Mobile QR Code QR CODE : The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

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



Wind Turbine, Surge Protective Device, Grounding Method, Direct Lightning Strike, Lightning-Induced

1. 서 론

전 세계적으로 재생에너지에 관한 관심이 높아지고 있고, 재생에너지의 발전량은 지속해서 증가하고 있다. 그중에서 풍력 발전은 신재생에너지 중에서 많은 부분을 차지할 정도로 그 수가 증가하고 있으며 그에 따라서 풍력발전 설비의 안정성과 신뢰성의 중요도가 높아지고 있다. 낙뢰는 풍력발전 설비의 전력망에 장애를 일으킬 수 있는 주된 자연 현상이다(1). 특히 풍력발전 설비의 대형화로 인해 타워의 높이가 높아지고 날개의 길이가 길어짐에 따라 풍력발전설비의 낙뢰에 대한 위험도는 점점 높아지고 있다. 풍력 발전설비에 낙뢰가 발생하면 풍력발전설비의 파손뿐만 아니라 낙뢰 과전압이 발생하여 전력품질에도 문제가 발생한다. 낙뢰 과전압은 전압 불균형을 일으켜 배전 선로 교란의 원인이 된다(2). 최근 들어 전압 불균형은 부하 및 전원에 미치는 영향 때문에 3상 불평형전원에 대한 직렬 보상기에 대한 연구(3)와 PV 시스템에서의 상황에 맞는 서지 보호 장치(Surge Protective Device : SPD)의 설치하기 위해 유도뢰의 낙뢰 과전압을 뇌격되는 지점과 낙뢰 전류의 피크 값, 그리고 건축물의 높이와 대지저항의 크기에 따라서 분석하고 있다(4). 또한, 직격뢰와 유도뢰 두 경우를 모두 고려하는 낙뢰 방지 대책을 위해 낙뢰의 특성에 따른 풍력터빈에 발생한 전자기장의 계산모델을 정의하여 낙뢰에 대한 보호와 감지성능 개선하기 위한 연구도 진행되었다(5).

낙뢰피해를 줄이거나 예방하는 방법은 SPD를 설치하는 것과 풍력 터빈을 위한 접지 시스템을 적용하는 방법이 있다. SPD는 전압을 제한하고 서지 전류를 분리해 풍력 발전설비를 낙뢰로 인한 과전압으로부터 보호하는 장치다. SPD는 정격전압에 따라 허용되는 전류가 다르므로, 상황에 맞는 적절한 용량의 SPD를 설치하는 것이 중요하다. 또한, 풍력 터빈에 공통접지를 적용하면 장비 사이의 전위차가 사라져 전압 불균형이 일어나는 것을 막을 수 있다.

풍력터빈의 SPD의 정격전압이 높을수록 낙뢰 과전압은 낮아지고, 풍력터빈의 접지방식을 공통접지 하면 낙뢰로 인한 전위차는 사라진다. 또한, 공통접지마다 낙뢰 과전압의 크기가 차이가 있다. 따라서 본 논문에서는 피뢰 보호 구역에 맞게 SPD의 정격전압을 설정하여 과전압이 얼마나 변화하는지를 분석하였다. 또한, 독립접지와 공통접지 방법에 대해 EMTP-LIOV를 사용하여 직격뢰와 유도뢰의 낙뢰 과전압을 분석하였다.

2. 서지 보호 장치 및 접지시스템

2.1 서지 보호 장치의 정격전압

서지 보호 장치(Surge Protective Device : SPD)는 전압을 제한하고 서지 전류의 분리에 사용되는 중요한 장치로, 저전압 전력선을 낙뢰로 인한 과전압(서지)으로부터 보호할 수 있다(6). 각각의 피뢰 보호 구역에 따라 설치해야 하는 SPD의 규격이 달라진다. IEC 62305-4에서는 LPZ 0b-1 사이에 SPD Type 1, LPZ 1-2 사이에 SPD Type 2, LPZ 2-3 사이에 SPD Type 3를 선정하여 서지로부터 내부시스템을 보호한다. SPD의 경우 SPD의 Type에 따라 허용되는 공칭방전전류가 다르고 그에 따른 적절한 정격전압이 다르다. UL 1449 규격에 따르면 Type 1은 10kA 혹은 20kA, Type 2의 경우는 3, 5, 10, 혹은 20kA, Type 3의 경우 최소 3kA의 공칭방전전류라고 규정되어 있다. 또한, 공칭 방전전류에 따라 달라지는 SPD의 정격전압은 표 1과 같다. 따라서 본 논문에서는 가장 큰 공칭방전류에서의 SPD정격전압 72kV와 144kV에 따른 낙뢰 과전압을 비교 분석하였다.

표 1. 공칭방전전류에 따른 SPD의 정격전압

Table 1. Rated Voltage of the Lightning Arrestor According to Nominal Discharge Current

공칭방전전류

SPD의 정격전압[kV]

10,000[A]

288, 144, 72, 24, 21, 7.5

5,000[A]

72, 24, 21, 7.5

2,500[A]

18, 9, 7.5

2.2 접지방식

2.2.1 독립접지

그림. 1. 독립접지의 개념도

Fig. 1. Concept Diagram of Independent Ground

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.12.1505/fig1.png

독립접지는 접지를 해야 하는 각 설비의 분리된 접지를 말한다. 독립접지의 장점은 접지의 손상이 발생하면 장비나 시설을 독립적으로 보호할 수 있다는 것이다. 하지만 독립접지의 단점의 경우 독립접지는 시공 중에 충분한 간격을 제공해야 해서 시공을 위한 공간이 많이 필요하고, 뇌격될 때는 장비간의 전위차가 생길 수가 있어서 장비 및 설비에 손상을 줄 수 있다.

2.2.2 공통접지

공통접지는 전기 장비, 제어 시설 및 피뢰 시설 등 다양한 시설의 접지를 하나로 통합하는 것이다. 공통접지는 직격뢰 또는 유도뢰가 유입될 때 전위차가 생기는 것을 방지한다. 공통접지를 적용하는 접지방식은 여러 가지가 있다. 본 논문에서는 여러 가지 방법 중에 2가지 방법을 시험해 볼 것이다. 첫 번째 방법은 각 설비와 장치의 접지를 하나로 모아서 통합시키는 통합접지이다. 두 번째 방법은 연접선을 이용하여 모은 독립적인 접지들을 연결하는 것이다.

그림. 2. 통합접지를 이용한 공통접지 개념도

Fig. 2. Concept Diagram of Common Ground Using Integrated Grounding

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.12.1505/fig2.png

그림. 3. 연접을 이용한 공통접지 개념도

Fig. 3. Conceptual Diagram of Common Ground Using a Connection

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.12.1505/fig3.png

3. 시뮬레이션

SPD의 경우 정격전압에 따라서 낙뢰로 인한 낙뢰 과전압의 차이가 있다. 그 차이가 어떻게 나타나는지 확인을 하면 낙뢰 과전압을 저감시키기 위한 SPD의 효용성을 알 수 있다. 또한, 접지시스템의 경우 국내규격 KEC의 532.3.4에서 공통접지를 하게 되어 있다. 하지만 공통접지의 방식은 여러 가지가 있고 어떤 방식으로 공통접지를 하는지에 따라 낙뢰로 인한 과전압의 크기의 차이가 있다. 이런 낙뢰 과전압의 차이를 확인하여 어떤 공통접지 방식이 적합한지 알 수 있다. 따라서 정상조건에서 운영되고 있는 풍력발전설비가 직격뢰와 유도뢰를 맞았을 때 해당 풍력발전설비의 LPZ에 따른 SPD의 정격전압과 접지방식에 따라서 달라지는 낙뢰 과전압을 분석하였다.

3.1 풍력발전단지 구성

풍력발전단지는 그림 4와 같이 EMTP-RV를 사용하여 2개의 풍력발전설비로 구성되도록 모델링하였다. 각 풍력 터빈은 690V의 전압을 발생시키고 변압기를 통해 33kV까지 승압된 후 변전소를 통해 154kV로 연결된다. 변전소의 1차측으로는 내부전력망이, 2차측으로는 외부전력망이 있다. 본 연구에서는 풍력 터빈에 대한 낙뢰로 인한 내부전력망의 낙뢰 과전압을 각 SPD의 정격전압의 크기와 접지방식에 따라서 비교분석 하였다. 본 시뮬레이션에서 사용된 SPD는 EMTP-RV에서의 ZnO4 모듈을 이용하여 구현하였다. 풍력발전설비의 접지 저항의 경우 100Ω으로 설정하였다. 본 논문에서는 SPD의 정격전압이 72kV, 144kV 두 가지 경우와 독립접지와 공통접지의 방법 2가지를 통해서 총 3가지의 접지방식을 비교하고 분석하였다.

그림. 4. 풍력발전설비 구성

Fig. 4. Configuration of Wind Farm

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.12.1505/fig4.png

3.2 낙뢰 조건 선정

낙뢰 모델은 EMTP-RV에서 제공하는 LIOV를 이용하였다. 해당 모듈은 Heidler 함수를 사용하였다. 낙뢰 모델의 수식은 (1)로 나타내었다. 또한, 낙뢰의 파라미터의 경우 표 2와 같고 단일 스트라이크의 최대 낙뢰전류는 15kA이다. 이렇게 모델링된 낙뢰를 이용하여 직격뢰 및 거리에 따른 유도뢰에 따라서 접지방식 및 LPZ에 따른 SPD 정격의 적용에 따른 낙뢰 과전압을 분석하였다.

(1)
\begin{align*} i_{0}(t)=\dfrac{I_{01}}{n_{1}}\dfrac{(t/\tau_{11})^{n_{1}}}{1+(t/\tau_{11})^{n_{1}}}\exp(t/\tau_{21})\\ +\dfrac{I_{02}}{n_{2}}\dfrac{(t/\tau_{12})^{n_{2}}}{1+(t/\tau_{12})^{n_{2}}}\exp(t/\tau_{22})\\ n_{1}=\exp[-(\tau_{11}/\tau_{21})(n\tau_{21}/\tau_{11})^{1/n_{1}}]\\ n_{2}=\exp[-(\tau_{12}/\tau_{22})(n\tau_{22}/\tau_{12})^{1/n_{2}}] \end{align*}

표 2. 낙뢰 파라미터

Table 2. Lightning Parameter

I01[A]

19.5E5

t11[s]

8E-6

t21[s]

1.3E-5

n1

2

I02[A]

0

t12[s]

2.1E-6

t22[s]

230E-6

n1

2

그림. 5. 낙뢰 전류

Fig. 5. Current of Lightning

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.12.1505/fig5.png

3.3 SPD 정격전압에 따른 낙뢰 과전압 분석

3.3.1 SPD 정격전압 72kV

SPD의 정격전압이 72kV일 때 직격뢰의 경우 낙뢰 과전압이 643kV가 나왔고, 10m 떨어진 곳에서 유도뢰가 발생한 경우 낙뢰 과전압은 291kV가 나왔고 25m의 거리에서는 낙뢰 과전압은 거의 발생하지 않았다.

그림. 6. 정격전압 72kV에서의 직격뢰

Fig. 6. Direct Strike at Rated Voltage 72kV

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.12.1505/fig6.png

그림. 7. 정격전압 72kV에서의 유도뢰(10m)

Fig. 7. Lightning-induced(10m) at Rated Voltage 72kV

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.12.1505/fig7.png

3.3.2 SPD 정격전압 144kV

SPD의 정격전압을 144kV로 했을 때 직격뢰의 경우 낙뢰 과전압이 595kV가 나왔고, 10m 떨어진 곳에서 유도뢰가 발생한 경우 낙뢰 과전압은 245kV가 나왔다. 또한, 25m의 거리에서는 낙뢰 과전압은 거의 발생하지 않았다.

그림. 8. 정격전압 144kV에서의 직격뢰

Fig. 8. Direct Strike at Rated Voltage 144kV

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.12.1505/fig8.png

그림. 9. 정격전압 72kV에서의 유도뢰(10m)

Fig. 9. Lightning-Induced(10m) at Rated Voltage 144kV

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.12.1505/fig9.png

3.4 접지시스템에 따른 낙뢰 과전압 분석

3.4.1 독립접지일 경우 낙뢰 과전압

독립접지를 사용할 때 직격뢰의 경우 뇌격된 터빈은 664kV 인접한 터빈은 200kV, 10m 거리의 유도뢰의 경우 뇌격된 터빈은 312kV 인접한 터빈은 118kV의 낙뢰 과전압이 발생하였다.

그림. 10. 독립접지-뇌격(직격뢰)

Fig. 10. Independent Ground-Struck by Lightning(Direct strike)

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.12.1505/fig10.png

그림. 11. 독립접지-인접(직격뢰)

Fig. 11. Independent Ground-Adjacent(Direct strike)

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.12.1505/fig11.png

그림. 12. 독립접지-뇌격(유도뢰)

Fig. 12. Independent Ground-Struck by Lightning(Lightning-induced)

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.12.1505/fig12.png

그림. 13. 독립접지-인접(유도뢰)

Fig. 13. Independent Ground-Adjacent(Lightning-induced)

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.12.1505/fig13.png

3.4.2 통합접지를 이용한 공통접지일 경우 낙뢰 과전압

통합접지를 이용한 공통접지를 사용할 때 직격뢰의 경우 뇌격된 터빈과 인접한 터빈 모두 낙뢰 과전압이 1003kV가 나왔고 10m 거리의 유도뢰의 경우 뇌격된 터빈과 인접한 터빈 모두 469kV의 낙뢰 과전압이 발생하였다.

그림. 14. 통합접지를 이용한 공통접지(직격뢰)

Fig. 14. Common Grounding Using Combine Groundings(Direct strike)

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.12.1505/fig14.png

그림. 15. 통합접지를 이용한 공통접지-(유도뢰)

Fig. 15. Common Grounding Using Combine Groundings (Lightning-induced)

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.12.1505/fig15.png

3.4.3 연접을 이용한 공통접지일 경우 낙뢰 과전압

연접을 이용한 공통접지를 사용할 때 직격뢰의 경우 뇌격된 터빈과 인접한 터빈모두 낙뢰 과전압이 488kV가 나왔고, 10m 거리의 유도뢰의 경우 뇌격된 터빈과 인접한 터빈 모두 238V의 낙뢰 과전압이 발생하였다.

그림. 16. 연접을 이용한 공통접지(직격뢰)

Fig. 16. Common Grounding Using a Connection(Direct strike)

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.12.1505/fig16.png

그림. 17. 연접을 이용한 공통접지(유도뢰)

Fig. 17. Common Grounding Using a Connection (Lightning-induced)

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.12.1505/fig17.png

3.5 결과 및 분석

SPD의 정격전압을 72kV와 144kV를 적용해 봤을 때 144kV일 경우 SPD의 정격전압이 72kV일 경우에 비해 직격뢰로 인한 낙뢰 과전압이 약 7% 저감되었고, 10m 떨어진 곳에서 유도뢰가 발생한 경우 낙뢰 과전압은 약 15% 저감되었다. 25m의 거리에서는 낙뢰 과전압은 거의 발생하지 않았다. 따라서 직격뢰와 유도뢰의 낙뢰 과전압을 저감하기 위해서는 높은 정격전압의 SPD를 사용해야 하고 SPD의 낙뢰 과전압 저감 효과는 유도뢰에서 더 우수하다는 것을 알 수 있다.

또한, 독립접지와 공통접지 방식을 적용한 결과 통합접지를 이용한 공통접지를 했을 경우 독립접지에 비해서 직격된 터빈의 낙뢰 과전압이 약 51% 증가하였고, 10m 거리의 유도뢰의 경우 독립접지에 비해서 직격된 터빈의 낙뢰 과전압이 약 50% 증가하였다. 낙뢰가 직격된 터빈과 인접한 터빈의 전위차는 사라졌다. 그리고 연접을 이용한 공통접지를 했을 경우 독립접지에 비해서 직격된 터빈의 낙뢰 과전압이 약 26% 저감되었고, 10m 거리의 유도뢰의 경우 독립접지에 비해서 직격된 터빈의 낙뢰 과전압이 약 23% 저감되었고, 낙뢰로 인한 전위차는 사라졌다. 따라서 낙뢰가 직격된 터빈과 인접한 터빈의 전위차를 없애기 위해 공통접지를 하고 낙뢰 과전압을 저감시키기 위해 연접을 이용한 공통접지를 하는 것이 효과적이다.

4. 결 론

본 논문에서 풍력발전설비에서 IEC의 LPZ에 따른 SPD의 정격전압과 접지방식에 따라서 직격뢰와 유도뢰로 인한 낙뢰 과전압을 비교하고 분석하였다.

시뮬레이션 결과 SPD의 정격전압이 커질수록 낙뢰 과전압의 크기가 낮아지고, 그 효과는 유도뢰의 경우에서 더 좋았다. 따라서 낙뢰 과전압의 크기를 저감하기 위해서는 높은 정격전압의 SPD를 사용해야 한다는 것을 알 수 있다. 또한, 통합접지를 이용한 공통접지를 할 때 뇌격된 터빈과 인접한 터빈의 전위차는 사라졌지만, 낙뢰 과전압의 크기는 증가하였다. 연접을 이용한 공통접지의 경우 뇌격시 두 터빈의 낙뢰 과전압의 전위 차이가 사라졌고 낙뢰 과전압의 크기는 낮아졌다. 결과적으로 통합접지와 연접을 이용한 공통접지 모두 직격뢰와 유도뢰로 인한 낙뢰 과전압의 전위차는 사라졌지만, 통합접지를 이용할 경우 낙뢰 과전압이 높게 나왔고, 연접을 사용할 경우 뇌격된 터빈의 낙뢰 과전압의 크기가 낮아졌다. 따라서 낙뢰 과전압을 저감하기 위해서는 연접을 이용한 공통접지가 효과적인 것을 알 수 있다.

향후 연구로는 국내에 적합한 풍력발전설비의 낙뢰보호를 위해 KEC의 341.15에 따른 피뢰기의 접지방식을 적용하고 KEC의 143.3에 따른 등전위본딩 도체를 공통접지의 접지방식에 적용하여 낙뢰 과전압의 저감 효과에 관한 연구를 할 필요가 있다.

Acknowledgements

This research was supported by Korea Electric Power Corporation (Grant Number: R18XA06-59).

References

1 
M. Uman, 2001, The Lightning Discharge: Dover PubnsGoogle Search
2 
M. Akbari, 2012, A Full-Wave Analysis of Lightning- Induced Voltages on Distribution Lines Considering The Conductive Coupling between The Lightning Channel and The Grounding System, in Lightning Protection (ICLP), 2012 international conference on, pp. 1-5DOI
3 
A. Campos, G. Joos, P. D. Ziogas, J. F. Lindsay, 1994, Analysis and Design of a Series Voltage Unbalance Compensator Based on a Three-Phase VSI Operating with Unbalanced Switching Functions, IEEE Trans. Power Electronics, Vol. 9, No. 3, pp. 269-274DOI
4 
C. Zhang, Hu, Y. Tu, W. Sun, H, Jun Li, S. Wang, 2001, Study of Induced Overvoltage on Solar Arrays, in 7th Asia-Pacific International Conference on Lightning, pp. 852-857DOI
5 
A. Piantini, J. M. Janiszewski, A. Borghetti, C. A. Nucci, M. Paolone, 2007, A Scale Model for The Study of The LEMP Response of Complex Power Distribution Networks, IEEE Trans. Power Deliv., Vol. 22, No. 1, pp. 710-720DOI
6 
Y. Zhang, S. Chen, X. Yan, Y. Zhang, D. Zheng, W. Lu, 2019, Response Characteristics of Surge Protective Devices to An Artificially Triggered Lightning, in The 11th Asia-Pacific International Conference on Lightning, Vol. 120Google Search

저자소개

표광진 (Kuang-Jin Pyo)
../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.12.1505/au1.png

2018년 한경대 컴퓨터공학과 졸업.

2018~현재 동 대학원 IoT융합산업학과 석사과정

이택기 (Taeck-Kie Lee)
../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.12.1505/au2.png

1987년 한양대 전기공학과 졸업.

1989년 동 대학원 전기공학과 졸업(석사).

1993년 동 대학원 전기공학과 졸업(공박).

1994년 서남대학교 전기공학과 전임강사.

2010년 2월∼2011년 1월 성균관대학교 연구교수.

2018년 2월∼2019년 1월 University of Colorado Denver Visiting Scholar.

1996년∼현재 한경대학교 전기전자제어공학과 교수.

김규호 (Kyu-Ho Kim)
../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.12.1505/au3.png

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 전기전자제어공학과 교수

우정욱 (Jung-Wook Woo)
../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.12.1505/au4.png

1992년 경북대학교 공대 전기공학과 졸업, 1994년 동 대학원 전기공학과 졸업(석사).

2007년 동 대학원 전기공학과 졸업(박사).

현재 한전 전력연구원 송전기술연구실장(수석연구원), 절연설계, 내뢰설계, 낙뢰관측, 송변전 신설비 개발 및 고장해석 등