1. 서 론

뇌전류가 접지그리드에 유입하여 전위가 과도적으로 높아지게 되면 컴퓨터나 초소형 반도체 회로로 구성된 정보통신장비 및 전기/전자기기에 매우 치명적인 악영향을 미치게 된다^(1,2). 전기설비의 안전성과 신뢰성 확보에 핵심적 요소인 서지전류에 의한 전위변동이 작은 우수한 성능의 접지시스템을 구축하는 것은 스마트 전력계통, 지능형 건물, 초소형 반도체 제조공정 등 최첨단 산업과 정보화시스템의 효율적인 운영에 필수적 요건으로 대두되었다.

낙뢰 또는 전력계통의 고장으로 발생하는 서지전류에 의한 감전에 대한 보호 또는 전자기기의 절연보호를 위한 접지설계에 있어서는 우선적으로 접지극의 과도적 전위상승에 대한 분석이 필수적으로 이루어져야 한다. 접지극의 전위상승은 접지극의 형상과 치수, 토양의 조건, 입사되는 서지전류의 파형 등의 여러 가지 파라미터에 따라 변화되기 때문에 이러한 조건들을 매개변수로 측정하고 분석하는 실험적 연구는 거의 불가능하다^(3,4). 따라서 다양한 조건에 대한 접지시스템의 성능을 파악할 수 있는 모의해석을 통한 연구가 이루어져 왔으며, 우수한 성능의 접지시스템의 구현에 모의해석방법을 적용하는 것이 현실적으로 합리적이다^(5-10).

따라서 본 논문에서는 스마트 건축물에서 요구되고 있는 우수한 성능의 접지시스템의 설계에 활용될 수 있는 뇌전류에 의한 접지그리드의 과도전위상승의 변동특성을 분석할 목적으로 뇌전류의 파형과 입사위치에 따른 접지그리드 도체의 접속점에서의 전위상승특성을 분석하는 연구의 결과를 기술하였다.

4메시 10m×10m 크기의 접지그리드를 대상으로 하였으며, 수뢰부시스템에서 접지시스템으로 한 개의 인하도선으로 연결된 경우를 가정하였다. 접지그리드에 입사되는 전류원으로는 IEC 62305-1표준⁽¹¹⁾에 제시된 정극성과 부극성의 최초 및 후속 단시간 뇌전류 파형을 적용하였다.

접지그리드가 매설되어 있는 대지저항률을 파라미터로 하여 상용인 CDEGS(Current Distribution, Electromagnetic Interference, Grounding and Soil Structure Analysis)프로그램을 이용하여 다양한 조건에서 접지그리드의 과도전위상승을 분석하였다. 또한 각각의 모의해석 조건에 따른 접지그리드의 과도전위상승파형의 특성과 전위상승분포의 양상에 대하여 상세하게 고찰하였으며, 이를 바탕으로 접지그리드를 기반으로 하는 접지극시스템의 설계와 시공을 위한 활용의 관점에 대하여 중점적으로 검토하였다.

2. 시뮬레이션 조건 및 방법

피뢰시스템의 수뢰부에 입사한 뇌전류가 접지극시스템으로 유입되는 위치와 접지극 도체의 전위상승은 인하도선의 수와 배치 그리고 접지극시스템에 접속하는 방법에 따라 달라진다⁽¹²⁾.

뇌전류에 의한 과도전위상승을 해석하기 위한 시뮬레이션에 적용된 접지그리드는 그림 1에 나타낸 바와 같이 4메시, 10m×10m의 크기이며, 단면적 50[mm2]의 나동선을 대지표면으로부터 1[m]의 깊이에 수평으로 매설한 경우를 대상으로 하였다.

Fig. 1. Incident locations of lightning currents into grounding grid

뇌전류가 동시에 접지그리드의 다중 지점으로 입사되는 경우 서지전류의 전파에 따른 도전성 전위상승과 왕복반사에 따른 전위상승이 복합적으로 작용하여 전위상승의 정확한 원인 분석이 매우 어려우므로 뇌전류가 접지그리드의 1점에 입사하는 경우로 한정하였다. 뇌전류의 입사위치는 접지그리드의 중앙점 그리고 코너와 측변의 중앙 3개소로 하였으며, 입사하는 뇌전류의 크기는 1[kA]로 설정하였다. 뇌전류의 입사에 따른 접지그리드의 전위상승은 뇌전류의 입사점을 비롯하여 접지그리드 도체의 접속점 9개소에서 검출하였다.

뇌전류가 입사한 경우 접지그리드 도체의 접속점 9개소의 과도전위상승은 상용의 CDEGS 프로그램을 이용하여 계산하였다. 본 시뮬레이션에는 피뢰시스템의 수뢰부에 입사되는 뇌격을 모의하기 위해서 적용한 뇌전류파형은 IEC 62305-1 표준에 제시되어 있는 표준 직격뢰 전류파형 3가지인 최초 정극성 뇌전류 10/350[$\mu$s], 최초 부극성 뇌전류 1/200[$\mu$s], 후속 부극성 뇌전류 0.25/100[$\mu$s]의 파형을 대상으로 하였다. 접지그리드가 매설되어 있는 장소의 대지저항률은 10[Ω·m], 100[Ω·m], 1,000[Ω·m]인 경우 각각 과도전위상승에 대한 시뮬레이션을 수행한 결과에 대하여 비교·검토하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 뇌전류의 입사에 의한 접지그리드의 전위상승파형

최근 과도적인 전기신호에 대한 우수한 성능의 접지시스템의 설계와 특성의 해석에 활용되고 있는 상용의 CDEGS 프로그램을 이용하여 표준 뇌전류 파형, 입사점과 접지그리드가 매설된 장소의 대지저항률을 파라미터로 하여 접지그리드 도체의 접속점에서 과도전위상승파형을 해석하였다. 접지그리드의 과도전위상승에 대한 뇌전류 파형의 영향을 분석하기 위하여 접지그리드의 코너 1개소에 뇌전류가 입사한 경우 대지저항률이 10[Ω·m]인 장소에 매설한 접지그리드 도체의 접속점 ①, ②, ⑤, ⑨ 에서의 전위상승파형의 시뮬레이션결과를 대표적으로 그림 2에 나타내었다. 뇌전류의 입사점으로부터 거리가 거의 같거나 대칭적인 위치에서의 전위상승파형의 차이가 거의 없어 변별이 어려운 점과 가독성을 고려하여 ①, ②, ⑤, ⑨ 지점의 전위상승 파형을 대표적으로 비교 및 검토하였다.

그림 2에 나타낸 뇌전류에 의한 접지그리드의 전위파형을 보면 최초 정극성 뇌전류인 10/350[㎲] 파형의 경우조차 입사점에서의 전위상승이 파두부에서 오버슈트가 나타나는 것을 알 수 있다. 그 이유는 접지저항이 작아 접지그리드 도체의 유도전압의 비중이 크게 나타나기 때문이다. 더불어 입사된 모든 뇌전류 파형에 대하여 입사점에서 전위상승파형의 파두부에서 현저한 오버슈트를 나타낸 후 급격히 감쇠하였으며, 입사점 이외의 접속점에서의 전위상승 파형에서는 거의 오버슈트를 나타내지 않았다.

Fig. 2. Potential rise waveforms of grounding grid buried in the earth with resistivity of 10 Ω·m by injecting lightning currents to the corner point ① of the grounding grid

입사점의 전위상승은 접지그리드 도체를 따라 전파하게 되며, 전파과정 동안에 접지극 도체의 저항에 의해 소실되기도 하고 대부분의 전위에너지는 대지로 분산되면서 전파하게 된다^(13,14).

후속 뇌격의 0.25/100[㎲]파형인 뇌전류의 입사점에서 전위상승이 가장 높았으며, 뇌전류의 입사점에서 가까운 ②점에서 높은 전위상승이 나타났으며, 이러한 경향은 대지저항률이 높을수록 뚜렷하게 나타났다. 입사된 뇌전류의 파두시간이 짧고, 입사점에서 멀어질수록 전위상승의 감쇠도 크게 일어나는 것을 알 수 있다. 더불어 대지저항률이 100[Ω·m], 1000[Ω·m]인 장소에 매설한 접지그리드의 코너 ①에 뇌전류를 입사시킨 때 접지그리드 도체의 접속점에 유도된 과도전위상승파형을 각각 그림 3과 그림 4에 나타내었다.

Fig. 3. Potential rise waveforms of grounding grid buried in the earth with resistivity of 100 Ω·m by injecting lightning currents to the corner point ① of the grounding grid

그림 3에 나타낸 접지그리드가 매설된 장소의 대지저항률이 100[Ω·m]인 경우 접지그리드의 과도전위상승파형을 보면 최초 정극성 뇌전류인 10/350[㎲] 파형의 경우 입사점의 전위상승파형에서는 거의 오버슈트를 나타내지 않은 것을 알 수 있다. 후속 뇌격의 0.25/100[㎲] 파형인 뇌전류의 입사점에서의 전위상승이 가장 높았으며, 뇌전류의 입사점에서 거리상으로 가까운 ②점과 중앙인 ⑤점 그리고 입사점에서 거리상으로 가장 먼 ⑨점 순서로 감소하는 전위상승이 나타났다. 뇌전류의 파두시간이 짧고 입사점에서 멀어질수록 전위상승의 감쇠도 크게 일어나는 것을 알 수 있다.

이는 접지그리드의 코너에 입사된 뇌전류가 중앙점을 향하여 전파되는 과정에서 접지그리드 도체의 인덕턴스와 대지로의 흡수에 의해 소멸되기 때문이다⁽¹⁵⁾.

접지그리드가 매설된 장소의 대지저항률이 1,000[Ω·m]인 경우 접지그리드의 전위상승 파형을 나타낸 그림 4를 보면 최초 정극성 뇌전류10/350[㎲] 파형이 입사된 위치에서 전위상승파형에서조차 오버슈트가 발생하지 않은 것을 알 수 있다. 접지저항이 크기 때문에 1/200[㎲] 파형과 0.25/100[㎲] 파형의 뇌전류에 의한 전위상승의 파두부에서의 오버슈트는 대지저항률이 작은 경우에 비하여 작게 나타났다. 또한 접지그리드에 입사된 뇌전류는 대지로의 분산이 잘 이루어지지 않기 때문에 대지저항률이 작을 때에 비하여 동일한 크기의 뇌전류 입사에 대하여 입사점의 전위상승이 대단히 높았으며, 입사점에서 멀어지더라도 전위상승의 감쇠가 완만하여 전반적인 전위분포가 균일해지는 양상으로 나타났다. 접지그리드가 매설된 장소의 대지저항률이 낮은 경우 입사점의 전위상승이 낮아지며 전위상승 분포의 균일도도 낮아지는 것을 알 수 있다. 여기서 전위상승 분포의 균일도는 접지그리드 상의 가장 높은 전위상승 최저의 전위상승의 비를 의미한다.

Fig. 4. Potential rise waveforms of grounding grid buried in the earth with resistivity of 1000 Ω·m by injecting lightning currents to the corner point ① of the grounding grid

접지그리드의 전위상승을 단지 입사되는 뇌전류의 파형만을 영향의 대상으로 하는 것 보다는 접지그리드의 크기와 검출위치, 대지저항률 등의 다양한 요인의 영향을 분석해야 효과적임을 알 수 있다. 또한 뇌전류의 입사점의 수에 따른 전위간섭으로 접지그리드 도체의 전위상승은 매우 복잡한 양상으로 나타날 것으로 예상되며, 향후 다양한 조건에 대한 지속적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.

3.2 뇌전류의 입사점에 따른 접지그리드의 전위상승분포

3.2.1 뇌전류가 접지그리드의 코너에 입사한 경우

뇌전류가 접지그리드의 4개소 코너 중의 하나인 ①점에 입사된 경우 접지그리드 도체의 접속점 9개소의 전위상승에 대하여 시뮬레이션을 실행한 결과 과도전위상승의 피크값으로 분석하였다.

접지그리드의 코너인 ①점에 분석대상인 3종류의 1[kA]의 뇌임펄스전류를 입사시킨 경우 입사된 뇌전류의 파형을 파라미터로 하여 정리한 접지그리드의 전위상승의 분포를 그림 5에 나타내었다.

접지그리드의 전위상승분포를 보면 뇌전류의 파형과 입사위치 그리고 접지그리드가 매설된 장소의 대지저항률의 영향이 현저함을 알 수 있다. 뇌전류를 접지그리드의 코너 중의 한 점에 입사시켰을 때 뇌전류의 입사점에서 전위상승이 가장 높게 나타났다. 특히 접지그리드가 매설된 장소의 대지저항률과 뇌전류 파형에 따른 뇌전류의 입사점에서 전위상승을 접지그리드 도체의 다른 접속점의 전위상승의 배율로 표 1에 나타내었다.

Table 1. Ratios of potential rises at current injection point to those at other point as parameters of the earth resistivity and current waveshapes

	10[Ω·m]	100[Ω·m]	1000[Ω·m]
10/350[㎲]	2.2	1.1	1
1/200[㎲]	16.2	3.2	1.1
0.25/100[㎲]	30.3	11	2.1

이러한 현상은 접지그리드가 매설된 장소의 대지저항률이 낮아 입사된 뇌전류의 대부분이 입사점 근방의 대지로 분산되어 접지그리드 도체로 전파된 비중이 작기 때문인 것으로 보인다. 또한 접지저항이 작으므로 접지그리드 도체의 인덕턴스에 유도전압의 비중이 지배적으로 크게 나타났기 때문이다⁽¹⁶⁾.

Fig. 5. Histograms of the potential rises of grounding grid as a parameter of the earth resistivity by injecting lightning currents to the corner point ① of the grounding grid

3.2.2 뇌전류가 접지그리드 측변 중앙에 입사한 경우

뇌전류가 접지그리드의 측변 중앙인 ②점에 입사되었을 때 접지그리드 도체의 각 접속점의 전위상승 분포를 그림 6에 나타내었다. 뇌전류가 접지그리드의 코너인 ①에 입사된 경우와 마찬가지로 뇌전류의 입사점에서의 전위상승이 가장 높게 나타났다. 또한 접지그리드가 매설된 장소의 대지저항률이 커질수록 접지그리드 도체의 전위상승이 높게 나타났으며, 전위상승은 입사된 뇌전류의 파형에 대한 의존이 현저한 것으로 나타났다. 접지그리드의 전위상승분포의 양상을 보면 뇌전류의 입사점이 접지그리드 코너인 ①점에서의 특성과 비슷한 것으로 나타났다.

정극성 뇌전류 10/350[㎲]의 파형의 경우 접지그리드가 매설된 장소의 대지저항률에 상관없이 접지그리드 전반에 걸쳐 전위상승의 차이가 작은 비교적 균일한 전위상승 분포를 나타내었다. 접지그리드의 뇌전류의 입사점과 다른 지점에서의 전위상승의 비율적 차이는 후속 부극성 뇌격에 대한 0.25/100[㎲] 뇌전류파형의 경우가 가장 크게 나타났다. 접지그리드 상에서의 최대 전위상승은 모든 평가조건에서 입사점에서 나타났으며, 후속 부극성 뇌전류 0.25/100[㎲] 파형이 입사한 경우 대지저항률에 따른 전위상승의 균일도는 대지저항률 10[Ω·m], 100[Ω·m], 1,000[Ω·m]의 경우 각각 약 29, 약 5.2, 약 2.1인 것으로 대지저항률의 증가에 따라 감소하는 것으로 나타났다. 또한 접지그리드에 1/200[㎲] 파형의 최초 부극성 뇌전류가 입사한 때 대지저항률에 따른 전위상승의 균일도는 대지저항률 10[Ω·m], 100[Ω·m], 1,000[Ω·m]의 경우 각각 약 16, 약 2.7, 약 1.1로 뇌전류의 파두시간이 길어짐에 따라 감소하는 것으로 나타났다. 즉, 접지그리드 상의 전위상승의 균일도는 입사된 뇌전류의 파두시간이 길어질수록 작아지는 것을 알 수 있으며, 이러한 양상으로의 변화는 다음과 같이 해석할 수 있다. 즉, 후속 뇌전류 0.25/100[㎲] 파형에 대해 대지저항률이 10[Ω·m]인 경우 대지로 뇌전류가 빠르게 분산되기 때문에 다른 지점으로 전파되기 어려워 전위상승은 상대적으로 낮게 된다. 접지그리드가 매설된 장소의 대지저항률이 클수록 뇌전류는 대지로 분산되지 못하고 접지그리드를 따라 전파하면서 접지그리드의 전위상승이 높아지는 것으로 판단된다.

Fig. 6. Histograms of the potential rises of grounding grid by injecting lightning currents to a side central point of the grounding grid

3.2.3 뇌전류가 접지그리드의 중앙에 입사한 경우

뇌전류가 접지그리드의 중앙인 ⑤점에 입사되었을 때 접지그리드의 전위상승분포를 그림 7에 나타내었다. 접지그리드가 매설된 장소의 대지저항률과 입사된 뇌전류의 파형과 상관없이 접지그리드의 입사점에서 가장 높은 전위상승을 나타내었다.

Fig. 7. Histograms of the potential rises of grounding grid by injecting lightning current to the central point of the grounding grid

접지그리드의 중앙점에 입사된 뇌전류는 4개의 분기도체를 통하여 방사상의 방향으로 전파되기 때문에 접지그리드의 중앙점에서 외곽방향으로 전위분포가 낮아지는 것을 알 수 있다. 최초 정극성 뇌전류인 10/350[㎲] 파형에 대한 전위상승 분포의 균일도는 모든 대지저항률에 대하여 거의 1.2정도로 나타났다.

또한 후속 부극성 뇌전류 0.25/100[㎲] 파형이 입사된 경우 대지저항률에 따른 전위상승의 균일도는 대지저항률 10[Ω·m], 100[Ω·m], 1,000[Ω·m]의 경우 각각 약 24, 약 4.7, 약 1.8인 것으로 입사된 뇌전류가 접지그리드에서 잘 분산되어 전파되므로 전위상승의 집중도가 낮아진 것으로 나타났다. 또한 접지그리드가 매설된 장소의 대지저항률이 1,000[Ω·m]인 경우 입사에서 전위상승의 뇌전류의 파두시간의 의존성도 비교적 작은 것으로 나타났다.

4. 결 론

뇌전류의 파형, 입사위치 및 대지저항률을 파라미터로 하여 접지그리드의 전위상승분포를 분석하는 연구를 수행하여 대지표면으로부터 1[m]의 깊이에 매설된 4메시 10m×10m 크기의 접지그리드에 대한 시뮬레이션으로 얻은 결론은 다음과 같다.

(1) 접지그리드의 과도전위상승은 뇌전류의 파형, 입사위치, 접지그리드가 매설된 장소의 대지저항률에 크게 의존적인 것으로 나타났다.

(2) 뇌전류가 접지그리드 코너의 ①점에 입사된 경우 입사점의 전위상승이 가장 높게 나타났고, 접지그리드의 중앙점에 입사된 경우 전위상승은 상대적으로 낮게 나타났다.

(3) 대지저항률이 낮은 장소에 매설된 접지그리드의 전위상승은 입사되는 뇌전류의 파두시간과 입사위치에 따른 영향이 지배적임을 확인하였다. 그러나 대지저항률이 높은 장소에 매설된 접지그리드의 전위상승에 미치는 뇌전류의 파두시간의 영향은 비교적 작은 것으로 나타났다.

(4) 본 연구에서 제안된 뇌전류에 의한 접지그리드의 전위상승에 대한 모의해석결과는 스마트 건축물과 같이 높은 신뢰성이 요구되는 피뢰설비용 접지극의 설계와 시공에 유용하게 활용될 것으로 기대된다.