2.1 물의 저항률 및 대지저항률의 측정

접지저항 측정에 앞서 저수지의 물의 저항률 및 저수지 인접한 대지의 저항률을 측정하였다. 물의 저항률은 휴대용 전기전도율계를 이용하였다. 사용된 계측기의 모델명은 CM-31P 및 CT-27112B 프로브셀을 이용하였다. 해당 모델의 비저항 측정방식은 교류 2전극법을 이용하며, 물의 전기비저항 0.1Ω·m ∼ 10kΩ·m, 전기전도율 0.1mS/m ∼ 10S/m의 측정범위를 갖는다.

물질의 저항률은 온도에 따라 변하며, 일반적으로 온도가 높아지면 금속의 저항률은 증가하는데, 반도체나 전해질의 저항률은 감소한다. 토양에 함유되어있는 수분도 전해질이므로 대지저항률은 그림 2와 같이 온도상승과 더불어 감소한다. 따라서, 전해질로 이루어진 물의 전도도와 저항은 온도에 영향을 받으며 수온이 올라가면 전도도는 상승하고, 저항률은 떨어진다⁽⁶⁾.

실험대상 저수지의 물의 온도는 7.4°C이고, 최대 깊이는 3m 이하의 낮은 깊이를 가지고 있기 때문에 수면과 바닥면의 온도차가 크기 않으므로 측정된 저항률은 49.4Ω·m의 단층 구조로 볼 수 있다고 가정할 수 있다. 저수지의 대지저항률과 온도의 측정값을 그림 3에 나타내었다.

저수지에 인접한 대지의 저항률은 Wenner의 4전극법을 이용하여 측정하였다. 그림 4은 Wenner 4전극법의 개요도이다. 측정은 4개의 전극을 설치하고 바깥쪽의 전극간에 흐르는 전류 I을 공급하였을 때 안쪽 전극에 유도되는 전압 V을 측정하여 대지저항률을 산출하는 방법이다.

전극의 매설깊이 대비 간격 $a$가 충분히 크다면 식 (1)과 같이 전극간격 $a$에 대하여 (0.75 ∼ 1)$a$에 해당하는 대체적인 깊이의 토양의 겉보기 대지저항률 $\rho$를 가늠할 수 있다.

전극간격 $a$는 1m에서 10m까지 1m 간격으로 점차 증가시켜 측정된 결과를 그림 5에 나타내었다. 전극간격이 증가할수록 감소 후 증가하는 형태로 나타났으며 이에 따른 대지의 구조는 2층 구조로 파악된다. 저수지 주변 표토층의 대지저항률은 231Ω·m이고 평균적인 대지저항률은 225Ω·m로 측정되었다.

2.2 접지전극 위치에 따른 접지저항 측정

접지전극이 매설되는 토양의 대지저항률은 토양의 특성, 계절의 변화, 토양의 구조 등 환경 특성에 따라 다양하게 변화된다. 토양의 특성은 토질이나 토양 내 함유되어 있는 화학물질, 염분, 수분함유량 등에 따라 변화한다^(7,8). 한편 수중에 접지를 하는 경우 대지의 저항률에 비하여 비교적 낮기 때문에 접지의 효과가 높다고 판단되지만 그동안 이에 대한 실험 등이 충분하지 않았기 때문에 시공 위치에 따른 접지시스템의 효과를 비교하기 위하여 접지전극 설치 위치를 다양하게 조합하여 접지저항을 측정하였다.

수상 태양광 발전설비의 구조체용 접지를 위한 접지전극이 위치할 수 있는 조건은 크게 3가지로 나뉘어진다. 수상 태양광 발전방식의 특수성으로 인하여 구조체 인근 물속에 접지하는 방법이 있으며⁽⁹⁾, 물가 근처의 수변에 접지전극을 접지하는 경우, 그리고 접지도선을 대지로 인출하여 대지에 접지전극을 설치하는 경우를 고려해 볼 수 있다. 또한 상기 방법에서 2개 이상을 병렬로 시설하여 접지저항을 저감시키는 방법도 있다. 설치위치에 대한 측정 개요도는 그림 6에 나타내었다.

전위강하법은 무한 원점에 대한 전위상승을 기초로 하며, 현실적으로 유한 구간의 전위상승을 적용하고 있다^(5,8). 측정 방법은 그림 7과 같으며, 각 조건별 동일 조건으로 비교하기 위하여 접지도선의 길이는 동일하게 각각 20m 및 접지전극의 형상은 1m로 구성하였다. 설치된 수상 태양광 발전설비의 위치상 접지(E)극을 정 중앙에 위치시키고 전위보조전극(P)극과 전류보조전극(C)극을 180° 방향으로 위치시켰다. 일반적으로 P극와 C극은 측정전류에 의한 유도전위의 영향을 최소화 하기 위해서 90°로 위치시키지만, 현장조건상 보조전극 배치의 어려움이 있고 인가된 전류가 120Hz 이하로 낮은 주파수 범위이기 때문에 큰 영향은 없다고 판단된다.

따라서 현장의 상황에 맞게 그림 8과 같이 180°로 조건으로 설치를 하였으며 E극에서부터 약 50m의 거리에 P극과 C극을 각각 위치시켰다.

2.3 접지전극 위치에 따른 실험 결과

수상 태양광 발전설비의 구조체용 접지를 위해서 설치될 수 있는 접지전극의 대표적인 3가지 경우에 대해서 총 7가지의 설치 경우의 수가 발생한다. 총 7가지의 경우에 대해서 접지저항을 측정하였고 그 결과를 표 2에 나타내었다.

가장 높은 접지저항을 나타내는 경우는 저수지 근처의 대지에 접지전극을 단독으로 설치한 경우(CASE III)로 나타났다. 가장 낮은 접지저항은 접지전극의 3가지 조합을 병렬로 시설하였을 때(CASE I+II+III)로 나타났다. 대지에 접지전극을 설치한 경우인 CASE III을 기준으로 나머지 경우에 대한 비율을 나타내었을 때, 물속의 접지전극을 병설로 연결한 경우 대지에만 접속한 경우보다 50% 이상의 저감효과가 나타났다. 접지전극을 물속과 수변 그리고 대지에 모두 설치한 경우 약 60%의 저감효과가 나타났다. 이는 대지저항률이 225Ω·m 대비 물의 저항률이 49.4Ω·m로 매우 낮기 때문이며, 훌륭한 전도체로 작용하기 때문이다. 또한 물에 단독으로 접지한 경우보다는 가능한 병렬로 접지하는 방법이 접지저항을 더욱 낮추기 위한 좋은 방법임을 알 수 있다.

2.4 시뮬레이션

전원계통의 지락사고에 의한 고장전류 또는 낙뢰에 의한 뇌격전류가 접지전극에 흐르면 접지전극의 전위를 비롯하여 접지전극 주위의 전위가 상승하게 된다. 지락고장에 기인한 접지전류에 의해서 형성되는 전위상승은 다른 설비에의 영향과 인체에 대한 감전사고 등을 가져온다^(6,11). 또한 접지전극의 전위가 상승하게 되면 인체에 대한 감전뿐만 아니라 공통으로 접지를 한 설비에 영향을 미치게 되며, 전자기기의 절연파괴, 오동작이나 파손을 초래할 수도 있다. 접지전극 주위의 전위상승은 접지설비의 근본 목적인 안전성과 직접적으로 관련되므로 접지설계에 있어서 대단히 중요한 고려사항 중의 하나이다⁽¹⁰⁾.

수상 태양광 발전설비에 직격뢰가 인가되는 경우를 가정하여 10/350㎲ 최초 뇌격전류파형을 인가하였을 때의 전위를 접지전극이 매설되는 조건과 토양의 대지저항률에 따라 시뮬레이션을 수행하였다. 수상 태양광 발전설비의 접지전극에 대한 접지저항은 저주파수 영역에서 접지특성을 분석하는데 적합하지만 일반적으로 수상 태양광 발전설비는 옥외에 설치되는 상황에 따라 낙뢰에 의한 영향을 무시할 수 없다. 이에 따라 표준뇌격전류파형인 10/350㎲에 대한 과도전위상승을 분석할 필요가 있다. 하지만 실제 뇌격전류발생기를 이용하여 실험하는 것이 현실적으로 불가능하기 때문에 이를 접지해석에 가장 많이 사용되는 CDEGS 시뮬레이션으로 대체하였다. 사용된 CDESG의 정보는 SES에서 개발된 Ver. 16.2를 이용하였다.

시뮬레이션 조건은 그림 9에 나와있는 것처럼 3가지 경우를 모의하였다. 접지전극이 물속에 있는 경우, 저수지 바닥에 설치되는 경우 마지막으로 인근 대지에 매설되는 경우이다. 저수지의 대지저항률이 약 50Ωㆍm임을 감안하여 주변의 대지의 대지저항률은 100, 200, 500Ωㆍm 각각 가정하였다. 10/350㎲ 1kA 표준뇌격전류파형에 의한 접지전극에서의 과도전위상승 결과를 그림 10에 나타내었다.

뇌격전류파형에 의한 전위상승은 접지전극이 매설되어 있는 대지 혹은 물의 대지저항률과 밀접한 관계를 갖는다. 전위상승이 가장 높은 경우는 대지저항률이 물보다 상대적으로 높은 대지에 매설된 경우 특히 저수지의 근처에 매설된 경우가 가장 높게 나타났다. 접지전극이 저수지의 바닥에 매설된 경우 물과 인접하기 때문에 상대적으로 접지전극의 전위상승이 낮게 나타났다. 대지저항률이 100 Ωㆍm인 경우 CASE Ⅰ와 Ⅱ의 경우 비슷한 전위상승을 보였다. 하지만 대지저항률이 500Ωㆍm인 경우 과도전위상승은 CASE Ⅰ와 CASE Ⅱ는 각각 180kV와 690kV로 나타났다.

접지전극 설치조건에 따른 과도전위상승의 최대값을 표 3에 나타내었다. 물의 대지저항률이 가장 낮기 때문에 물속에 위치한 접지전극에서 주위 대지의 대지저항률에 상관없이 과도전위상승이 가장 낮게 나타났다. 수상 태양광 발전설비의 특성상 물위에 고정을 시켜야 하는 경우 저수지의 바닥에 앵커형태로 고정을 시키는 경우가 있다. 경우에 따라서는 해당 앵커를 접지전극으로 사용하는 경우가 있는데 표 3의 CASE Ⅲ의 결과에서 보는바와 같이 저수지 바닥의 대지저항률이 점점 높아짐에 따라 높은 과도전위상승이 발생한다. 따라서 앵커를 접지전극으로 활용하는 경우에는 CASE Ⅰ의 접지방식과 병행하여 설치하는 것이 전위상승을 억제시키는 목적에 바람직하다고 볼 수 있다. 이는 두 접지전극을 병렬 연결하여 접지저항을 낮추고 빠른 상승시간을 갖는 뇌격전류를 앵커에 의해 대지로 방류시키는 것보다 더 빨리 방류시켜서 전위상승을 감소한다.