2.1 실험장치의 구성

본 연구에서는 토양의 전리현상이 침부접지전극 주위에서 대지표면전위상승에 미치는 영향을 분석하기 위해 전극계, 임펄스전압 발생장치 및 측정장치 등으로 실험계를 구성하였으며, 이의 개략도와 전극계의 사진을 그림 1과 그림 2에 나타내었다. 토양의 전리작용을 촉진시키는 침부 접지전극계를 사용하였고, 실험전압은 최대 20kJ의 용량과 400kVp 전압을 갖는 Marx발생장치로 공급하였으며 용량성 분압기로 검출하도록 구성하였다.

실험용기는 반경 255mm의 아크릴 관을 이용하였으며, 접지전극을 실험용기 표면의 중앙지점으로부터 30mm 지점에 고정시켰다. 시료토양으로 국내의 지형의 특성을 대표할 수 있는 대지의 저항률로1000Ω․m, 500Ω․m, 100Ω․m, 10Ω․m의 모래를 사용하였다. 대지저항률은 대지의 지형, 토양의 성분, 기후, 토양에 함유된 화학적 성분 등 여러 가지 요소에 의해서 변하게 된다. 대지를 토양의 저항률 크기에 따라 분류하면 1000Ω․m 이상을 대저항률, 100Ω․m 이상 1000Ω․m 미만을 중저항률, 100Ω․m 이하를 저저항률로 구분하며 국내의 일반적인 토양은 100Ω․m의 저항률을 가진다. 따라서 국내의 암반지대, 내륙의 평야지대, 일반적인 지형을 비롯하여 해안지역까지 분류된 지형들을 대표할 수 있는 파라미터 값으로 4가지 저항률 조건을 설정하여 실험을 수행하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of the experimental set-up

Fig. 2. A photograph of the test cell

2.2 실험방법

본 실험용기에 모래를 채우고 저항률에 따른 대지표면전위변동을 저항률 1000Ω․m, 500Ω․m, 100Ω․m, 10Ω․m에서 관찰하기 위해 모래에 염화나트륨(NaCl)과 수돗물을 골고루 흡수되도록 적절하게 혼합하여 조절하였다. 모래의 저항률은 Wenner 4전극법을 이용하여 투명아크릴 용기 ASTM G 57-95 의 양쪽 면에 0.1 × 0.1×0.1m 크기의 전극을 부착하여 토양의 저항률을 단계적으로 낮추어가며 측정하였다. 접지전극으로부터 거리별 전압과 전류의 파형 및 모래의 전리 특성을 관찰하기 위한 실험은 오직 측정거리와 저항률만 변화를 주어 실험을 수행하였다.

Marx형 임펄스전압발생장치를 이용하여 각각의 저항률에 따라 침부 접지전극에 공급되는 시험 전압을 단계적으로 상승시키며 전압파형을 관찰하였다. 이 때 토양의 저항률을 파라미터로 하여 토양의 전리현상을 분석하였다.

접지전극에 인가되는 임펄스전압은 용량성 분압기와 감쇠기를 연결하여 10,000 : 1의 비율로 축소하여 측정하였다. 방전전류는 0.1V/A의 변류기와 분류기를 사용하여 측정하였으며, 마지막으로 인가전압과 모든 파형은 BW 500MHz, 2.5GS/s의 성능을 갖는 오실로스코프로 관측하였다.

3.1 접지전극으로부터 거리에 따른 대지표 면전위 파형

지표면에 형성되는 대지표면전위상승의 변동특성을 파악하기 위해 실험용 접지전극으로부터 거리를 파라미터로 하여 전압파형을 관측하였으며, 접지전극으로부터 거리에 따른 전위파형을 그림 3에 나타내었다.

Fig. 3. Typical waveforms of the ground surface potential rise as a parameter of distance and soil resistivity

접지전극에 22kV 전압을 동일하게 인가하여 상대적으로 멀리 위치한 250mm에서의 대지표면 전위는 50mm인 지점의 대지표면전위의 오직 절반 정도의 전압만이 측정되었다. 따라서 접지전극으로부터의 거리가 멀어질수록 동일한 임펄스전압을 가하였을 때 대지표면전위는 선형적으로 낮아지는 실험결과를 얻을 수 있었다.

3.2 토양의 저항률에 따른 대지표면전위 상승

지표토양의 저항률은 접지를 시공하는 토양 내에 함유되어있는 화학물질, 염분, 수분의 함유량 등에 따라 상당히 변하므로 이들의 특성에 따른 접지저항은 변동하게 된다. 동일한 형상의 같은 치수인 접지전극을 매설하더라도 매설하는 부지 및 토양의 저항률에 따라 접지전극의 성능도 변동하게 된다⁽¹⁾.

대지표면의 전위상승과 토양의 저항률 사이의 상관성을 알아보기 위해서 이 실험용기 안에 저항률이 다른 1000Ω․m, 500Ω․m, 100Ω․m, 10Ω․m 토양에서 대지표면전위의 변동추이를 살펴보았다. 접지전극에 26kV의 전압을 인가하였을 때 대지표면전위상승을 직접 작도한 그래프를 그림 4 (a)와 (b)에 나타내었고 가장 낮은 전위값은 저항률 10Ω․m에서 측정되었으며 1000Ω․m에서 가장 큰 전위값이 측정되었다. 따라서 저항률이 증가함에 따라 전위는 상승하는 것으로 나타났다.

3.3 토양의 전리에 따른 접지전극의 대지 표면전위상승과 전류파형

실험용기 안에 모래를 넣고 침부 접지전극에 임펄스전압을 가하였을 때 토양의 전리가 발생한 때 접지전극의 대지표면전위와 전류파형의 특성을 잘 나타내는 예로 토양의 저항률을 파라미터로 하여 그림 5 (a)와 (b)에 나타내었다.

22kV, 1.2/50㎲의 표준 임펄스전압을 각각의 저항률의 모래에 설치된 접지전극에 입사시켰을 때 저항률 1000Ω․m 조건에서의 전압이 가장 높게 측정되었으며, 전류의 크기는 저항률 500Ω․m과 1000Ω․m에서 비슷한 크기로 상승하고 있지만 1000Ω․m보다 많이 흐르는 것으로 나타났다. 그 이유는 접지전극과 모래의 알갱이 사이에 작은 공극에서 존재하는 커패시턴스 영향으로 전압파형의 경우 파두부의 상승이 급격한 것으로 판단된다⁽⁴⁾. 또한 전류파형은 저항률 100Ω․m의 피크값 부근에서 변동이 완만하였으며, 10Ω․m에서는 전류의 피크치가 동일 시간 때에 다른 저항률과 큰 차이를 보였으며 보다 많은 전류가 흘렀음을 알 수 있다. 저항률 10Ω․m에서 전도전류가 많이 흐르는 현상이 나타났다. 이는 다른 저항률보다 모래에 수분이 더 많이 함유되어 있으므로 수분입자의 열적인 메커니즘 및 전리현상에 의한 것으로 판단된다.

Fig. 4. Ground surface potential rises as a soil resistivity

Fig. 5. Potential rise of the ground rod and Injected current waveform

3.4 V-I 곡선 및 R-t 곡선

접지전극에 서지가 침입하게 되어 임계전계 이상이 되면 토양의 전리가 발생하게 되고 전리 반경이 증가할수록 접지저항은 작아지게 된다. 또한 낙뢰에 의한 접지전극의 에너지주입이 종료되면 토양의 전리반경이 감소하고 그에 따라 접지저항도 원래의 크기로 돌아오게 된다⁽⁷⁾. 이러한 토양의 전리의 정도와 접지저항에 따른 특성을 분석하고자 Matlab 프로그램을 이용하여 전압-전류곡선(V-I) 및 과도접지저항곡선(R-t)을 산출하였으며 그림 6 (a)와 (b)에 나타내었다.

V-I 곡선상의 한 점과 원점을 잇는 직선의 기울기는 과도접지저항을 의미하며 전리가 발생하지 않는 경우 전압과 전류가 동시에 변화하여 직선형의 그래프가 나타나게 된다. 직선의 기울기가 작을수록 그만큼 저항이 작다는 것을 의미한다⁽⁴⁾. 토양의 전리가 일어나는 경우 모든 저항률 곡선에서 동일하게 폐루프를 형성하며, 전류가 증가하고 전압이 감소함에 따라 그래프는 시계방향으로 회전하는 것으로 나타났다. 임펄스전압을 저항률 100Ω․m인 모래에서 인가한 경우 상대적으로 작은 폐루프가 형성되었지만 10Ω․m에서 폐루프의 면적이 증가하였다. 따라서 접지전극의 대지표면전위가 높아짐에 따라 V-I 곡선이 시계방향으로 조금씩 회전하는 것을 알 수 있으며 토양의 전리가 활발히 일어난다고 해석할 수 있다. 일반적으로 폐루프의 면적은 물리적으로 에너지를 의미하기 때문에 전류가 많이 흐를수록 더 많은 전리 에너지가 토양으로 방출되는 것으로 판단된다^(8-9).

토양의 전리가 발생할 때 R-t 곡선을 통해 용량성 특성을 확인할 수 있다. 침부 접지전극의 대지표면전위가 높을수록 토양의 전리가 활발히 일어나고 그로인해 과도접지저항곡선의 최저점을 지난 후 접지저항은 탈 전리로 다시 원래 크기로 서서히 증가하는 양상이 나타났다. 토양의 전리영역이 생성된 후 접지전극 주위의 전계의 세기가 높아짐에 따라 접지전극으로 전리영역이 확장되어 과도접지저항이 낮아지는 것으로 분석된다. 따라서 R-t 곡선으로부터 토양의 전리로 인한 접지전극의 전기적 성능이 변화됨을 확인할 수 있다.

Fig. 6. V-I curves and R-t curves