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소연 사
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1 2014 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2014S186 동봉과탄소블록의접지임피던스의경년변화 Seasonal Variation of Ground Impedance for a Copper-rods and a Carbon-block 김선재 *, 정기우 *, 왕국명 *, 길경석 * Sun-Jae Kim *, Gi-Woo Jeong *, Guoming Wang *, Gyung-Suk Kil * Abstract This paper described the seasonal variation of ground impedance for a copper-rods and a carbon block buried in the ground. Ground impedance was measured by the fall of potential method specified in IEEE Std. 81 and by the application of a fast-rise step impulse, a 8/20us standard lightning impulse and a square waveform for 2 years periodically. Comparatively, ground impedance as ages showed no difference for the last 2 years, and ground impedance of the carbon block was lower at the square waveform and was higher at the fast-rise step impulse than that of the copper-rods. Keywords : Copper-rods, Carbon-block, Ground impedance, Fall of potential method, Seasonal variation 초록본논문에서는동봉과탄소블록을매설하여접지임피던스의경년변화에관하여기술하였다. 접지임피던스는 IEEE Std. 81의전위강하법으로급준파, 8/20us 표준뇌임펄스및구형파로 2년동안주기적으로측정하였다. 접지임피던스는지난 2년간큰변화는없었으며, 탄소블록의접지임피던스는동봉에비해구형파에서는낮게, 그리고급준파에서는높게나타났다. 주요어 : 동봉, 탄소블록, 접지임피던스, 전위강하법, 경년변화 1. 서론 전자제어장비및전력설비가과도전류에노출되면기기의오동작또는파손으로인해정보가손실되며, 인체에매우위험하다. 전력수요가증가하고다양한전력설비의높은신뢰성이요구되면서단락사고, 낙뢰및지락등에의해서발생되는고장전류및과도전류에대한예방기술이필요하다. 접지는위험전류를대지로흘려전위상승을억제함으로써각종전자, 통신장비및전력설비에서발생되는사고를예방할수있다 [1,2]. 접지저항은고장전류를단시간내에대지로흘려보내야되기때문에낮은저항이요구되며, 이를위하여다양한형태의접지극이개발되고있다 [3,4]. 일반적으로접지시스템의성능은 1kHz 이하의저주파전류를인가하여평가되지만, 뇌격또는단락사고등에의해발생되는과도전류는접지선의인덕턴스에의한전압강하, 대지의정전용량및도체간의유도 교신저자 : 한국해양대학교전기전자공학부 (kilgs@kmou.ac.kr) * 한국해양대학교전기전자공학과

2 전압의영향을받는다 [5,6]. 이때, 저주파전류로측정된접지저항은고주파성분에의한값과다르기때문에전압차이로사고가발생한다. 따라서전력계통의접지시스템은고주파영역의접지임피던스로정의되어야한다. 본논문에서는 IEEE Std. 81에제시된전위강하법을적용하여전류원에따른동봉과탄소블록의접지임피던스의경년변화를분석하였다. 2. 본론 2.1 접지임피던스접지임피던스는접지시스템의저항성분 (R) 외에접지극과접지선의인덕턴스 (L), 토양의비유전율및접지극과토양의접촉상태에따른캐패시턴스 (C) 등의성분이있다. 영향을받는정도에따라저항성, 유도성및용량성접지임피던스로분류된다 [7]. Fig. 1에서뇌충격전압과전류의최대값을기준으로다음과같이정의할수있다. Fig. 1 Definition of ground impedance to impulse Z 1 max( Z( t)) (1) V ( t1) Z 2 I( t1) (2) V ( t1) Z 3 I( t 2) (3) V ( t 2) Z 4 I( t 2) (4) 여기서 ; Z 1 충격전압과충격전류비의최대값 Z 2 전압이최대값에도달할때, 최대전압과전류값의비 Z 3 최대전압과최대전류의비 Z 4 전류가최대값에도달할때, 전압과전류값의비 일반적으로다음과같은관계가성립한다. Z1 Z 2 Z 3 Z 4 R (5)

특히, Z 3 은 실효 서지 임피던스(Effective surge impedance)라 하여 임펄스에 의한 접지 시스 템의 보호종류와 보호수준을 결정하는 중요한 요소가 된다. 2.2 접지극 접지극을 Fig. 2에 나타내었다. 동봉(a)은 길이 1m, 직경 10mm로 철 봉에 두께 0.3mm ~ 0.5 mm의 구리를 피막하였다.

3 실험계 구성 IEEE Std. 81.2에서 규정하고 있는 전위강하법을 Fig. 3과 같이 구성하여 실험을 수행하였다. Fig. 3 Configuration of the experimental setup E(Earth)극과 C(Current)극의 이격거리는 10m이며, E극에서 61.8%인 지점에 P(Potential)극을 설치하였다.

3 특히, Z 3 은 실효 서지 임피던스(Effective surge impedance)라 하여 임펄스에 의한 접지 시스 템의 보호종류와 보호수준을 결정하는 중요한 요소가 된다. 2.2 접지극 접지극을 Fig. 2에 나타내었다. 동봉(a)은 길이 1m, 직경 10mm로 철 봉에 두께 0.3mm ~ 0.5 mm의 구리를 피막하였다. 탄소블록(b)은 길이 1m, 직경 215mm인 정육각형 형태이며, 탄소분 말에 40% 정도의 도전성 콘크리트를 혼합하여 성형하고 중앙에 구리봉을 삽입하였다. 동봉에 비해 부식에 강하기 때문에 현장에서 많이 사용되고 있다. (a) Copper-rod (b) Carbon-block Fig. 2 Photographs of ground electrodes 2.3 실험계 구성 IEEE Std. 81.2에서 규정하고 있는 전위강하법을 Fig. 3과 같이 구성하여 실험을 수행하였다. Fig. 3 Configuration of the experimental setup E(Earth)극과 C(Current)극의 이격거리는 10m이며, E극에서 61.8%인 지점에 P(Potential)극을 설치하였다. 동봉 3개를 1m 간격의 정삼각형 형태로 매설하였고, 탄소블록은 0.8m 깊이에 가 로로 매설하여 E극을 형성하였다. 급준파, 표준 뇌임펄스(8/20us) 및 구형파를 인가하여 대지 전위상승의 최대값의 비인 실효값으로 접지 임피던스를 산출하였다. 이는 뇌충격 전류에 의한 접지 시스템의 보호 종류와 등급을 결정하는 중요한 요소이다. 변류기(0.1V/A)와 디지털 오실 로스코프(500MHz, 1GS/s)를 사용하여 인가 전류 및 전위 상승을 측정하였다. 2.4 측정 결과 2014년 4월초에 측정한 동봉과 탄소블록의 파형을 Fig. 4와 Fig. 5에 나타내었다. 동봉의 경 우, 급준파의 전류는 1.14A, 대지전위상승은 174V로 측정되었다. 표준 뇌임펄스와 구형파 펄 스의 인가전류와 전위상승은 각각 4.9A, 350V 및 0.014A, 1.32V로 나타났다.

4 (a) Fast-rise step impulse (b) Standard lightning impulse (c) Square waveform Fig. 4 Typical waveforms of applied current and potential rise for the copper-rods 탄소블록의급준파는 1.2A, 전위상승은 185V가측정되었으며, 표준뇌임펄스와구형파펄스의인가전류와전위상승은각각 5.1A, 330V 및 0.014A, 1.1V로나타났다. (a) Fast-rise step impulse (b) Standard lightning impulse (c) Square waveform Fig. 5 Typical waveforms of applied current and potential rise for the carbon-block 동봉과탄소블록의접지임피던스를 Table 1 에나타내었다. Table 1 Ground impedance against applied current Current source Ground electrode Copper-rods (Ω) Carbon-block (Ω) Fast-rise step impulse Standard lightning impulse Square waveform 두접지극의접지임피던스를약 2년간측정하였으며, 결과를 Fig. 6에나타내었다. 3가지전류원에따른실험결과, 탄소블록의접지임피던스는동봉에비해구형파펄스에서는낮게, 그리고급준파에서는높게나타났다.

Ground impedance (Ω) Fig. 6 Seasonal variation of ground impedance 3. 결론본논문에서는동봉과탄소블록을매설하여약 2년동안접지임피던스의경년변화를분석하였다.

2013년 4월까지측정후, 1년이경과한 2014년 3월의접지임피던스는증가또는감소하였지만전반적으로변화는없었다. 따라서접지임피던스는기후의영향을크게받지않는것으로판단된다.

S2138505) 의연구수행으로인한결과물임을밝힙니다. 참고문헌 [1] I. F. Gonos, M. K. An

Stathopulos (1998) Proceedings of the 6th International Conference and Exhibition on Optimization of Electrical and

Sakis Meliopoulos (1999) A Comparison of IEC 479-1 and IEEE Std. 80 on Grounding Safety Criteria, Proc. Natl. Sci.

5 Ground impedance (Ω) Fig. 6 Seasonal variation of ground impedance 3. 결론본논문에서는동봉과탄소블록을매설하여약 2년동안접지임피던스의경년변화를분석하였다. 탄소블록의접지임피던스는동봉에비해구형파에서는낮게, 그리고급준파에서는높게나타났다. 수백 ns, 수 MHz 이상의급준파전류는탄소블록보다동봉에서빠르게대지로방출되어전위상승을낮출수있을것으로평가된다. 2013년 4월까지측정후, 1년이경과한 2014년 3월의접지임피던스는증가또는감소하였지만전반적으로변화는없었다. 따라서접지임피던스는기후의영향을크게받지않는것으로판단된다. 후기본연구는중소기업청에서지원하는 2012년도중소기업기술개발지원사업 (No.S ) 의연구수행으로인한결과물임을밝힙니다. 본연구는중소기업청에서지원하는 2013년도중소기업기술개발지원사업 (No.S ) 의연구수행으로인한결과물임을밝힙니다. 참고문헌 [1] I. F. Gonos, M. K. Antonioy, F. V. Topalis, I. A. Stathopulos (1998) Proceedings of the 6th International Conference and Exhibition on Optimization of Electrical and Electronic Equipments(OPTIM 98), pp.171~174 [2] Chien-Hsing Lee, A. P. Sakis Meliopoulos (1999) A Comparison of IEC and IEEE Std. 80 on Grounding Safety Criteria, Proc. Natl. Sci. Counc. ROC(A), 23(5), pp.612~621. [3] A. Geri, 1999, Behaviour of Grounding Systems Excited by High Impulse Currents: the Model and Its Validation, IEEE Trans. On Power Delivery, Vol.14, No.3, pp.1008~1017. [4] G. Vijayaraghavan, Mark Brown and Malcolm Barnes, 2004, Grounding, Bonding, Shielding and Surge Protection, Butterworth-Heinemann, United Kingdom, pp.62~78

6 [5] 高橋健彦, 金聖模, 李炯秀 (1997) 接地技術入門, オーム社, pp.203~218. [6] Ralph Morrison, Warren H. Lewis (1990) GROUNDING AND SHIELDING IN FACILITIES, John Wiley & Sons, pp.44~45. [7] I. F. Gonos, F. V. Topalis, I. A. Stathopulos (1999) Transient Impedance of Grounding Rods, High Voltage Engineering Symposium, 2(467), pp.272~275.

Microsoft Word - KSR2012A216.doc

Microsoft Word - KSR2012A216.doc 2012 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2012A216 동봉과탄소접지극의접지임피던스비교 Comparison of Ground Impedance between a Copper- and a Carbon- Electrodes 진창환 *, 박대원 *, 길경석 *, 서재석 ** Chang-Hwan Jin *, Dae-Won Park *, Gyung-Suk Kil