요한 기초 자료로써 이용될 수 있다.

Description

가변주파수 전류를 이용한 대지 고유 임피던스의 측정 장치 및 방법{A Device and Method for Measuring the Soil Resistivity Using Variable Frequency Currents}
본 발명은 가변주파수를 이용한 대지 고유 임피던스 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 대지고유임피던스를 측정하기 위하여 인가하는 전류에 주파수 변환 개념을 부가하고 필터링 및 대지고유임피던스를 분석하는 알고리즘을 구사하여 대지고유임피던스를 측정하는 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
접지시스템을 설계할 때에 가장 중요한 포인트는 대지파라미터이다. 대지파라미터란 지층의 종류, 두께와 이의 대지저항률을 말한다. 토양은 그것이 완전히 건조상태이면 전기를 잘 통하지 않는다. 그러나 토양의 주 성분인 규산(SiO2)나 산화알루미늄(Al2O3)의 특성상 대지가 수분을 함유하게 되면 대지의 저항률은 급격한 감소를 보인다. 따라서 대지의 종류나 수분의 함유량 등에 따른 특정 대지의 대지저항률을 측정하여 그것의 데이터를 기초로 하여 접지시스템을 설계하게 된다.
종래에는 변전소나 대규모의 접지시스템을 건설하기 전에 대지저항률 즉, 대지의 저항성분만을 측정하여 피접지물의 접지시스템을 설계 및 시설하였다. 이러한 방법으로 시설된 접지시스템은 고주파 성분을 포함하는 뇌서지나 대규모 접지시스템에서 접지임피던스의 복잡 다양한 양상에 대한 문제에 대처할 수 없는 문제점이 있었다. 즉, 접지임피던스의 저항성, 용량성, 유도성 특성을 대지고유저항만으로는 명확히 해석하기가 어렵거나 불가능하였다.
도 1은 대지의 전기적 등가 모델을 도시한 도면이다. 최근 도 1에 도시된 바와 같이 대지의 등가 모델은 저항성분과 용량성분의 직병렬 배치로 이루어져 있는 것으로 알려졌다. 이러한 등가 모델과 같이 대지파라미터를 저항분만으로 측정시에는 오차가 발생하게 된다. 오차를 포함한 대지저항률로 접지시스템을 시설하게 되면 설계시 기대했던 접지의 역할을 제대로 발휘하지 못하는 문제점이 있었다.
최근에는 단순히 피접지물과 대지를 전기적으로 접속한다는 개념에서 벗어나 접지전극의 형상과 시공기법에 많은 발전이 있었다. 특히 접지의 목적이 전력계통의 고장전류 방출에서부터 모든 계통을 등전위로 한다든지 감전방지 및 기기손상방지, 제어계측 시스템의 안정화 도모, 뇌전류의 안전한 방출 등과 같이 접지의 목적이 다양화 하고 있다. 이러한 접지시스템의 다양화로 인하여 접지시스템에는 복잡 다양한 주파수 성분을 포함하게 되었다. 하지만 접지시스템의 설계 및 평가시 50 ∼ 200Hz부근의 특정 주파수에 의한 결과만을 이용하고 있어 실제 접지시스템의 운용시 기대했던 안전성 및 특성을 발휘하지 못하는 문제점이 발생하고 있다.
대지는 여러 가지 대지저항률을 가진 토양의 집합체로 여러 층을 이루고 있는데 수평지층이나 경사층, 만곡층 등이 있다.
도 2a는 수평 2층 구조 대지 모델을 도시한 도면이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 대지의 ρ - a 곡선을 도시한 도면이다.
대지가 도 2a와 같이 상층의 대지저항률 ρ1, 두께 d1, 하층이 ρ2, d 2의 수평 2층 구조인 경우를 보자. ρ1과 ρ2의 크기에 따라 대지의 ρ - a 곡선은 (a)는 ρ1 < ρ2인 경우, (b)는 ρ1 > ρ2인 경우이다. 대지가 (a)와 같은 구조인 경우 하층의 ρ2가 크기 때문에 전극을 깊이 박아도 접지저항은 감소하지 않고 이 경우는 상층 대지를 이용하는 편이 유리하고 낮게 박는 병렬접지공법을 채용하는 것이 좋다. 반면 (b)와 같은 대지에서는 접지전극을 깊게 시공하는 것이 접지저항의 저감에 유리하다.
도 2c는 수평 3층 구조 대지 모델을 도시한 도면이다.
도 2d는 도 2c에 도시된 대지의 ρ - a 곡선을 도시한 도면이다.
한편 도 2c와 같이 수평 3층 구조인 경우를 보면, 각 지층의 대지저항률 ρ1, ρ2, ρ3 의 값에 따라 (a) ρ1 < ρ2 > ρ3 인 경우, (b) ρ1 > ρ2 < ρ3 인 경우의 ρ - a 곡선이 얻어지는데, 비교를 쉽게 하기 위해 중간층의 ρ2를 기준으로 나타내고 있다. (a)는 ρ1, ρ2에 비해 ρ2가 큰 경우이고, (b)는 ρ2가 작은 경우이다.
도 3은 웨너의 4극 전극법을 도시한 도면이다.
웨너(Wenner) 4전극법은 현재까지는 대지저항률을 측정할 때 가장 많이 사용되는 방법이다. 이것은 4개의 접지전극이 지표면에 설치되어 접지전극간에 흐르는 전류 I와 접지전극간에 걸리는 전압 V를 측정하여 대지저항률을 추정하는 방법으로, 외부측의 두 접지극 C1과 C2 사이에 전원을 연결해서 대지에 전류를 흘리고, 내부측 두 접지전극 P1과 P2 사이에 생기는 전위차를 측정하여 V/I로부터 접지저항 R 을 구할 수 있으며, 각각의 접지전극의 간격을 a[m]라 하면 대지저항률 ρ[Ω·m]는 다음과 같이 산출할 수 있다. 먼저, 대지저항률 ρ인 대지에 접지전극을 설치하고, 이 접지전극에 전류 I가 유입시킨 경우 전류가 접지전극에서 주위의 대지로 방사상으로 유출된다고 가정하면
V = (ρI)/ (2πr) (1-1)
가 된다. 도 3에서 C1, P1, P2, C2의 전극이 설치되어 있는 경우, C1으로 유입하는 전류에 의하여 전극 P1과 P2 사이에 생기는 전위차 V1은
V1 = (ρI)/ (2πa) - (ρI)/ (4πa) = (ρI)/ (4πa) (1-2)
이다. 마찬가지로 C2로 유출하는 전류에 의하여 전극 P1과 P2 사이에 생기는 전위차 V2는
V2 = - (ρI)/(4πa) + (ρI)/(2πa) = (ρI)/(4πa) (1-3)
이다. 전극 P1과 P2 사이에 발생하는 전위차 V는 V1 과 V2의 합으로 구할 수 있으므로 식 (1-2)과 (1-3)로부터
V = V1 + V2 = (ρI)/(2πa) (1-4)
이다. 따라서 식 (1-4)으로부터 ρ를 구하면,
ρ= 2πa V / I (1-5)
이 되어, 대지저항률 ρ를 구할 수 있게 된다.
위 식에 의하면 ρ를 구할 때는 반드시 전극간 거리 a가 전극이 묻히는 깊이 보다 훨씬 커야 한다. 즉, 전극의 형상을 반구형으로 근사화시킬 수 있는 조건을 만족하여야 한다.
기존의 대지저항룰에 의한 대지특성분석은 대지를 단순한 저항체로 가정하였으므로 도 1과 같은 실제의 대지특성을 분석하는데 있어서 문제점이 있었다. 또한 최근 다양한 전자/통신 기기들의 발전과 보급으로 접지시스템에 유입되는 접지전류의 주파수 대역이 다양해 졌으며, 뇌서지와 같은 빠른 상승시간을 가지는 고장전류에 대해서는 대지고유임피던스 차원의 분석이 필요하게 되었다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 높은 측정전류를 인가함으로써 대지 고유임피던스 측정의 오차를 줄일 수 있는 가변주파수를 이용한 대지 고유 임피던스 측정 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 전류 보조전극과 전위보조전극의 중첩루프에서 발생하는 자기 결합으로 인한 대지 고유임피던스 측정의 오차를 줄일 수 있는 가변주파수를 이용한 대지 고유 임피던스 측정 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 저항 성분뿐만 아니라 용량 성분도 포함하는 대지 고유임피던스를 분석할 수 있는 가변주파수를 이용한 대지 고유 임피던스 측정 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 주파수가 가변되는 측정전류를 발생하는 측정전류 발생부; 상기 측정전류를 대지에 인가하기 위한 제1, 제2 보조전극; 상기 제1, 제2 보조전극을 연결하되, 전위검출 포설전선을 수직으로 교차하며 연결된 전류인가 포설전선; 상기 전류인가 포설전선으로부터 측정전류를 검출하는 검출용 변성기(CT); 상기 제1, 제2 보조전극이 이루는 일직선 상 사이의 1/3, 2/3 지점에 위치하며, 상기 측정 전류에 의한 접지전위를 측정하기 위한 제3, 제4 보조전극; 상기 제3, 제4 보조전극에 직선으로 연결된 전위검출 포설전선; 상기 전위검출 포설전선으로부터 상기 인가된 측정전류에 의한 접지 전위를 측정하는 전위상승 검출부; 상기 검출용 변성기와 상기 전위상승 검출부에서 측정된 신호를 절연분리시키는 절연분리기; 상기 절연분리된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털(A/D) 변환기; 상기 변환된 신호를 저역측 차단주파수와 고역측 차단주파수를 이용 필터링하여 측정전류와 접지전위의 파형을 출력하는 대역통과필터; 상기 측정전류와 상기 접지전위의 위상차를 검출하는 감산기; 상기 접지전위 파형의 크기를 측정전류 파형의 크기로 나누어 구한 대지임피던스와 제1, 제3 보조전극 간의 거리를 이용하여 대지저항률을 구하는 파형크기 검출기; 상기 위상차와 상기 대지저항률을 이용하여 저항성분과 리액턴스성분을 계산하는 대지저항/리액턴스 계산기;를 포함하는 가변주파수를 이용한 대지 고유 임피던스 측정 장치를 제공한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 전류인가 포설전선을 통해 가변적인 주파수를 갖는 측정전류가 대지에 인가되는 단계; 상기 측정전류가 검출되는 단계; 상기 전류인가 포설전선에 수직으로 교차하는 전위검출 포설전선으로부터 상기 인가된 측정전류에 의한 접지 전위가 측정되는 단계; 상기 측정전류와 접지전위가 절연 분리되는 단계; 상기 절연분리된 상기 측정전류와 접지전위가 디지털 신호로 변환되는 단계; 상기 변환된 측정전류와 접지전위가 저역측 차단주파수와 고역측 차단주파수를 이용 필터링되어 파형으로 출력되는 단계; 상기 측정전류와 상기 접지전위의 위상차가 검출되는 단계; 상기 접지전위 파형의 크기를 측정전류 파형의 크기로 나누어 구한 대지임피던스와 제1, 제3 보조전극 간의 거리를 이용하여 대지저항률이 구해지는 단계; 상기 위상차와 상기 대지저항률을 이용하여 대지저항과 대지 리액턴스가 계산되는 단계;를 포함하는 가변주파수를 이용한 대지 고유 임피던스 측정 방법을 제공한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 대지고유임피던스 측정 장치의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예인 대지고유임피던스 측정 장치는 보조전극 (11,12,13,14), 전류인가 포설전선(20), 전압측정 포설전선(30), 측정전류 발생부(40), 측정전류 및 전위상승 검출부(51,55), 절연분리기(60), 대지고유임피던스 측정부(300)를 포함한다.
보조전극(11)을 통해 대지에 측정전류를 인가하며, 보조전극(12)으로 전류가 귀환된다. 보조전극(13,14)을 통해 측정 전류에 의한 접지전위 상승을 측정한다.
도 5a는 도 4에 도시된 인버터의 구성을 도시한 도면이다.
측정전류 발생부(40)는 피측정 접지전극에 측정전류를 인가하는 인버터(41)와 소정의 주파수를 가진 구형파를 가변적으로 인가할 수 있는 인버터 컨트롤러(43)를 포함한다. 측정전류를 인가하는 인버터(41)는 2개의 아이지비티(IGBT;Insulated Gate Bipolar Transistor) 모듈, 정류기 및 콘덴서로 구성되어 있다.
인버터(41)는 0.1A ~ 10A까지의 출력전류를 인가할 수 있는 용량을 가지고 있다. 일정한 부하를 가질 때 전류의 가변은 전압을 가변하는 방법을 사용한다. 출력전류는 인가전압과 부하임피던스의 비에 의해서 결정되는데 슬라이닥스를 이용하여 전압을 가변시켜 준다.
도 5b는 도 4에 도시된 인버터 컨트롤러의 구성을 도시한 도면이다.
인버터 컨트롤러(Voltage-Frequency 컨버터 회로)(43)는 Analog Device社의 AD654 Chip을 사용하여 10Hz ~ 500kHz의 주파수를 가진 구형파를 가변적으로 인가할 수 있는 성능을 가지고 있다. 발진용 콘덴서(Ct)에 의해 최대 발진주파수가 결정되며, 가변저항(VR1)을 가변시켜 줄 때 전위(Et)가 변동하게 되어 최대 발진주파수 범위 내에서 IGBT의 구동신호의 주파수를 조정할 수 있다.
측정전류(IT)를 검출하기 위해 측정전류 검출부(CT:Current Transformer) (51)를 대지위의 전류인가 포설전선(20)에 연결한다. 또한 접지전위 상승을 측정하기 위한 대지 위의 전위검출 포설전선(30)에 전위상승 검출부(전압프루브)(55)를 설치한다.
도 6은 전류인가 포설전선과 전위검출 포설전선의 모양을 도시한 도면이다. 이는 전선이 지표면 위에 놓여진 모양이다. 전류인가 포설전선(20)은 전류인가 보조전극(11) 및 전류귀환 보조전극(12)을 양 끝점으로 한 니을(ㄹ)자 모양으로 연결된다. 전위검출 포설전선(30)은 2개의 전위측정 보조전극(13,14)에 직선으로 연결된다.
도 6에 도시된 바와 같이 각각의 보조전극(11, 13, 14, 12) 사이의 거리는 a이며 일직선상에 놓인다. 전류인가 포설전선(20)은 보조전극(11)에서 보조전극(11, 13, 14, 12)들이 이루는 선과 수직을 a거리만큼(a거리 이상도 가능함) 직선으로 늘여진다. 그리고 보조전극(11, 13, 14, 12)들이 이루는 선과 평행하게 늘여진 후 전위측정 보조전극(13,14) 사이의 중심점에서 수직으로 교차하도록 꺾여져 반대방향으로 늘여진다. 보조전극(11, 13, 14, 12)들이 이루는 선과 a거리만큼 떨어진 지점에서 다시 90도 꺾여진다. 꺾여진 전류인가 포설전선(20)은 보조전극(11, 13, 14, 12)들이 이루는 선과 평행하게 늘여진 후 다시 90도 꺾여져 보조전극(12)과 연결된다.
도 6에서는 전류인가 포설전선(20)과 전위검출 포설전선(30)이 수직으로 교차하는 바람직한 예를 보인 것이다. 따라서 니을(ㄹ)자 형태 뿐만 아니라 곡선 등 여러 형태를 하더라도 양 전선이 수직으로 교차하는 것을 포함한다.
대지저항률 측정시 a는 토양의 구조에 따라 적당한 범위 내에서 변화시켜주면서 a에 대한 대지저항률 변화그래프로 분석한다. 따라서 a가 증가하면 측정선 사이의 거리도 따라서 증가시켜 준다.
이러한 방법으로 전류인가 포설전선(20)과 전위검출 포설전선(30) 사이의 자기결합(磁氣結合)에 의한 영향을 제거할 수 있다. 즉 직각방향으로 교차하는 루프를 적용함으로써 쇄교되는 자속의 일부를 상쇄시켜 고주파 측정시 크게 발생하는 오차를 상당부분 감소시킬 수 있다.
도 7a, 7b는 쇄교자속의 유무에 따른 접지전위의 측정파형을 도시한 도면이다. 도 7a는 쇄교자속이 존재하는 경우에 측정된 접지전위의 파형을 나타내며, 도 7b는 쇄교자속을 상쇄시킨 경우에 측정된 접지전위의 파형을 나타낸다. 도 7b에 나타난 파형은 도 7a에 나타난 파형에 비하여 오차성분이 상당히 감소된 것을 알 수 있다.
측정전류 검출부(CT:Current Transformer)(51)와 전위상승 검출부(전압프루브)(55)에서 검출된 신호를 절연분리하기 위해 절연분리기(60)를 사용한다. 절연분리기(60)는 측정전류발생부(40)과 대지고유임피던스측정부(300)를 절연분리시켜 측정의 정확도를 향상시킨다.
측정전류 검출부(CT:Current Transformer)(51)에서 검출된 측정전류(IT)와 전위상승 검출부(전압프루브)(55)에서 검출된 접지전위는 절연분리기(60)를 통해 대지고유임피던스 측정부(300)로 보내진다.
대지고유임피던스 측정부(300)는 A/D 변환기(310), 필터부(320), 대지고유임피던스 분석부(330)를 포함한다.
도 8은 대지고유임피던스 측정부(300)의 구성을 도시한 도면이다.
A/D 변환기(310)에 인가된 측정전류(IT)의 파형과 접지전위(VEP)의 파형은 디지털 신호로 변환된 후 서로 다른 채널을 통해 각각 디지털 방식의 대역통과필터(322, 324)로 인가된다.
도 9a,9b는 A/D 변환기(310)의 인가전류와 접지전위 파형을 도시한 도면이다. 도 8a에 도시한 파형은 A/D 변환기(310)에서 표시하는 인가전류, 도 9b에 도시한 파형은 A/D 변환기(310)에서 표시하는 측정전위를 나타낸다.
본 발명에서 고안한 소프트웨어 필터 알고리즘을 이용한 필터부(320)는 디지털 변환된 신호를 검출된 주파수로 필터링한다. 소프트웨어 필터 알고리즘은 측정된 인가전류의 주파수로부터 대역통과 필터의 저역측 및 고역측 차단주파수가 일정하게 설정되는 알고리즘을 말한다. 여기서 주파수는 가변되므로 가변되는 주파수에 따라 차단주파수가 일정한 선택도(바람직하게는 선택도(selectivity)= 2)를 가지도록 재설정되도록 한다.
대역통과필터(322, 324)는 저역측 차단주파수(fCL)와 고역측 차단주파수(fCH)를 입력받는 Butterworth형 필터이며, 저역측 차단주파수(fCL)와 고역측 차단주파수(fCH)는 주파수 검출기(326)에서 검출한 A/D 변환기의 출력 주파수(f)를 이용하여 필터 구동부(328)에서 계산된다. 필터 구동부(328)는 계산된 차단주파수(fCL, fCH)를 이용해 대역통과필터(322, 324)를 구동시킨다. 이때, 대역통과필터(322, 324)의 선택도(selectivity)는 바람직하게는 2이다. 이때, 대역통과필터(322, 324)에서 각각 필터링된 후 출력되는 전류와 전압의 파형은 모두 정현파가 된다.
도 10a, 10b는 필터부(320)에서 출력되는 측정전류와 접지전위 파형을 도시한 도면이다. 도 10a에 도시한 파형은 필터부(320)에서 표시하는 인가용 측정전류, 도 10b에 도시한 파형은 필터부(320)에서 표시하는 접지전위를 나타낸다.
위상검출기(331)는 대역통과필터(322)에서 출력되는 전류정현파의 위상(θ1)을 검출하고, 위상검출기(332)는 대역통과필터(324)에서 출력되는 전압정현파의 위상(θ2)을 검출한다. 감산기(333)는 검출된 두 위상의 차(θ)를 구한 후 이를 위상표시기(338)로 출력하며, 위상표시기(338)는 이를 도 11b와 같이 화면에 디스플레이 한다. 도 11b는 대지고유임피던스의 위상을 도시한 도면이다. 위상은 주파수가 변화함에 따라 바뀐다.
파형크기검출기(334)는 대역통과필터(322)에서 출력되는 전류정현파의 크기(Amplitude와 RMS)를 검출하고, 파형크기검출기(335)는 대역통과필터(324)에서 출력되는 전압정현파의 크기(Amplitude, rms)를 검출한다. 대지고유임피던스계산기(336)는 검출된 전압정현파의 크기를 전류정현파의 크기로 나누어 대지임피던스(Z)를 구한 후 이를 대지고유임피던스계산기(336-2)로 출력한다. 대지고유임피던스계산기(336-2)는 전극간격입력부(336-1)로부터 입력받은 보조전극간의 간격 a와 대지임피던스(Z)를 이용하여 대지저항률(ρ)을 계산한다. 임피던스표시기(339)는 계산된 대지저항률의 주파수 특성 그래프를 도 11a와 같이 화면에 디스플레이 한다. 도 11a는 대지저항률을 도시한 도면이다. 대지저항률은 주파수가 변화함에 따라 바뀐다.
대지저항/리액턴스계산기(337)는 감산기(333)에서 계산된 전류와 전압의 위상차(θ)와 대지고유임피던스계산기(336-2)에서 계산된 대지저항률(ρ)를 이용하여 저항성분(R = ρcosθ)과 리액턴스 성분(X = ρsinθ)을 계산한 후 이를 대지저항/리액턴스표시기(340)로 출력한다. 대지저항/리액턴스표시기(340)는 대지저항률로부터 각각 저항성분과 리액턴스 성분을 분리하여 도 11c 및 도 11d처럼 그래프로 나타나며, 이 때의 위상변화도 그래프로 나타내어진다. 도 11c와 11d는 각각 대지저항률의 저항성분과 리액턴스성분을 도시한 도면이다. 이들은 주파수가 변화함에 따라 바뀐다.
그리고, 본 발명의 대지고유임피던스측정부(300)는 PC 기반에서 이루어지므로, 대지고유임피던스분석부(300)에서 검출 및 분석된 결과를 하드디스크(데이터베이스)에 저장하고 LAN 등을 이용하여 원격으로 전송해 줌으로써 원격감시도 가능하게 해준다.
도 12는 가변주파수를 이용한 대지 고유 임피던스 측정 방법을 도시한 도면이다.
전류인가 포설전선(20)을 통해 가변적인 주파수를 갖는 측정전류가 측정전류 발생부(40)로부터 2개의 보조전극(11,12)을 통해 대지에 인가된다(710단계)
상기 측정전류가 CT(51)에서 검출된다(720단계)
상기 전류인가 포설전선에 수직으로 교차하는 전위검출 포설전선으로부터 상기 인가된 측정전류에 의한 접지 전위가 전압프루브(55)에서 측정된다(730단계).
상기 측정전류와 접지전위가 절연분리기(60)에서 절연 분리된다(740단계).
상기 절연분리된 상기 측정전류와 접지전위가 디지털 신호로 A/D 변환기(310)에서 변환된다(750단계).
상기 변환된 측정전류와 접지전위가 저역측 차단주파수와 고역측 차단주파수를 이용하여 필터부(320)에서 필터링되어 파형으로 출력된다(760단계).
상기 측정전류와 상기 접지전위의 위상차가 감산기(333)에서 검출된다(770단계).
상기 접지전위 파형의 크기를 측정전류 파형의 크기로 나누어 구한 대지임피던스와 제1, 제3 보조전극 간의 거리를 이용하여 대지저항률이 대지임피던스계산기 (336-2)에서 구해진다(780단계)
상기 위상차와 상기 대지저항률을 이용하여 대지저항과 대지 리액턴스가 대지저항/리액턴스계산기(337)에서 계산된다(790단계).
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 실제 대지의 등가회로의 용량 성분과 저항 성분 등이 결합된 대지고유임피던스를 측정하여 향후 시설될 접지시스템의 설계 및 보완시의 중요한 기초 자료로써 이용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 최대 10A의 큰 측정전류를 인가함으로써 도심지나 전력선 근처에서의 부유 노이즈에 의한 고유임피던스의 측정의 오차를 최소할 수 있다. 즉, 일반적인 대지저항률 측정장치는 수 십[mA]의 전류를 인가하므로 S/N비가 작아 측정오차를 유발하기 쉽다. 이에 반하여 본원발명에서 수 [A]의 인가전류는 전위상승의 명확한 파형으로 인하여 측정의 정확도가 향상된다.
종래의 측정법에서 일반적으로 사용하는 전류보조전극과 전위보조전극의 중첩루프에서 발생하는 자기결합(磁氣結合)에 의한 측정값의 오차를 감소시키기 위해서, 특정부위에서 직각방향으로 교차하는 루프를 적용함으로써 쇄교되는 자속의 일부를 상쇄시켜 고주파 측정시 크게 발생하는 오차를 상당부분 감소시킬 수 있다.
실제 대지의 등가 회로에는 기존에 알려져 있던 저항성분만이 아니라 용량성분도 포함(도 6d에서 리액턴스 성분은 바로 임피던스의 허수부로 용량성 및 유도성 성분을 나타내고 도 6b에서 위상그래프로 용량성 특성을 확인할 수 있다)한다. 또한 대규모의 접지시스템에서의 긴 접지도체에 의한 인덕턴스가 존재하고 있어 기존의 Wenner 4전극법 대지저항률에 기초한 접지시스템은 설계시 기대했던 안전성 및 특성을 감소시킬 수 있었는데 본 발명에 따라 측정된 대지 고유 임피던스에 근거해서 접지시스템을 설계함으로써 실제 운용 중에 발생하는 고주파수 성분에 대한 취약점에 대한 대책이 될 수 있다.
본 발명을 이용하여 동절기의 동결이나 하절시의 우천과 같은 여러 대지 조건 변화에 따른 대지고유임피던스의 변화를 관찰함으로써 대지의 특성 파악 및 접지 시스템을 시설하기 전에 중요한 자료로써 이용될 수 있다.
도 1은 대지의 전기적 등가 모델을 도시한 도면,
도 2a는 수평 2층 구조 대지 모델을 도시한 도면,
도 2b는 도 2a에 도시된 대지의 ρ - a 곡선을 도시한 도면,
도 2c는 수평 3층 구조 대지 모델을 도시한 도면,
도 2d는 도 2c에 도시된 대지의 ρ - a 곡선을 도시한 도면,
도 3은 웨너의 4극 전극법을 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 대지고유임피던스 측정 장치의 구성을 도시한 도면,
도 5a는 도 4에 도시된 인버터의 구성을 도시한 도면,
도 5b는 도 4에 도시된 인버터 컨트롤러의 구성을 도시한 도면,
도 6은 전류인가 포설전선과 전위검출 포설전선의 모양을 도시한 도면,
도 7a, 7b는 쇄교자속의 유무에 따른 접지전위의 측정파형을 도시한 도면,
도 8은 대지고유임피던스 측정부의 구성을 도시한 도면,
도 9a,9b는 A/D 변환기의 인가전류와 접지전위 파형을 도시한 도면,
도 10a, 10b는 필터부에서 출력되는 측정전류와 접지전위 파형을 도시한 도면,
도 11a는 대지저항률을 도시한 도면,
도 11b는 대지고유임피던스의 위상을 도시한 도면,
도 11c와 11d는 각각 대지저항률의 저항성분과 리액턴스성분을 도시한 도면,
도 12는 가변주파수를 이용한 대지 고유 임피던스 측정 방법을 도시한 도면이다.

Claims (6)

  1. 주파수가 가변되는 측정전류를 발생하는 측정전류 발생부;
    상기 측정전류를 대지에 인가하기 위한 제1, 제2 보조전극;
    상기 제1, 제2 보조전극을 연결하되, 전위검출 포설전선을 수직으로 교차하며 연결된 전류인가 포설전선;
    상기 전류인가 포설전선으로부터 측정전류를 검출하는 검출용 변성기(CT);
    상기 제1, 제2 보조전극이 이루는 일직선 상 사이의 1/3, 2/3 지점에 위치하며, 상기 측정 전류에 의한 접지전위를 측정하기 위한 제3, 제4 보조전극;
    상기 제3, 제4 보조전극에 직선으로 연결된 전위검출 포설전선;
    상기 전위검출 포설전선으로부터 상기 인가된 측정전류에 의한 접지 전위를 측정하는 전위상승 검출부;
    상기 검출용 변성기와 상기 전위상승 검출부에서 측정된 신호를 절연분리시키는 절연분리기;
    상기 절연분리된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털(A/D) 변환기;
    상기 변환된 신호를 저역측 차단주파수와 고역측 차단주파수를 이용 필터링하여 측정전류와 접지전위의 파형을 출력하는 대역통과필터;
    상기 측정전류와 상기 접지전위의 위상차를 검출하는 감산기;
    상기 접지전위 파형의 크기를 측정전류 파형의 크기로 나누어 구한 대지임피던스와 제1, 제3 보조전극 간의 거리를 이용하여 대지저항률을 구하는 파형크기 검출기;
    상기 위상차와 상기 대지저항률을 이용하여 저항성분과 리액턴스성분을 계산하는 대지저항/리액턴스 계산기;를 포함하는 가변주파수를 이용한 대지 고유 임피던스 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서
    상기 감산기, 상기 파형크기 계산기 및 상기 대지저항/리액턴스 계산기의 출력을 각각 표시하는 위상표시기, 임피던스 표시기 및 대지저항/리액턴스 계산기를 더 포함하는 가변주파수를 이용한 대지 고유 임피던스 측정 장치.
  3. 제 1항에 있어서
    상기 대역통과필터는 선택도가 2임을 특징으로 하는 가변주파수를 이용한 대지 고유 임피던스 측정 장치.
  4. 제 1항에 있어서
    측정전류 발생부는 0.1A ~ 10A까지 가변되는 측정전류를 발생하는 인버터와 상기 측정전류의 주파수를 10Hz ~ 500kHz까지 가변하는 인버터 컨트롤러를 포함함을 특징으로 하는 가변주파수를 이용한 대지 고유 임피던스 측정 장치.
  5. 제 1항에 있어서
    상기 전류인가 포설전선은 상기 제1, 제2 보조전극을 양 끝점으로 하여 니을(ㄹ)자 형태로 연결하되, 상기 제1, 제2 보조전극이 이루는 선에 평행한 위치의 전선 사이는 제1, 제3 보조전극 간의 거리만큼 떨어져 있으며, 전위검출 포설전선의 중간지점을 수직으로 교차하며 니을자 형태로 연결됨을 특징으로 하는 가변주파수를 이용한 대지 고유 임피던스 측정 장치.
  6. 전류인가 포설전선을 통해 가변적인 주파수를 갖는 측정전류가 대지에 인가되는 단계;
    상기 측정전류가 검출되는 단계;
    상기 전류인가 포설전선에 수직으로 교차하는 전위검출 포설전선으로부터 상기 인가된 측정전류에 의한 접지 전위가 측정되는 단계;
    상기 측정전류와 접지전위가 절연 분리되는 단계;
    상기 절연분리된 상기 측정전류와 접지전위가 디지털 신호로 변환되는 단계;
    상기 변환된 측정전류와 접지전위가 저역측 차단주파수와 고역측 차단주파수를 이용 필터링되어 파형으로 출력되는 단계;
    상기 측정전류와 상기 접지전위의 위상차가 검출되는 단계;
    상기 접지전위 파형의 크기를 측정전류 파형의 크기로 나누어 구한 대지임피던스와 제1, 제3 보조전극 간의 거리를 이용하여 대지저항률이 구해지는 단계;
    상기 위상차와 상기 대지저항률을 이용하여 대지저항과 대지 리액턴스가 계산되는 단계;를 포함하는 가변주파수를 이용한 대지 고유 임피던스 측정 방법.
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