2.1 낙뢰 조건 선정

IEC61000-4-5에서 낙뢰나 충격전류 등의 전류파형에 상승속도는 8us, 하강속도는 20us로 정의하고 있다. 본 논문에서는 낙뢰 모델을 EMTP-RV에서 제공하는 Isurge Source를 사용하였으며, 뇌격전류는 0s부터 시작하여 최대치인 15kA의 90%에 도달하는 시간이 8us이며 지속시간은 0.5ms이다^[7].

그림. 1. 15kA 낙뢰 전류 파형

Fig. 1. 15kA Lightning

2.2 접지 임피던스

일반적인 상용 주파수 개념에서는 전류의 도통을 방해하는 요소로 저항만을 검토하게 되는데, 접지 측면에서는 이를 접지저항이라고 한다. 접지저항은 DC성분을 기준으로 한 것이며 주파수 개념이 없지만, 차단기 차단동작, 낙뢰전류의 유입 등 과도현상에 의한 고장전류 관점에서 검토하면 고조파 전류가 발생한다. 고주파수의 경우 리액턴스 성분을 검토해야 하고, 이를 접지측면에서는 접지 임피던스를 분석하여야 과도상태를 해결할 수 있다^[8]. 표 2는 해수, 점토, 젖은 토양, 점토와 토양이 섞였을 때 등 기반물질의 종류에 따른 대지저항률을 나타낸다^[9]. 본 논문에서는 육상을 기준으로 하여 기반물질이 sand일 때 대지저항률을 1000Ω일 때를 상정하였다.

그림. 2는 표준 뇌서지 전압·전류 파형의 주파수 스펙트럼을 나타내었다. 뇌서지 전압·전류는 상당히 높은 주파수 대역까지 분포하고 있기 때문에 접지임피던스를 고려해야 한다. 그림. 3은 대지 저항률이 1000Ω·m일 때 뇌서지의 주파수에 따른 접지임피던스 값을 보여준다^[10]. 뇌서지의 주파수가 10kHz 이하일 때는 접지저항과 같고 그 이상의 주파수에서는 유도성 효과에 의해 접지임피던스가 증가하였다^[11-13].

그림. 2. 표준 뇌서지 전압·전류 파형의 주파수 스펙트럼

Fig. 2. Frequency due to surge voltage and current

그림. 3. 주파수에 따른 접지임피던스

Fig. 3. Ground Impedance According to Frequency

2.3 접지방식

공통접지 방식은 국제기술규격인 IEC에서 규정화 및 사용을 권고하고 있으며, 국내 접지방식은 일본과 같은 단독접지를 사용 중이었지만, 2005년 이후 KSC-IEC의 개정으로 공통접지 방식을 권장하고 있다. 단독접지를 사용하였던 일본은 JIS의 재개정을 진행하여 건물 내부의 환상접지모선, 피뢰기용 접지, 철탑 및 피뢰침의 인하도선 등 모든 접지를 연접하여 시설전체의 접지 간에 전위차가 발생하지 않도록 구성하였다.

2.3.2 연접접지 방식

연접접지는 개별적으로 부설한 접지극끼리 연결하는 방법으로, 공통 접지는 하나의 접지극에 접지선을 다수 연결하는 방식이지만, 연접접지는 다수의 접지극에 접지선을 서로 연결시키는 방식이다. 그렇기 때문에 접지를 연접하여 접지 간 전위가 동일화하여 낙뢰 서지 발생 시 전위차를 제로로 하여 낙뢰 또는 개폐 서지에 의한 이상전압 발생 시 전위 상승을 억제하여 기기 고장이나 감전 사고를 방지할 수 있다.

그림. 4. 공통접지와 연접접지 예

Fig. 4. Common and Connecting Ground

2.4 코로나

코로나는 잡음과 통신장해, 전력손실 등을 초래하지만. 애자나 전선 등의 부식을 가속화하여 열화를 일으켜 절연능력을 저하시키기 때문에 이에 대하여 코로나 발생 시 과도상태에 대한 연구가 필요하다. 코로나 모델은 Suliciu 모델^[14]을 이용하여 3상 코로나 장치를 사용하였다. 그림. 5는 EMTP-RV에서 제공하는 Suliciu 코로나 모델을 이용한 전류 파형으로 송전라인에서 3상 코로나 모델을 구현한다. 이 코로나 전류는 최초 0.05ms에서 발생하여 0.35ms, 0.65ms에서 각각 약 6.08kA, 4.86kA, 3.65kA로 시간이 지날수록 발생 크기가 점점 줄어든다.

그림. 5. 코로나 전류 파형

Fig. 5. Corona Current Waveform

3.1 공통접지방식에서 접지 임피던스에 따른 낙뢰 과전압

피뢰기의 접지방식을 공통접지로 하였고, 이 때 접지 임피던스에 따른 낙뢰 과전압의 최대치를 비교하였다. 접지임피던스가 60Ω일 때 낙뢰 과전압의 최대치는 약 308.551kV의 낙뢰 과전압이 걸렸다. 접지 임피던스가 100Ω일 때ㄹ는 약 403.651kV, 110Ω일 때는 약 421.874kV로 접지 임피던스가 높을수록 낙뢰 과전압의 크기도 크게 증가하였다.

그림. 7. 공통접지방식에서 피뢰기 접지 임피던스가 60Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 7. In the Common Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 60Ω

그림. 8. 공통접지방식에서 피뢰기 접지 임피던스가 100Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 8. In the Common Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 100Ω

그림. 9. 공통접지방식에서 피뢰기 접지 임피던스가 110Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 9. In the Common Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 110Ω

3.2 연접접지방식에서 접지 임피던스에 따른 낙뢰 과전압

피뢰기의 접지방식을 연접접지로 하였고, 이때 접지 임피던스에 따른 낙뢰 과전압의 최대치를 비교하였다. 접지 임피던스가 60Ω일 때 낙뢰 과전압의 최대치는 약 246.834kV의 낙뢰 과전압이 걸렸고, 100Ω일 때는 약 322.142kV, 110Ω일 때는 약 349.465kV로 공통접지일 때와 마찬가지로 접지 임피던스가 높을수록 낙뢰 과전압의 크기도 크게 증가하였지만 연접접지방식을 했을 때 공통접지방식보다 약 17%~20% 정도 낙뢰 과전압의 최대치가 감소하였다.

그림. 10. 연접접지방식에서 피뢰기 접지 임피던스가 60Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 10. In the Connecting Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 60Ω

그림. 11. 연접접지방식에서 피뢰기 접지 임피던스가 100Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 11. In the Connecting Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 100Ω

그림. 12. 연접접지방식에서 피뢰기 접지 임피던스가 110Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 12. In the Connecting Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 110Ω

3.3 코로나 영향을 고려한 공통접지방식에서 접지 임피던스에 따른 낙뢰 과전압

시뮬레이션 조건은 3.1절과 동일하고, 추가로 뇌격 발생 시 코로나 영향을 추가로 고려하였을 때 최대 낙뢰 과전압을 비교하였다. 피뢰기의 접지방식을 공통접지로 하였을 때 접지 임피던스가 60Ω일 때는 낙뢰 과전압의 최대치가 약 577.074kV, 100Ω일 때는 약 763.461kV, 110Ω일 때는 약 799.177kV로 큰 과전압이 발생하였다.

그림. 13. 코로나 영향을 고려하였을 때 공통 접지방식에서 접지 임피던스가 60Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 13. In the Common Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 60Ω with Corona

그림. 14. 코로나 영향을 고려하였을 때 공통 접지방식에서 접지 임피던스가 100Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 14. In the Common Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 100Ω with Corona

그림. 15. 코로나 영향을 고려하였을 때 공통 접지방식에서 접지 임피던스가 110Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 15. In the Common Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 110Ω with Corona

3.4 코로나 영향을 고려한 연접접지방식에서 접지 임피던스에 따른 낙뢰 과전압

피뢰기의 접지방식을 연접접지로 하였고, 코로나 영향을 고려하였을 때 접지 임피던스에 따른 낙뢰 과전압의 최대치를 비교하였다. 접지 임피던스가 60Ω일 때 낙뢰 과전압의 최대치는 약 445.08kV의 낙뢰 과전압이 걸렸고, 100Ω일 때는 약 614.202kV, 110Ω 일 때는 약 653.355kV로 3.2절과 비교하여 코로나 영향을 고려하였을 때 과전압의 최대치가 약 44~46%정도 상승하였다.

그림. 16. 코로나 영향을 고려하였을 때 연접 접지방식에서 접지 임피던스가 60Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 16. In the Connecting Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 60Ω with Corona

그림. 17. 코로나 영향을 고려하였을 때 연접 접지방식에서 접지 임피던스가 100Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 17. In the Connecting Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 100Ω with Corona

그림. 18. 코로나 영향을 고려하였을 때 연접 접지방식에서 접지 임피던스가 110Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 18. In the Connecting Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 110Ω with Corona