2.1 실험계 및 측정방법

실험에 사용된 10m×10m, 4메시 접지그리드는 50mm²의 나동선으로 그림. 1과 같이 설치하였다. 접지그리드 및 접지그리드의 중앙과 모퉁이에 총 5개의 탄소접지전극을 수직으로 병설한 조건에 대하여 연구하였다.

Fig. 1. A schematic diagram of the experimental apparatus

접지그리드에 병설한 탄소접지전극은 스테인리스 스틸 재질의 중심봉(직경 22mm, 길이 1.3m)과 중심봉을 둘러싼 탄소접지체(직경 260mm, 길이 1m)로 구성되며 총 무게 50kg의 접지전극을 사용하였다.

서지전류를 입사시키기 위한 전류보조전극과 전위보조전극(C극, P극)의 거리는 탄소접지전극의 병설 전과 후를 동일하게 하였고, 임펄스전류가 흐르는 GV전선은 대지표면으로부터 0.8m의 높이에 배선하였으며, 각 측정점의 전위는 리드선을 통해 측정하였다. 리드선은 접지그리드에 흐르는 전류에 의한 전자유도의 영향이 최대한 배제되도록 대각선 방향으로 배치하였다. 10m×10m 접지그리드의 대칭성을 고려했을 때 중복되는 지점의 측정은 생략하였다. 탄소접지전극을 병설한 후 측정한 접지그리드의 전위상승은 각 조건에서 입사된 단위전류당 전위상승으로 평가하였다.

2.2 시뮬레이션방법

임펄스전류의 입사에 따른 접지전극시스템의 전위상승에 대한 특성은 EMTP기반으로 해석하는 것이 적합하다. 시뮬레이션 결과와 실측결과를 비교하면 시뮬레이션에 적용한 모델의 타당성과 결과의 신뢰도, 그리고 실측에 포함되는 오차 및 불확도를 평가할 수 있게 된다. 또한 시뮬레이션은 접지전극을 시공하기 전에 실측할 수 없는 임펄스전류의 상승시간에 대한 접지전극시스템의 전위상승의 평가와 대지저항률이 다른 임의의 대지에 설치된 접지시스템의 전위상승을 예측할 수 있다.

10m×10m, 4메시 접지그리드에 탄소접지전극을 병설한 조건에 대한 EMTP해석을 위한 모델회로도를 그림. 2에 나타내었으며, 기본적으로 접지그리드의 모델과 탄소접지전극의 모델을 합성하였다. 따라서 탄소접지전극을 병설하지 않은 경우는 접지그리드만의 회로모델을 적용하여 해석하면 된다^[16,17]. 접지그리드의 전위상승을 산출하기 위한 시뮬레이션은 불균일 분포정수회로 모델(Non-uniform distributed constant circuit model)을 이용하여 Matlab으로 연산하였고, 그 연산된 값을 EMTP에 입력된 $R$, $L$, $C$값으로 치환하여 EMTP를 기반으로 해석하였다^[18].

Fig. 2. Circuit model of simulating the impulsive potential rise on the grounding grid based on EMTP

탄소접지전극은 접지그리드에 비하여 길이가 상대적으로 짧기 때문에 분포정수이론모델을 적용하였다. 접지그리드와 탄소접지전극을 병설한 접지그리드에 서지전류가 입사하는 위치에 따른 전위상승을 산출하여 비교․분석하여 접지임피던스의 저감과 접지전위상승에 미치는 탄소접지전극의 효과를 검토하였다.

3.1 임펄스전류의 입사점에 따른 전위상승

3.1.1 입사점 ①인 경우 전위상승

정극성 최초 뇌격전류를 대표하는 파두시간 10㎲의 임펄스전류를 접지그리드의 코너인 ①점에 입사시켰을 때 접지그리드에 탄소접지전극을 병설하기 전과 후에 측정점 ①, ⑤, ⑨의 전위상승을 측정한 파형을 그림. 3에 나타내었다. 또한 탄소접지전극의 병설 전과 후에 대한 각 측정점에서의 전위를 입사전류로 나눈 단위전류당의 전위상승에 대한 결과의 비교를 그림. 4에 나타내었다. 변화율이 비교적 작은 파두시간 10㎲의 임펄스전류가 입사된 때 접지그리드의 각 측정점의 전위차는 거의 나타나지 않았다^[18,19].

Fig. 3. Potential rises at each measuring point of the test grounding grid

Fig. 4. Comparison between the potential rises at measuring points ①, ⑤, ⑨

측정점의 위치에 따른 전위상승의 피크는 거의 같은 것으로 나타났고 탄소접지전극의 병설 전의 단위전류당 ①, ⑤, ⑨의 전위 피크에 대해 75.7%, 76.9%, 78.8%의 전위상승의 저감을 나타내었다.

탄소접지전극의 병설 전과 병설 후의 접지그리드상의 측정점 ①, ②, ③에서 임펄스전류와 전압 파형에 대해 1A의 전류에 대하여 비교하기 위해 전위의 피크를 입사전류의 피크로 나눈 것을 비교한 것을 그림. 5에 나타내었다. 접지그리드상의 ①, ②, ③점의 탄소접지전극의 병설 전의 전위에 대한 병설 후의 백분율은 60.5%, 63.1%, 62.5%로 낮게 나타났다.

Fig. 5. Comparison between the potential rises at measuring points ①, ②, ③

접지그리드상의 ①, ⑤, ⑥점의 전위상승을 비교한 것을 그림. 6에 나타내었다. 파두시간 10㎲의 임펄스전류에 대한 탄소접지전극의 병설 후 병설 전의 전위상승에 대한 전위상승의 백분율은 70.7%, 71.1%, 71.1%로 각각 저감되어 나타났다.

Fig. 6. Comparison between the potential rises at measuring points ①, ⑤, ⑥

3.1.2 입사점 ②인 경우 전위상승

임펄스전류가 접지그리드의 접속점 ②의 위치에 입사되었을 때 측정점 ②, ③, ⑥의 전위상승의 비교를 그림. 7에 나타내었다. 파두시간 10㎲의 임펄스전류에 대한 탄소접지전극의 병설 후의 전위상승의 병설 전의 전위상승에 대한 백분율은 각각 59.7%, 59.6%, 60%로 나타났다. 입사한 임펄스전류의 파두시간이 비교적 길은 10㎲이어 측정지점의 위치의존성이 작게 나타났다.

Fig. 7. Comparison between the potential rises at measuring points ②, ③, ⑥

접지그리드상의 ②, ⑤, ⑨의 전위상승을 비교한 결과를 그림. 8에 나타내었다.

Fig. 8. Comparison between the potential rises at measuring points ②, ⑤, ⑨

접지그리드에 탄소접지전극을 병설한 후의 전위상승의 백분율은 병설하기 전에 비하여 66.2%, 66.3%, 67.3%로 각각 저감되었다.

3.1.3 입사점 ⑤인 경우 전위상승

탄소접지전극의 병설 전과 후 접지그리드의 중앙에 임펄스전류를 입사하였 때 측정점 ⑤, ⑥, ③의 전위상승을 비교한 결과를 그림. 9에 나타내었다. 접지그리드에 탄소접지전극을 병설한 후 전위상승은 병설하기 전에 비하여 70.7%, 71.1%, 72.4%인 것으로 나타났다.

Fig. 9. Comparison between the potential rises at measuring points ③, ⑤, ⑥

임펄스전류를 접지그리드에 입사시킬 때 서지전류발생기의 충전전압과 회로조건에 따라 크기가 변동되므로 단순히 전위상승의 크기만으로 비교하여 평가하기는 곤란하다. 따라서 입사전류에 대한 상대적 비교를 위해 저감률로 평가하였으며, 이의 결과의 요약을 표 1에 나타내었다.

Table 1. Reduction rates of the measured potential rises as a function of injection point of currents

$\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad$ Measuring point Injection point	①	②	③	⑤	⑥	⑨
①	30.9%	36.9%	37.5%	36.5%	28.9%	21.1%
②		37.1%	58.7%	33.7%	40%	32.7%
⑤				29.3%	28.7%	27.6%

접지그리드의 전위상승의 저감률은 임펄스전류의 입사점에서 멀수록 작게 나타났으며, 접지그리드의 중앙점에 임펄스전류를 입사시킨 경우 전위상승의 저감률은 가장 낮게 나타났다. 이는 접지그리드의 중앙점에 임펄스전류를 입사시킨 경우 전위상승 자체가 낮아 저감률도 낮아진 것으로 볼 수 있다. 실험대상의 접지그리드의 중앙과 매 귀퉁이에 탄소접지전극 5본을 병설한 경우 각 접속점의 전위상승은 평균 약 34.3% 감소하였다.

3.2 시뮬레이션 결과

파두시간 10㎲인 임펄스전류가 입사되었을 때 접지그리드와 탄소접지전극을 병설한 접지그리드의 임펄스전류의 입사위치에 따른 전위상승의 산출을 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 접지그리드와 탄소접지전극을 병설한 접지그리드에 임펄스전류가 입사되었을 때 입사위치에 나타나는 전위상승파형의 예를 그림. 10에 나타내었다. 시뮬레이션한 결과는 실측된 결과보다 1A당 전위상승이 상대적으로 약간 높게 나왔고 임펄스전류의 입사위치에 따른 편차는 좀 더 작은 것으로 나타났다.

Fig. 10. Simulated results of the potential rise on the test grounding grid subjected to impulse currents

임펄스전류의 입사점에 따른 탄소접지전극의 병설 전과 후의 접지그리드의 전위상승에 대한 시뮬레이션한 결과는 그림. 11에 나타낸 바와 같이 모두 동일하게 나타났다.

Fig. 11. Simulated results of the potential rise at each connection points of the test grounding grid when the impulse current is injected at the points ①, ② and ⑤

즉 파두시간 10㎲의 임펄스전류에 대해서 입사위치에 상관없이 탄소접지전극을 병설한 후의 전위상승은 병설 전에 비하여 1A당 대략 5.85V 낮게 나타났으며, 전위상승의 저감률은 약 36.5%이었다.

파두시간 10㎲의 임펄스전류에 대한 접지그리드의 전위상승은 측정대상의 접지그리드의 치수에 비하여 파두부의 상승률이 비교적 작기 때문에 임펄스전류의 입사위치 및 측정위치의 의존성이 나타나지 않았다.

접지그리드의 전위상승에 미치는 요인으로 볼 수 있는 임펄스전류의 입사위치와 측정위치에 따른 전위상승의 저감률에 대한 측정결과와 시뮬레이션결과의 비교를 표 2에 나타내었다. 측정결과와 시뮬레이션결과의 차이는 0∼22.2%의 범위이었으며, 평균 편차는 6.2%로 양호한 정확도를 나타내었다. 실험대상의 접지그리드에 5본의 탄소접지전극을 병설한 경우 접지그리드의 전위상승의 저감률의 측정값은 평균 34.3%, 시뮬레이션결과는 36.5%로 이의 차이는 시뮬레이션결과가 약 2.2% 높게 나타났다. 접지 통상 접지저항의 측정에 대한 오차를 감안해 볼 때 제안하는 시뮬레이션방법을 접지설계에 적용하여도 충분한 정확도를 갖는 것으로 볼 수 있다.