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  1. (Dept. of IoT Convergence Industry, Hankyong National University, Korea)
  2. (Dept. of Korea Electric Power Corporation, Korea)
  3. (Dept. of Electrical Engineering, Hankyong National University, Korea)



Surge arresters, Lightning strike, Wind turbine, Ground impedance, Corona

1. 서론

전 세계 많은 국가에서 재생에너지가 경쟁력 있는 주류 에너지원으로 확고히 자리를 잡았고 재생에너지 발전용량은 기록적으로 늘어나고 있다. 파리협정 체결이후 각국 정부의 재생에너지 지원 정책은 강화될 전망이다. 기후변화 대응을 위한 189개국의 국가별 기여방안을 살펴보면 147개국이 재생에너지를 언급하고 있다. 2016년 초를 시점으로 173개국이 재생에너지 목표를 가지고 있고 146개국이 재생에너지 지원 정책을 시행하고 있다[1]. 정부는 전통 기저발전을 담당해 왔던 원전과 석탄발전의 비중을 줄이는 대신 신재생에너지를 확대하는 방향으로 에너지정책을 추진할 계획이며, 신재생에너지 발전 비중을 2030년에 20% 수준까지 끌어 올리는 것이 목표이다[2]. 이렇게 산업구조가 다변화해짐에 따라 전력설비의 급증으로 전력계통의 높은 신뢰성과 안정성이 절실히 요구되며, 전력계통설비의 신뢰성을 확보하기 위한 대책이 필요하다[3]. 현재 전력계통에 사용되는 전력설비의 안정성을 향상시키는 방안중 하나로 전력용 피뢰기를 사용하고 있으며, 정상운전 상태에서의 과도과전압 및 뇌서지 등에 대한 방호 대책으로 사용되고 있다[4-5]. 또한 토양의 저항률과 유전율의 주파수의존성은 접지시스템의 전위 상승과 과도적 성능에 영향을 미치며, 이는 접지임피던스의 주파수 의존성에 직접적으로 관련되기 때문에 접지임피던스와 과도전위상승은 접지시스템의 성능을 평가하는데 사용되는 중요한 파라미터이다[6].

이에 본 논문에서는 EMTP-RV를 이용하여 낙뢰 주파수에 따른 접지 임피던스를 변화에 따라 과전압 영향을 분석하고, 피뢰기의 접지방식과 코로나 영향을 고려했을 때 최대 낙뢰 과전압을 낮추는 방법을 제시한다.

2. 시뮬레이션 구성

2.1 낙뢰 조건 선정

IEC61000-4-5에서 낙뢰나 충격전류 등의 전류파형에 상승속도는 8us, 하강속도는 20us로 정의하고 있다. 본 논문에서는 낙뢰 모델을 EMTP-RV에서 제공하는 Isurge Source를 사용하였으며, 뇌격전류는 0s부터 시작하여 최대치인 15kA의 90%에 도달하는 시간이 8us이며 지속시간은 0.5ms이다[7].

그림. 1. 15kA 낙뢰 전류 파형

Fig. 1. 15kA Lightning

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(1)
$f ( t ) = I _ { \text {light} } \cdot \left( e ^ { A t } - e ^ { B t } \right)$

표 1. 낙뢰 상수

Table 1. Surge Function

진폭[A]

25000

A[1/s]

-9000

B[1/s]

-60000

시작[ms]

0

종료[ms]

0.5

2.2 접지 임피던스

일반적인 상용 주파수 개념에서는 전류의 도통을 방해하는 요소로 저항만을 검토하게 되는데, 접지 측면에서는 이를 접지저항이라고 한다. 접지저항은 DC성분을 기준으로 한 것이며 주파수 개념이 없지만, 차단기 차단동작, 낙뢰전류의 유입 등 과도현상에 의한 고장전류 관점에서 검토하면 고조파 전류가 발생한다. 고주파수의 경우 리액턴스 성분을 검토해야 하고, 이를 접지측면에서는 접지 임피던스를 분석하여야 과도상태를 해결할 수 있다[8]. 표 2는 해수, 점토, 젖은 토양, 점토와 토양이 섞였을 때 등 기반물질의 종류에 따른 대지저항률을 나타낸다[9]. 본 논문에서는 육상을 기준으로 하여 기반물질이 sand일 때 대지저항률을 1000Ω일 때를 상정하였다.

표 2. 기반물질 종류에 따른 대지저항률

Table 2. Earth Resistivity for the Type of Material

Type of Soil or Water

Typical Resistivity[$\Omega$m]

Usual limit [$\Omega$m]

Sea water

3

0.1 to 10

Clay

40

8 to 70

Ground well & spring water

50

10 to 150

Clay & sand mixtures

100

4 to 300

Shale, slates, sandstone

120

10 to 100

peat, loam & mud

150

5 to 250

sand

2,000

200 to 3000

그림. 2는 표준 뇌서지 전압·전류 파형의 주파수 스펙트럼을 나타내었다. 뇌서지 전압·전류는 상당히 높은 주파수 대역까지 분포하고 있기 때문에 접지임피던스를 고려해야 한다. 그림. 3은 대지 저항률이 1000Ω·m일 때 뇌서지의 주파수에 따른 접지임피던스 값을 보여준다[10]. 뇌서지의 주파수가 10kHz 이하일 때는 접지저항과 같고 그 이상의 주파수에서는 유도성 효과에 의해 접지임피던스가 증가하였다[11-13].

그림. 2. 표준 뇌서지 전압·전류 파형의 주파수 스펙트럼

Fig. 2. Frequency due to surge voltage and current

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그림. 3. 주파수에 따른 접지임피던스

Fig. 3. Ground Impedance According to Frequency

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2.3 접지방식

공통접지 방식은 국제기술규격인 IEC에서 규정화 및 사용을 권고하고 있으며, 국내 접지방식은 일본과 같은 단독접지를 사용 중이었지만, 2005년 이후 KSC-IEC의 개정으로 공통접지 방식을 권장하고 있다. 단독접지를 사용하였던 일본은 JIS의 재개정을 진행하여 건물 내부의 환상접지모선, 피뢰기용 접지, 철탑 및 피뢰침의 인하도선 등 모든 접지를 연접하여 시설전체의 접지 간에 전위차가 발생하지 않도록 구성하였다.

2.3.1 공통접지 방식

공통접지 방식은 전력계통을 하나로 묶고 통신, 피뢰를 따로 접지하여 세 개의 접지로 된 방식이며 뇌 전류로 인한 각각의 장비간의 전위 차 발생을 방지시키며, 등전위성으로 뇌 전류와 고장전류를 여러 접지 전극에서 동시에 대지에 방전 할 수 있는 있다. 또한 접지 배선, 구조가 단순하여 보수점검이 편리한 장점이 있다.

2.3.2 연접접지 방식

연접접지는 개별적으로 부설한 접지극끼리 연결하는 방법으로, 공통 접지는 하나의 접지극에 접지선을 다수 연결하는 방식이지만, 연접접지는 다수의 접지극에 접지선을 서로 연결시키는 방식이다. 그렇기 때문에 접지를 연접하여 접지 간 전위가 동일화하여 낙뢰 서지 발생 시 전위차를 제로로 하여 낙뢰 또는 개폐 서지에 의한 이상전압 발생 시 전위 상승을 억제하여 기기 고장이나 감전 사고를 방지할 수 있다.

그림. 4. 공통접지와 연접접지 예

Fig. 4. Common and Connecting Ground

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2.4 코로나

코로나는 잡음과 통신장해, 전력손실 등을 초래하지만. 애자나 전선 등의 부식을 가속화하여 열화를 일으켜 절연능력을 저하시키기 때문에 이에 대하여 코로나 발생 시 과도상태에 대한 연구가 필요하다. 코로나 모델은 Suliciu 모델[14]을 이용하여 3상 코로나 장치를 사용하였다. 그림. 5는 EMTP-RV에서 제공하는 Suliciu 코로나 모델을 이용한 전류 파형으로 송전라인에서 3상 코로나 모델을 구현한다. 이 코로나 전류는 최초 0.05ms에서 발생하여 0.35ms, 0.65ms에서 각각 약 6.08kA, 4.86kA, 3.65kA로 시간이 지날수록 발생 크기가 점점 줄어든다.

그림. 5. 코로나 전류 파형

Fig. 5. Corona Current Waveform

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3. 시뮬레이션 결과

그림. 6은 EMTP-RV를 이용하여 모의 풍력발전단지를 구성하였다. 풍력발전기는 RLC소자를 이용하여 모델링하였고, 낙뢰는 2.1절의 Isurge 소자를 이용하였다. 내부망의 정상상태는 33kV, 외부망의 정상상태는 154kV이며 피뢰기의 접지 임피던스의 결선 방법을 공통 접지방식과 연접접지방식으로 하였을 때 및 코로나의 영향을 고려하여 내부전력망의 과전압을 분석하였다. 시뮬레이션 조건으로 낙뢰는 풍력 발전기의 블레이드에 뇌격되었을 때를 가정하였고, 그림. 3에서 대지 저항률이 1000Ω·m이고 뇌서지의 주파수가 100kHz, 1MHz, 10MHz일 때 접지 임피던스는 각각 약 60Ω, 100Ω, 110Ω이므로, 각 임피던스에 대해 시뮬레이션 하여 과전압을 비교·분석하였다.

그림. 6. 모의 풍력발전단지 모델링

Fig. 6. Wind Farms Modeling

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본 논문에서는 국내 접지방식이 단독접지방식을 사용중이었다가 2005년 KSC-IEC 개정 후 공통접지를 사용하는 국내 접지방식과 비교하기 위하여 IEC에서 권장하고있는 공통접지 방식과 일본에서 사용 중인 연접접지 방식으로 하였을 때 시뮬레이션을 통해 낙뢰 과전압을 비교·분석 한다.

또한 접지방식에 따라 코로나 발생 시 과도 상태를 분석하고, 코로나가 발생하여 변압기와 변전소를 연결하는 송전선로의 절연내력이 저하되었을 때, 낙뢰 시 낙뢰 과전압의 변화를 비교·분석 한다.

3.1 공통접지방식에서 접지 임피던스에 따른 낙뢰 과전압

피뢰기의 접지방식을 공통접지로 하였고, 이 때 접지 임피던스에 따른 낙뢰 과전압의 최대치를 비교하였다. 접지임피던스가 60Ω일 때 낙뢰 과전압의 최대치는 약 308.551kV의 낙뢰 과전압이 걸렸다. 접지 임피던스가 100Ω일 때ㄹ는 약 403.651kV, 110Ω일 때는 약 421.874kV로 접지 임피던스가 높을수록 낙뢰 과전압의 크기도 크게 증가하였다.

그림. 7. 공통접지방식에서 피뢰기 접지 임피던스가 60Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 7. In the Common Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 60Ω

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그림. 8. 공통접지방식에서 피뢰기 접지 임피던스가 100Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 8. In the Common Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 100Ω

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그림. 9. 공통접지방식에서 피뢰기 접지 임피던스가 110Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 9. In the Common Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 110Ω

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3.2 연접접지방식에서 접지 임피던스에 따른 낙뢰 과전압

피뢰기의 접지방식을 연접접지로 하였고, 이때 접지 임피던스에 따른 낙뢰 과전압의 최대치를 비교하였다. 접지 임피던스가 60Ω일 때 낙뢰 과전압의 최대치는 약 246.834kV의 낙뢰 과전압이 걸렸고, 100Ω일 때는 약 322.142kV, 110Ω일 때는 약 349.465kV로 공통접지일 때와 마찬가지로 접지 임피던스가 높을수록 낙뢰 과전압의 크기도 크게 증가하였지만 연접접지방식을 했을 때 공통접지방식보다 약 17%~20% 정도 낙뢰 과전압의 최대치가 감소하였다.

그림. 10. 연접접지방식에서 피뢰기 접지 임피던스가 60Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 10. In the Connecting Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 60Ω

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그림. 11. 연접접지방식에서 피뢰기 접지 임피던스가 100Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 11. In the Connecting Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 100Ω

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그림. 12. 연접접지방식에서 피뢰기 접지 임피던스가 110Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 12. In the Connecting Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 110Ω

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3.3 코로나 영향을 고려한 공통접지방식에서 접지 임피던스에 따른 낙뢰 과전압

시뮬레이션 조건은 3.1절과 동일하고, 추가로 뇌격 발생 시 코로나 영향을 추가로 고려하였을 때 최대 낙뢰 과전압을 비교하였다. 피뢰기의 접지방식을 공통접지로 하였을 때 접지 임피던스가 60Ω일 때는 낙뢰 과전압의 최대치가 약 577.074kV, 100Ω일 때는 약 763.461kV, 110Ω일 때는 약 799.177kV로 큰 과전압이 발생하였다.

그림. 13. 코로나 영향을 고려하였을 때 공통 접지방식에서 접지 임피던스가 60Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 13. In the Common Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 60Ω with Corona

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그림. 14. 코로나 영향을 고려하였을 때 공통 접지방식에서 접지 임피던스가 100Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 14. In the Common Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 100Ω with Corona

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그림. 15. 코로나 영향을 고려하였을 때 공통 접지방식에서 접지 임피던스가 110Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 15. In the Common Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 110Ω with Corona

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3.4 코로나 영향을 고려한 연접접지방식에서 접지 임피던스에 따른 낙뢰 과전압

피뢰기의 접지방식을 연접접지로 하였고, 코로나 영향을 고려하였을 때 접지 임피던스에 따른 낙뢰 과전압의 최대치를 비교하였다. 접지 임피던스가 60Ω일 때 낙뢰 과전압의 최대치는 약 445.08kV의 낙뢰 과전압이 걸렸고, 100Ω일 때는 약 614.202kV, 110Ω 일 때는 약 653.355kV로 3.2절과 비교하여 코로나 영향을 고려하였을 때 과전압의 최대치가 약 44~46%정도 상승하였다.

그림. 16. 코로나 영향을 고려하였을 때 연접 접지방식에서 접지 임피던스가 60Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 16. In the Connecting Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 60Ω with Corona

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그림. 17. 코로나 영향을 고려하였을 때 연접 접지방식에서 접지 임피던스가 100Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 17. In the Connecting Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 100Ω with Corona

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그림. 18. 코로나 영향을 고려하였을 때 연접 접지방식에서 접지 임피던스가 110Ω일 때 낙뢰 과전압

Fig. 18. In the Connecting Grounding Method, When the Lightning Arrestor Ground Impedance is 110Ω with Corona

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4. 결 론

본 논문에서 풍력발전단지에서 피뢰기의 접지방식과 코로나 영향을 고려하여 접지 임피던스가 변화되었을 때 낙뢰로 인한 과전압의 영향을 분석하였다.

피뢰기의 접지방식을 공통접지와 연접접지로 하였을 때 접지 임피던스의 변화에 따라 내부망에 걸리는 과전압을 비교하였고, 공통으로 피뢰기의 접지 임피던스가 상승했을 때 낙뢰 과전압도 상승하였고, 연접접지방식을 하였을 때 공통접지방식 때보다 과전압의 최대 크기가 약 20%정도 감소하였다. 코로나 영향까지 고려하였을 때는 낙뢰만 맞았을 때 보다 약 44~47%의 과전압이 상승하지만, 연접접지방식을 채택하였을 때가 공통접지방식보다 코로나 영향으로 인한 과전압 상승폭이 더 작았고, 전체 과전압 또한 최대 약 29% 정도 줄어들었다. 따라서 과전압 영향을 저감하기 위해서는 가능한 낮은 접지 임피던스를 유지하며, 피뢰기의 접지방식을 연접접지방식으로 하는 것이 과전압 저감효과 높다.

감사의 글

본 연구는 한국전력공사의 2018년 선정 기초연구개발 과제 연구비에 의해 지원되었음. (과제번호 : R18XA06-59)

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저자소개

김 진 혁 (Jin-Hyuk Kim)
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1991년 1월 6일생

2017년 한경대 전기공학과 졸업

2017~현재 동 대학원 IoT융합산업학과 석사과정

김 규 호 (Kyu-Ho Kim)
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1966년 3월 8일생

1988년 한양대 전기공학과 졸업

1990년 동 대학원 전기공학과 졸업(석사)

1996년 동 대학원 전기공학과 졸업(공박)

1996년 신안산대학 전기과 부교수

2011년 9월~2012년 8월 Baylor University Visiting Scholar

2008년 9월~현재 국립한경대학교 전기공학과 교수

우 정 욱 (Jung-Wook Woo)
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1968년 9월 19일생

1992년 경북대학교 공대 전기공학과 졸업

1994년 동 대학원 전기공학과 졸업(석사)

2007년 동 대학원 전기공학과 졸업(박사)

현재 한전 전력연구원 책임연구원

관심분야 : 절연설계, 내뢰설계, 낙뢰관측, 신변전기기 개발 및 고장해석 등