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  1. (Electrical Safety Research Institute, Korea Electrical Safety Corporation, Korea.)



DC Grounding, Fault Current, DC Safety, High Resistance Mid-point Grounding, DC ground fault analysis, LVDC systems

1. 서 론

직류시스템은 일정한 전압과 극성으로 기존 교류시스템에 비해 에너지효율, 전자파, 송전 과정에서 발생하는 전력 손실 등을 개선할 수 있다. 그러나 LVDC계통의 실질적 운용을 위해서는 전압레벨, 전기안전, 고장해석, 안정도, 제어 등 이와 관련된 다양한 기술개발 및 적정성 검토가 필요하다(1).

기존 국제규격 IEC 60364-1(저압전기설비의 접지)에서 직류 접지계통은 교류 접지계통과 마찬가지로 TT, TN-C, TN-S, TN-C-S, IT접지방식으로 분류된다(2). 직류 IT접지방식은 전원 측의 접지 전극이 대지와 분리되어 있거나 고임피던스를 통해 대지에 시설되어 있으므로, 접지 전극에 흐르는 전류가 거의 없거나 아주 작아 전식에 대한 우려가 TT, TN접지방식에 비해 비교적 적다(3,4). 기존 IEC 60364에 의한 접지시스템의 분류는 교류와 직류환경의 차이에 대한 고려없이 교류와 동일한 분류체계를 제시하고 있다. 이에 현장에서 직류의 기술적 차이점을 정확하게 인지하여 반영하지 못하고 있다(5).

현재, 직류시스템은 대부분 사고전류가 적고, 1차 고장 시 지속적인 전원 공급이 가능한 장점을 가진 IT접지방식을 사용하고 있다(6). 직류시스템을 적용한 현장에서는 이러한 IT접지방식으로 비접지 시스템을 구성하는 경우가 대부분이나 안전성, 고장, 계통 신뢰도 등에 관한 문제가 발생할 수 있다. 비접지 계통의 큰 결점은 장기적으로 유지하는 것이 어렵다는 것이다. 비접지 계통의 경우 어떠한 원인으로 전로의 대지전위가 상승한 경우 이상전압을 억제할 수 없는 경우가 있다. 전위상승의 원인은 전로 간 혼촉, 뇌서지, 개폐서지 등이 있으며, 이러한 원인으로 저압 측에 고전압이 침입할 경우 기기나 배선을 파괴하고, 설비고장 등의 재산상 피해 혹은 감전으로 인한 인명 피해 등이 발생할 수 있다(7). 절연 성능은 시간이 경과함에 따라 반드시 낮아진다. 비접지 계통은 장기간 건전성을 유지하기 어렵기 때문에 일반적으로 부하가 작은 소규모 계통에서 관리가 철저한 전용회로에서만 적용하는 것을 권장하고 있다. 이에 IT접지방식에서 비접지 방식이 아닌 고임피던스를 시설하여 접지하는 방식을 검토하고자 한다. 접지시스템은 전위 분포의 균등화를 목적으로 시설할 뿐 아니라 낙뢰와 같은 이상전류를 대지로 방류하여 기기 및 인명피해를 방지하는 목적을 갖고 있다(8).

이에 본 논문에서는 계통의 안정성을 위해 접지시스템을 적용한 전원측 고임피던스 IT접지방식을 국내 환경에 맞게 개선한 IN접지방식으로 중간점 접지방식의 적용을 제안하고자 한다. 접지저항과 고장형태에 따른 고장전류, 인체감전전류를 등가회로를 통해 수식적으로 분석하고, 시뮬레이션과 테스트베드를 통해 결과 검증을 수행하여 도출한 접지방식의 고장경로 차이에 의해 발생하는 전식 문제도 고려하고자 한다.

2. 저압 직류배전계통의 접지방식 구성

기존 교류배전계통의 경우 전원측 접지방식으로 변압기의 Y결선 중성점을 대지로 접속시키는 방식을 주로 사용하고 있다. 하지만 직류배전 계통에서는 DC출력을 가지는 컨버터로 수용가에 전력을 공급하기에 다양한 접지방식으로 LVDC 배전계통에 적용이 가능하다. 일반적으로 직류의 경우 교류보다 상대적으로 안전하다고 볼 수 있다. 다만, 교류의 경우 감전 시 인체에 흐르는 전류의 방향과 관계없이 전류의 크기에 따라 안전상의 위험이 달라지지만, 직류의 경우 감전 시 인체에 흐르는 전류가 상향전류일 때가 하향전류보다 위험하므로 안전상에 특히 더 유의해야한다(9-11). 아래 내용으로 IT, IN접지방식과 전원측 인위적 중간점 접지방식으로 구성한 IT, IN 접지방식에 대해 설명한다.

2.1 IEC 60364 IT접지방식(4)

국제규격인 IEC 60364-1에서는 저압직류배전계통의 접지방식에 대해 규정하고 있다. 규정된 접지방식은 전원측 접지방식과 설비의 외함 접지방식에 따라 TT, IT, TN-S, TN-C, TN-C-S로 구분하며, 직류 2선식 전원계통에 적용 가능한 접지방식으로는 양극접지, 음극접지 방식이 있다.

그림. 1. IEC 60364의 IT 접지계통

Fig. 1. IT grounding system of IEC 60364

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.6.936/fig1.png

그림 1은 IEC 60364에서 정의된 직류 2선식 IT접지계통을 나타낸다. IT계통은 전원 측 전로의 한 점에 높은 임피던스를 삽입해 접지하고, 설비의 노출 도전성 부분을 단독 혹은 일괄 접지시킨 접지방식이다. 해당 접지방식은 그림 1의 (a)와 같이 전원측 한쪽 극의 한 점을 직접 접속하게 되어있다. 1차 고장 발생 시 고임피던스로 인해 누설전류가 제한되어 IEC 60364에서 정의된 접지방식 중 지락사고로부터 비교적 안전하다.

하지만, 이 접지방식은 전원측 계통보호접지와 부하측 설비보호접지 사이 충분한 이격거리를 확보하여 시설하도록 되어있는데, 대부분의 국내 현장 환경에서는 도면상 IT접지방식으로 설계하여 시공하여도 IEC에서 권고하는 요구조건에 부합하지 못하는 접지시스템(공동구 연결 등)으로 인해 사고 시 누전차단기가 동작하지 않는 등의 문제가 발생할 수 있어 사고 루프에 대한 해석이 재검토되어야할 우려가 있다.

2.2 개선된 IN접지방식

그림 2는 변형된 IT접지방식인 IN접지방식을 나타낸다. 고임피던스를 삽입한 IT접지방식과 설비의 노출도전성 부분을 전원측 접지도체와 보호도체로 접속한 TN접지방식을 결합한 형태로 편의상 IN계통으로 표기하고자 한다. IT계통의 1차 고장 시 누설전류 제한에 대한 장점과 함께 부하 설비의 외함과 대지로 시설되는 설비보호접지 효과를 하나의 접지로 구성할 수 있다. LVDC 계통 보급 시 국내 접지 환경에 맞는 접지방식으로 판단된다.

그림. 2. IN 접지계통

Fig. 2. IN grounding system

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.6.936/fig2.png

2.3 전원측 고임피던스 중간점 접지방식

KEC(전기설비기술기준)의 231.6 ‘옥내전로의 대지전압의 제한’에 따라 컨버터의 출력전압을 고려하여야 한다(12). 컨버터의 효율 등의 사유로 정격 출력전압을 300VDC를 초과하도록 설계한 경우에는 KEC의 대지전압 300V 이하 규정을 만족시키지 못한다. 직류 2선식 전원계통에서 이 문제를 해결하기 위해서는 대지 전압을 1/2로 낮출 수 있는 고임피던스 중간점 접지방식을 적용할 필요가 있다.

그림 3의 중간점 접지방식은 2선식 전원시스템에서 등가의 고임피던스를 삽입하여 인위적 중간점을 만들어 접지하는 방법이다. 이 접지방식을 적용할 경우 접지와 양극 및 음극선로간에는 각각 ±V/2가 인가된다.

그림. 3. 고임피던스 중간점 IT, IN 접지계통

Fig. 3. High impedance mid-point IT/IN grounding system

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.6.936/fig3.png

3. 저압 직류배전계통의 접지방식 고장 경로 분석

IEC60364의 IT접지방식과 개선된 IN접지방식, 저항성 고임피던스 중간점 접지방식을 적용한 방법으로 고장경로를 분석하였다. 접지방식별 극성에 따라 1차 고장 시 고장경로와 함께 고장 및 감전전류의 분석이 가능하도록 임피던스 등가회로를 도출하였다. 1차 고장의 검출은 2차 고장 발생 시 선간 단락 고장과 유사한 큰 사고로 발생하기 때문에 매우 중요하다.

3.1 IEC 60364 IT접지방식 1차 고장경로 분석

그림. 4. IEC 60364의 IT접지방식에 따른 고장루프

Fig. 4. Fault loop according to IT grounding type of IEC 60364

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.6.936/fig4.png

그림 4(a)의 경우 전원측 양극 임피던스 접지, 부하측 외함 접지를 시설한 IT접지방식의 경우로 부하측 음극 지락 고장 발생 시 전원측 접지부에서 부하측 접지부로 통전하여 기기 외함을 통해 전원측 음극 선로로 귀로하는 고장 경로가 형성된다. 전원측 고임피던스로 인해 사고 고장 전류는 제한되며,기기 외함에 인체 접촉 시 인체 상향경로가 형성된다.

그림 4(b)의 경우 전원측 음극 임피던스 접지, 부하측 외함 접지를 시설한 경우이다. 부하측 양극 지락 고장 발생 시 기기 외함을 통해 전원측 음극으로 귀로하는 고장 경로가 형성되며, 기기 외함에 인체 접촉 시 인체 하향경로가 형성된다.

3.2 IN접지방식 1차 고장경로 분석

그림 5(a)의 경우 전원측 양극 임피던스 접지, 부하측 외함을 전원측 고임피던스 2차측 접지 프레임워크에 보호도체로 접속한 IN접지방식의 경우로 부하측 음극 지락 고장 발생 시 부하측 외함의 보호도체를 통해 전원측 음극으로 귀로하는 통전 경로가 형성된다. 인체 접촉 시 IT접지방식과 동일한 상향 경로가 형성된다.

그림 5(b)의 경우 전원측 음극 임피던스 접지, 부하측 외함을 전원측 고임피던스 2차측 접지 프레임워크에 보호도체로 접속한 IN접지방식의 경우로 부하측 양극 지락 고장 발생 시 부하측 외함의 보호도체를 통해 전원측 음극으로 귀로하는 통전 경로가 형성된다. 기기 외함에 인체 접촉 시 IT접지방식과 동일한 하향 경로가 형성된다.

그림. 5. IT접지방식에 따른 고장루프

Fig. 5. Fault loop according to IN grounding type

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.6.936/fig5.png

3.3 중간점 IT접지방식 1차 고장경로 분석

그림 6은 중간점 IT접지방식 구성 시 양극, 음극 지락 고장에 따른 고장경로와 임피던스 등가회로를 나타낸 것이다.

그림. 6. 중간점 IT접지방식에 따른 고장루프

Fig. 6. Fault loop according to mid-point IT grounding type

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.6.936/fig6.png

고저항 중간점 접지방식은 한 극만 접지했을 때와 달리 양 극에서 발생한 1차 지락사고의 사고전류를 제한할 수 있다. 그러나 어느 한쪽 극에서 고장 발생 시 고장 극과 반대 극으로 접속된 임피던스에 인가되는 전압이 상승하게 된다. 누전차단기가 동작하지 않을 경우 반대 극에서 고장이 발생하면 단락사고의 형태로 과전류 차단기가 동작한다. 2차 고장의 위험을 최소화하고, 상승한 스트레스 전압에 노출되지 않도록 적절한 시간에 1차 고장을 감지하고 제거하는 것이 중요하다.

3.4 중간점 IN접지방식 1차 고장경로 분석

그림 7은 중간점 IN접지방식 구성 시 양극, 음극 지락 고장에 대한 고장경로와 임피던스 등가회로를 나타낸 것으로 중간점 IT접지방식과 유사한 고장경로를 가지나 인체 등 대지와 별도로 접촉된 경우에만 대지경로의 고장경로가 발생할 수 있다.

그림. 7. 중간점 IN접지방식에 따른 고장루프

Fig. 7. Fault loop according to mid-point IN grounding type

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.6.936/fig7.png

고장경로 분석결과 직류 2선식 전원 계통에서 IEC 60364에서 제시하는 양극, 음극을 별도로 접지하는 방법의 경우 접지와 동일 극 지락 시 고장경로가 형성되지 않고, 부하측 양극 지락인 경우 인체 접촉 시 하향경로를 형성하기에 전원측 음극을 접지하는 것이 인체 안전성 측면에서 비교적 안전하다. 또, 기존 접지방식의 경우 접지된 극과 동일 극 지락 시 고장 검출이 불가능한 이유로 인위적 중간점 접지방식의 검토가 필요할 것으로 판단된다.

다만, 중간점 IT접지방식과 중간점 IN접지방식의 경우 동일하게 1차 지락 고장 발생 시 다른 극의 고저항 임피던스에 인가되는 전위 상승(스트레스 전압)이 더 큰 고장으로 진전되어 고장원인 분석의 어려움과 많은 복구비용이 발생할 수 있다. 이에 1차 고장이 또 다른 고장으로 진전되기 전에 원인을 검출할 수 있는 적절한 시스템이 구축되어야한다.

2차 고장의 경우 위 4가지 접지방식의 고장경로와 사고전류의 크기가 동일하게 나타나는 것을 확인하였다.

4. 저압 직류배전계통의 접지방식 고장 특성 분석

직류 2선식 380V 전원계통의 IT, IN접지방식에 따른 저압직류배전계통의 고장특성을 분석하기 위해 전원 측 접지방식, 고저항 임피던스, 고장형태를 변수로 모의를 수행하고자 한다.

표 1. 모의 파라미터

Table 1. Simulation parameter

요소

항목

$U_{0}$

계통 전원 전압

380 [$V_{DC}$]

$Z_{M1}$

양의 중간점 고저항 임피던스

0.1. 1. 10. 100[kΩ]

$Z_{M2}$

음의 중간점 고저항 임피던스

0.1. 1. 10. 100[kΩ]

$Z_{M}$

단극 고저항 임피던스

0.1. 1. 10. 100[kΩ]

$Z_{PE}$

설비보호도체

0.5 [Ω]

$Z_{g1}$

전원측 계통보호접지 임피던스

5 [Ω]

$Z_{g2}$

부하측 설비보호접지 임피던스

10 [Ω]

$Z_{G}$

대지경로 임피던스

15 [Ω]

$Z_{L+}$

양극 선로 임피던스

0.03 [Ω]

$Z_{L-}$

음극 선로 임피던스

0.03 [Ω]

$Z_{Body}$

통전 시 인체저항

1 [kΩ]

$Z_{Load}$

부하저항

76 [Ω]

$I_{Fault}$

지락 시 계통 고장전류

-

$I_{Body}$

접촉 시 인체 통전 고장전류

-

$A$

IT접지방식의 인체접촉으로

인한 병렬저항

$\dfrac{Z_{PE}\bullet Z_{B}}{Z_{PE}+Z_{B}}$

$B$

IN접지방식의 인체접촉으로

인한 병렬저항

$\dfrac{(Z_{G}+Z_{B})\bullet Z_{PE}}{Z_{G}+Z_{B}+Z_{PE}}$

표 2. 접지방식별 고장전류식

Table 2. Fault current formula by grounding types

접지방식

전원

접지

분류

부하측

지락

미접촉 시

고장전류량 [A]

외함 접촉 시 인체

통전 전류량 [A]

IT

양극

양극

-

-

음극

$\dfrac{U_{0}}{Z_{M}+Z_{G}+Z_{PE}+Z_{L-}}$

$\dfrac{U_{0}\bullet A}{Z_{B}(Z_{M}+Z_{G}+A+Z_{L-})}$

음극

양극

$\dfrac{U_{0}}{Z_{L+}+Z_{PE}+Z_{G}+Z_{M}}$

$\dfrac{U_{0}\bullet A}{Z_{B}(Z_{L+}+A+Z_{G}+Z_{M})}$

음극

-

-

IN

양극

양극

-

-

음극

$\dfrac{U_{0}}{Z_{M}+Z_{PE}+Z_{L-}}$

$\dfrac{U_{0}\bullet B}{(Z_{G}+Z_{B})(Z_{M}+B+Z_{L-})}$

음극

양극

$\dfrac{U_{0}}{Z_{L+}+Z_{PE}+Z_{M}}$

$\dfrac{U_{0}\bullet B}{(Z_{G}+Z_{B})(Z_{L+}+B+Z_{M})}$

음극

-

-

IT

중간점

양극

$\dfrac{U_{0}}{Z_{L+}+Z_{PE}+Z_{G}+Z_{M2}}$

$\dfrac{U_{0}\bullet A}{Z_{B}(Z_{L+}+A+Z_{G}+Z_{M2})}$

음극

$\dfrac{U_{0}}{Z_{M1}+Z_{G}+Z_{PE}+Z_{L-}}$

$\dfrac{U_{0}\bullet A}{Z_{B}(Z_{M1}+Z_{G}+A+Z_{L-})}$

IN

중간점

양극

$\dfrac{U_{0}}{Z_{L+}+Z_{PE}+Z_{M2}}$

$\dfrac{U_{0}\bullet B}{(Z_{G}+Z_{B})(Z_{L+}+B+Z_{M2})}$

음극

$\dfrac{U_{0}}{Z_{M1}+Z_{PE}+Z_{L-}}$

$\dfrac{U_{0}\bullet B}{(Z_{G}+Z_{B})(Z_{M1}+B+Z_{L-})}$

모의 파라미터의 경우 극에 접속하는 고저항 임피던스값을 0.1~100[kΩ]의 범위에서 10배수로 구성하였고, 접지계통을 구성하는 선로와 접지 임피던스의 경우 그림 10의 테스트베드에서 각 도체의 초저저항, 대지저항 측정을 통해 도출하였다. 인체저항의 경우 IEEE std.80을 참조하여 1[kΩ], 부하저항의 경우 임의의 정상상태 부하전류를 5[A]로 계산하여 76[Ω]으로 선정하였으며, 각 파라미터를 표 1로 정리하였다.

표 3. 접지방식에 따른 고장전류 및 인체통전전류 값

Table 3. Fault current and body current value according to grounding types

접지방식

전원측

접지분류

부하측

지락

미접촉 시 고장전류량 [mA]

접촉 시 인체 통전 전류량 [mA]

통전 시

인체전류방향

$Z_{M}$[kΩ]

$Z_{M}$[kΩ]

0.1[kΩ]

1[kΩ]

10[kΩ]

100[kΩ]

0.1[kΩ]

1[kΩ]

10[kΩ]

100[kΩ]

IT

양극

양극

-

-

-

-

-

-

-

-

-

음극

-3289.2

-374.19

-37.94

-3.80

-1.644

-0.187

-0.019

-0.002

상향

음극

양극

3289.2

374.19

37.94

3.80

1.644

0.187

0.019

0.002

하향

음극

-

-

-

-

-

-

-

-

-

IN

양극

양극

-

-

-

-

-

-

-

-

-

음극

-3778.0

-379.80

-38.00

-3.80

-1.861

-0.187

-0.019

-0.002

상향

음극

양극

3778.0

379.80

38.00

3.80

1.861

0.187

0.019

0.002

하향

음극

-

-

-

-

-

-

-

-

-

IT

중간점

양극

3289.2

374.19

37.94

3.80

1.644

0.187

0.019

0.002

하향

음극

-3289.2

-374.19

-37.94

-3.80

-1.644

-0.187

-0.019

-0.002

상향

IN

중간점

양극

3778.0

379.80

38.00

3.80

1.861

0.187

0.019

0.002

하향

음극

-3778.0

-379.80

-38.00

-3.80

-1.861

-0.187

-0.019

-0.002

상향

그리고 접지방식별 분류에 따라 부하측 지락에 따른 고장전류량과 기기 단자와 외함 간 지락이 발생한 경우 외함에 인체가 접촉할 경우의 통전 전류량을 수식적으로 도출하기 위해 표 2와 같이 정리하여 나타내었다.

그림 7표 1, 2를 기반으로 수식적으로 도출한 결과와 함께 통전 시 인체전류의 방향을 표 3으로 정리하였다. 1차 고장 시 인체에 흐르는 고장 전류의 방향은 동일하고, IT접지방식과 IN접지방식, 그리고 중간점 접지방식을 적용하여도 고장전류량, 인체 통전 전류량의 차이는 미미함을 확인하였다.

그림. 8. 통합 접지계통 구성 모델

Fig. 8. Integrated grounding system configuration model

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.6.936/fig8.png

5. 시뮬레이션 및 테스트베드 분석 및 결과

표 1의 파라미터를 조건으로 MATLAB/SIMULINK를 활용하여 시뮬레이션 및 테스트베드 환경에서 실험을 진행하였다. 저압직류배전 계통에서 발생할 수 있는 고장은 1선 지락 고장과 2선 단락 혹은 지락으로 인한 고장이다. 1차 지락 고장은 양극 또는 음극이 대지와 접촉하는 고장이며 가장 빈번하게 발생하는 고장이다. 2차 고장은 양극과 음극선로 사이 또는 외함의 일괄 접속된 보호도체 사이에 절연 불량 등의 사유로 양 극에서 단락회로가 형성되었을 때 발생한다(15).

표 4. 접지방식별 스위치 동작 배치

Table 4. Switch operation arrangement by grounding types

2wire

접지

고장

Switch state

S1

S2

S3

S4

S5

S6

IT

양극

음극

O

-

-

O

-

O

음극

양극

-

O

-

O

O

-

IN

양극

음극

O

-

O

-

-

O

음극

양극

-

O

O

-

O

-

IT

중간점

음극

O

O

-

O

-

O

양극

O

O

-

O

O

-

IN

중간점

음극

O

O

O

-

-

O

양극

O

O

O

-

O

-

5.1 접지계통 모델 구성

IT, IN 접지방식 및 중간점 접지방식의 구현을 위해 그림 8과 같은 스위칭을 통한 접지계통 구성을 설계하였다. 각 접지방식별 구성을 위해서는 표 4의 스위치 동작 방법으로 실험계통의 테스트가 가능하다. 직류 전원이 인가되기 전 스위치 동작으로 계통을 구성한 후 부하에 전원을 인가하여 정상상태의 동작환경을 확인하고, 기기의 양쪽 극에서 지락사고를 모의하여 접지방식별 사고전류 데이터를 계측하여 수집한다.

5.2 시뮬레이션 및 테스트베드 구성

통합 접지계통 구성 모델을 바탕으로 MATLAB/SIMULINK를 이용하여 시뮬레이션 회로를 그림 9와 같이 도출하였다. 표 4에 따른 동작을 계통에 적용한 스위칭을 통해 테스트가 가능하다. 이에 동등한 모델로 그림 10의 테스트베드를 구성하였다. 테스트베드는 직류 전원 공급장치와 계통 스위칭을 통해 선로 구성이 가능한 직류 통합 접지 시뮬레이터(16), 저항부하로 구성되며, 그림 8에서 표시한 CT의 위치에서 고장전류량을 측정하였다.

그림. 9. 시뮬레이션 계통 구성

Fig. 9. Simulation system configuration

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.6.936/fig9.png

그림. 10. 테스트베드 계통 구성

Fig. 10. Testbed system configuration

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.6.936/fig10.png

5.3 시뮬레이션 및 테스트베드 실험결과

그림 9의 시뮬레이션과 그림 10의 테스트베드를 통해 접지방식, 지락고장 방향 그리고 저항 임피던스의 크기별로 고장전류량을 도출한 실험결과를 표 5에 나타내었다.

지락전류의 원활한 분석을 위해 고저항 임피던스($Z_{M}$)의 경우 0.1[kΩ], 1[kΩ]의 조건으로 테스트하여 표 5의 데이터를 도출하였으며, 시뮬레이션과 테스트베드 간 측정 오차율은 3% 이내로 확인하였다.

표 5. 시뮬레이션 및 테스트베드 고장전류량

Table 5. Simulation and testbed fault current value

접지방식

전원

접지분류

부하

지락

고장전류량

Simulation

Test-bed

0.1[kΩ]

1[kΩ]

0.1[kΩ]

1[kΩ]

IT

양극

양극

-

-

-

-

음극

-3.54

-0.37

-3.54

-0.38

음극

양극

3.51

0.37

3.5

0.38

음극

-

-

-

-

IN

양극

양극

-

-

-

-

음극

-3.78

-0.38

-3.82

-0.38

음극

양극

3.76

0.38

3.78

0.38

음극

-

-

-

-

IT

중간점

양극

3.26

0.37

3.30

0.38

음극

-3.29

-0.37

-3.32

-0.38

IN

중간점

양극

3.76

0.38

3.78

0.38

음극

-3.78

-0.38

-3.81

-0.38

그림. 11. 테스트베드의 중간점 IT/IN접지방식 고장전류

Fig. 11. Testbed mid-point IT/IN grounding fault current

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.6.936/fig11.png

표 2의 고장전류량 수식 정리내용과 같이 1차 고장 발생 간 IT접지방식과 IN접지방식의 차이점은 대지경로의 임피던스($Z_{G}$)의 유무에 있다고 볼 수 있다. 그림 11의 결과에서 보면 사고전류의 크기는 임피던스의 크기가 1[kΩ]일 때는 거의 차이가 없으나 100[Ω]일 때 IT접지방식에서 IN접지방식 대비 사고전류가 약 13[%] 낮게 측정되는 차이를 보이고 있는데, 이는 IT접지방식에서 사고 시 루프임피던스($Z_{M}+Z_{G}+Z_{PE}+Z_{L}$)에서 대지경로의 임피던스($Z_{G}$) 영향을 크게 받아 나타난 것으로 확인할 수 있다.

6. 저압 직류배전계통의 전기적 부식 현상 분석

직류 계통은 교류 계통에 비해 전기적 부식의 영향을 받기 쉬우므로 전원 측의 접지전극이 대지와 접속된 경우 전기적 부식의 영향을 받을 수 있다.

사고전류의 고장경로 검토결과 1차 지락 고장 발생 시 대지로 귀로하는 경로를 가진 IT접지방식의 경우 접지극에서 전식이 발생할 우려가 있다. 직류 부식은 양극 접지극에서 국부적으로 부식하는 특징을 가지고 있으며(13), 전기량과 부식량 사이의 전기화학적 부식량은 페러데이 법칙에 의해 아래 수식으로 도출이 가능하다.

(1)
$W=k\bullet i_{fault}\bullet t$

$k$ = 금속의 전기화학당량 [mg/A·sec]

$i_{fault}$ = 접지전극 사이에 흐르는 대지 누설전류 [A]

$t$ = 통전시간 [sec]

식 (1)의 페러데이의 법칙은 두 가지 법칙으로 정리할 수 있다. 제1법칙은 전류의 통과로 생기는 반응물질의 양은 통과한 전기량에 비례한다. 제2법칙은 같은 전기량에 의해 전해되는 물질의 양은 통과한 전기량에 비례한다는 것이다. 이 법칙은 전해질의 농도, 조성, 온도와 관계없이 적용된다. 동경전식방지대책위원회에서 금속재료에 의한 전기적 부식의 정도를 나타낸 데이터는 표 6과 같으며, 이것은 직류 1[mA]가 1년간 흘렀을 때의 전해되는 양을 이론적으로 계산한 것이다(14).

ITU-T L.1200 표준 내용에 따르면 400[VDC] 이하의 계통 시스템에서는 지락 전류를 20[mA]로 제한하고 있다(17). 따라서, IT접지방식에서 20[mA]의 누설 전류가 지속 발생할 경우와 표 3의 접지방식별 대지로 통전되는 고장전류가 지속 발생하는 경우에 전기적 부식 현상 발생 시 접지동봉이 심각한 소손으로 인한 탈락이 예상되는 시점을 도출하였다.

표 6. 직류에 의한 전기적 부식량

Table 6. Electric corrosion amount by DC

금속명

전기화학당량

[$mg/A\bullet\sec$]

1[mA]에서 1년간 전식량

중량[g]

동(1가)

0.635

20.8

동(2가)

0.318

10.4

철(2가)

0.279

9.1

철(3가)

0.186

6.1

주석(2가)

0.594

18.7

주석(4가)

0.297

9.7

아연(2가)

0.317

10.7

알루미늄(3가)

0.093

2.9

그림 12에 적용된 접지동봉은 12Ø x 1m, 1.2kg 일반 접지 동봉을 기준으로 표 6의 동(2가) 조건을 적용하였다.

IT접지방식의 경우 전원측 임피던스 크기로 1차 고장 누설전류의 제한이 가능하므로 380V 전원의 직류 2선식 계통에서 전원측 임피던스 크기(100[Ω], 1[kΩ], 10[kΩ], 100[kΩ], 1[MΩ])에 따른 누설전류량을 시뮬레이션 모델을 이용한 데이터로 도출하여 표 6에 의한 전기적 부식량을 그림 12로 나타내었다.

그림. 12. IT접지계통의 임피던스별 고장전류량에 따른 접지동봉의 전기적 부식량

Fig. 12. Electrical corrosion amount of earthing enclosure according to the amount of fault current by impe-dance of the IT grounding system

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.6.936/fig12.png

누설전류 20[mA]가 지속 발생 시 1년 간 약 208[g]의 탈락이 발생하여 약 3년 후 접지동봉이 50% 이상 심각하게 소손될 것으로 예상된다. 동일 조건에서 IN접지방식의 경우 누설전류 발생 시 대지귀로의 경로를 가지지 않으므로 IT접지방식에서 발생하는 전식 현상을 방지할 수 있다.

표 7. 접지방식별 결과 분석

Table 7. Analysis of results by grounding method

구성

극 접지

중간점 접지

접지방식

IT

IN

IT

IN

전원

Mono-pole(2선식) 380$V_{DC}$

임피던스

저항성 임피던스

인체안전성

안전

안전

안전

안전

대지와의 전위

300V 초과

(KEC 기준 부적합)

300V 이하

(KEC 기준 적합)

지락검출

접지와 동일극 지락 시 검출 불가

지락 극과 관계없이 검출 가능

1차 지락 전식발생

있음

거의 없음

있음

거의 없음

7. 결과 분석

IT접지방식 대비 IN접지방식의 경우 대지경로의 임피던스가 없어 100[Ω] 이하의 임피던스 적용 시 지락고장 전류 크기에서 약소한 차이점을 확인하였으나 임피던스의 크기가 1[kΩ] 이상으로 커질수록 대지경로 임피던스의 영향이 작아져 그 차이가 없어진다. 2선식 전원에서 한쪽 전로에 접지를 시설할 경우 전원측 계통보호접지 극과 동일한 극에서 고장 시 고장 검출이 불가하다. 중간점 접지방식을 이용하면 어느 한 극에서 지락 고장이 발생하여도 양쪽 모두 검출이 가능하다.

중간점 IT, IN 접지방식 비교결과 사고전류 측면에서는 100[Ω] 이하의 저저항을 적용 시 대지경로의 임피던스 유무의 차이로 IT접지방식 대비 IN접지방식이 비교적 사고전류가 큰 특성을 보이나 임피던스를 1[kΩ] 이상의 고저항을 적용할 경우 임피던스가 커질수록 사고전류 크기에서는 차이가 없어진다. 또한, 대지경로 발생의 차이로 IT접지방식의 경우 접지봉의 전식이 발생하며, IN접지방식의 경우 IT접지방식 대비 접지 전식에 대한 장점으로 접지저항의 연속성 확보가 가능함을 확인하였다.

8. 결 론

본 논문에서는 저압 직류배전계통의 IT, IN접지방식과 저항성 임피던스 중간점 접지방식의 고장특성에 대해 분석하였다.각 접지방식에 대해 임피던스 등가회로를 유도하여 고장전류의 크기, 인체 접촉 시 통전 전류크기를 검토하고, 이를 바탕수식, 시뮬레이션 및 테스트베드를 구축하여 검증하였다. IT접지방식과 IN접지방식은 사고전류의 크기보다 대지경로의 발생 유무에 차이가 있음을 확인하고, 이에 접지극의 전기적 부식 현상을 비교적 저감할 수 있는 IN접지방식의 장점을 확인하였다. 하지만, 기존 접지방식과 같이 한 극만 임피던스를 통한 접지를 시설할 경우 접지극과 동일 극에서 고장 발생 시 고장 검출이 어려운 문제점이 발생함을 확인하였다.

이에 고장 시 양극의 지락 검출이 가능하고, 380VDC 2선식 전원 시스템에서 절연 레벨 감소와 더불어 대지와 선로 간 1/2 전압으로 KEC(한국전기설비규정)의 대지전압 300V 제한 기준의 충족이 가능한 방법으로 저항성 임피던스를 이용한 인위적 중간점 접지방식을 적용하여 고장 발생 시 지락전류의 크기, 지락전류의 경로, 인체감전전류의 방향 등 중간점 IT, IN접지방식을 분석하였다. 중간점 IT, IN은 실험결과와 같이 사고전류의 차이는 미미하나 대지경로 발생의 차이로 전식현상 방지에 IN접지방식에 장점이 있음을 확인하였다.

향후, 직류 2선식 전원의 접지방식으로 중간점 임피던스 접지방식이 일반적인 솔루션으로써 표준화가 필요할 것으로 판단되며, 추가로 중간점 임피던스 접지방식의 임피던스 구성에 있어 저항성 임피던스의 경우 누설전류 검출을 위한 적정 저항값 구성 시 계통의 부하로 작용하여 효율을 저하하는 등의 단점이 발생할 수 있으므로 전원 및 부하 계통 환경에 따라 임피던스의 구성이 캐패시터, 다이오드, 사이리스터 등을 적용한 다양한 접지방식의 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

This work was supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning(KETEP) and the Ministry of Trade, Industry and Energy(MOTIE) of the Republic of Korea (No. 20193810100010).

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저자소개

임대식 (Dae-Sik Lim)
../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.6.936/au1.png

He received the B.S. degrees in electrical engineering from Yeungnam University, Gyeongsan, Korea, in 2013.

He received the M.S. degrees in electrical engineering from Hanyang University, Seoul, Korea, in 2019.

He is currently a researcher in the Electrical Safety Research Institute of Korea Electrical Safety Corporation (KESCO) since 2020.

E-mail: bigsig@naver.com

이기연 (Ki-Yeon Lee)
../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.6.936/au2.png

He received the B.S. and M.S. degrees in electrical engineering from Incheon National University, Incheon, Korea, in 2002 and 2004.

He received the Ph.D degree in IT applied system engineering from Jeonbuk National University, Jeonju, Korea, in 2020.

He is currently a head researcher in the Electrical Safety Research Institute of Korea Electrical Safety Corporation (KESCO) since 2004.

E-mail: Ikycj@kesco.or.kr

김동우 (Dong-Woo Kim)
../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.6.936/au3.png

He received the B.S. and M.S. degrees in electrical engineering from Inha University, Incheon, Korea, in 1996 and 1998.

He is currently a head researcher in the Electrical Safety Research Institute of Korea Electrical Safety Corporation (KESCO) since 2001.

E-mail: klove@kesco.or.kr

채동주 (Dong-Ju Chae)
../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.6.936/au4.png

He received the B.S. and M.S. degrees in electrical engineering from Korea University, Seoul, Korea, in 2008 and 2011.

He is currently a senior researcher in the Electrical Safety Research Institute of Korea Electrical Safety Corporation (KESCO) since 2014.

E-mail: chaedju@kesco.or.kr

임승택 (Seung-Taek Lim)
../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.6.936/au5.png

He received the B.S. and M.S. degrees in electrical engineering from Soongsil University, Seoul, Korea, in 2016 and 2018.

He is currently a assistant researcher in the Electrical Safety Research Institute of Korea Electrical Safety Corporation (KESCO) since 2018.

E-mail: jstyim@kesco.or.kr

문재현 (Jae-Hyeon Mun)
../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.6.936/au6.png

He received the B.Des. degrees in visual communication design from Hanbat National University, Daejeon Korea, in 2006.

He is currently a researcher in the Electrical Safety Research Institute of Korea Electrical Safety Corporation (KESCO) since 2020.

E-mail: rebo@kesco.or.kr