2.1 제안된 연구방법

접지극의 면적은 일반적인 H변대 수변전설비 면적인 가로 6[m], 세로 4[m]로 설정하였다. 수평접지극은 나동선 50[㎟]을 세로 4열, 가로 3열의 Mesh형상으로 배치하여 구성하였다. 고장전류의 크기는 22.9kV 배전선로의 평균값인 2.5[kA]^[10], 구내계통에서의 분류율은 20[\%]로 설정하여 500[A]를 기준으로 하였으며, 구내전력계통에서 접지극으로 고주파 및 서지 등이 유입되는 경우를 가정하여 주파수는 60[Hz], 60[kHz], 300[kHz], 600[kHz] 4개로 구성하였다. 위험전압은 대지의 특성과 관계가 깊은데 대지 비저항은 단층으로 100[Ω·m], 자갈, 콘크리트 및 아스팔트 등으로 포장되는 대지 표면인 표토층의 비저항은 4,000[Ω·m], 두께는 0.15[m]로 하였다. 이때 계산 된 지락사고 시 접촉전압은 920[V], 보폭전압은 3,213[V]로 나타나 이를 초과하면 대지 표면에 있는 사람은 위험에 노출된다고 볼 수 있다. 이러한 기준에 따라 Case별 접지극 성능, 주파수에 따른 성능변화 및 경제성을 분석하였다. CDEGS 프로그램 입력 파라미터는 표 1과 같으며 수평접지극의 형상 및 사고전류 유입지점은 그림 1에 나타내었다.

본 연구에서는 전체 6개의 Case를 구성하였으며 Case 1은 수평접지극만 존재하고, Case 2, 3은 일반적인 자재인 접지동봉 Ø14*1,000[mm], Ø16*1,800[mm]을 반영하였다. Case 4∼6은 배전용 심타식 접지봉 Ø14*1,000[mm]을 사용하였으며 직렬시공에 따라 3직렬, 5직렬, 7직렬로 구분하였고 이를 표 2로 나타내었다. 그림 2는 6개의 Case를 CDEGS 프로그램으로 모의한 형상을 나타내었다. 수평접지극의 면적은 24[㎡]로 모든 Case에서 동일하며 Case 번호가 높을수록 수직접지극인 접지봉에 대한 설계가 강화된 것을 알 수 있다.

그림 1. Mesh 구성 및 사고전류 유입지점

Fig. 1. Mesh composition and fault current inflow point

그림 2. 각 Case별 접지극 형상

Fig. 2. Earth electrode shape for each case

Case별 위험전압 억제능력을 평가하기 위하여 최대 허용 고장(지락)전류를 계산하였다. 접지극에 기준고장전류 500[A] 유입 시 발생하는 접촉전압을 계산 후, 실험기준에서 제시한 허용 최대 접촉전압 920[V]가 되는 시점의 고장전류의 크기를 추정한다. 이를 통하여 접지극의 성능을 평가할 수 있으며 최대고장전류 산출 방법은 그림 3으로 나타내었다. 안전전압은 접촉전압과 보폭전압 2가지를 계산하여야 하지만 본 논문에서는 접촉전압만을 기준으로 하였는데 이는 일반적으로 접촉전압을 만족하는 경우 보폭전압도 만족하기 때문이다^[11].

그림 3. 최대 고장전류 산출 방법

Fig. 3. How to calculate maximum fault current

2.2 공사금액 산출

본 연구에서 공사금액 산출을 위한 자재 단가는 물가정보 2023년 1월호^[12], 노무비는 2023년 시중노임단가^[13]를 기준으로 하였다. 수평 접지극만 적용된 Case 1은 약 29만원으로 가장 낮은 공사비를 나타냈으며, 일반 접지동봉을 반영한 Case 2, 3은 각각 약 50만원, 53만원으로 나타났다. 심타식 접지봉을 적용한 Case 4∼6은 직렬로 시공되는 접지봉 개수에 따라 3직렬은 78만원, 5직렬은 105만원, 7직렬은 133만원으로 나타나 접지봉을 깊이 시공할수록 노무비 및 자재비에 따른 공사금액의 상승 폭이 커짐을 알 수 있다. 각 Case별 산출된 공사금액은 표 3과 같다.

2.3 심타식 접지봉 적용에 따른 안전전압 유지성능

접지극의 안전전압 유지성능을 평가하기 위하여 기준고장 전류 500[A]가 유입된 경우 접지극에서 발생하는 접촉전압 및 보폭전압을 계산하였으며, 이를 기준으로 Case별 안전이 보장되는 최대 허용 고장전류를 계산하였다. 기존고장전류 500[A]에 대한 안전전압 한계는 접촉전압 920[V], 보폭전압 3,213[V]로 이를 초과 시 인체 안전을 보장할 수 없다^[15].

그림 4는 보폭전압을 나타낸 것으로 모든 Case에서 제한값 3,213[V]이하로 나타나 안전을 만족하였다. 그림 5는 접촉전압을 나타낸 것으로 일반 접지동봉을 적용한 Case 2, 3의 경우 각각 1,248[V], 1,065[V]로 나타나 제한값 920[V]를 초과하였으며 심타접지극을 적용한 Case 4∼6은 893[V]∼523[V]로 제한값 920[V]이하이므로 심타 접지극이 접촉전압의 상승을 효과적으로 제한함을 알 수 있다.

Case별 허용 가능한 최대 고장전류는 그림 6으로 나타내었다. Case 1∼3은 296∼432[A]로 기준전류 500[A]보다 낮으므로 접지극 재설계가 필요하며, 심타식 접지극인 Case 4∼6은 515∼880[A]로 기준 고장전류에 대하여 안전이 보장되는 것을 알 수 있으며 이는 기준 접지극 면적 24[㎡]보다 더 작은 면적으로 접지극 구성이 가능함을 의미한다.

그림 4. 500[A] 유입 시 보폭전압

Fig. 4. 500[A] inflow, step voltage by case

그림 5. 500[A] 유입 시 접촉전압

Fig. 5. 500[A] inflow, touch voltage by case

그림 6. 안전이 보장되는 최대 고장전류

Fig. 6. Maximum fault current that ensures safety for each case

2.4 심타식 접지봉 적용에 따른 경제성 분석

2.3절에서 제시한 Case별 최대허용 고장전류, 접지극 소요면적 및 공사금액을 비교하여 표 5에 나타내었다.

표 5에서 ①은 단위면적당 허용 가능한 최대전류를 나타낸 것으로 접지극 1[㎡] 당 허용 가능한 고장전류[A]의 크기를 나타내며 접지극의 성능을 의미한다. 일반 접지동봉을 채택한 Case 2, 3은 각각 15.4[A/㎡], 18.0[A/㎡]로 나타났으며, 심타식 접지봉을 적용한 Case 4∼6은 21.5∼36.7[A/㎡]로 접지극의 성능이 더 우수한 것을 알 수 있다. ②는 단위면적당 공사비용을 나타낸 것으로 접지극 1[㎡] 당 공사비용[원]을 나타내므로 높을수록 고비용의 공사방법이다. 공사비용은 Case 2, 3의 경우 각각 20,831[원/㎡], 21,997[원/㎡]이며, Case 4∼6의 경우는 32,661∼55,434[원/㎡]으로 나타났다. ③은 단위 고장전류 당 공사비용을 나타낸 것으로 접지극이 고장전류 1[A]를 처리하기 위하여 소요되는 비용을 나타낸 것이다. Case 2, 3은 각각 1,355[원/A], 1,222[원/A]가 소요되었으며 Case 4∼6은 1,522∼1,512[원/A]으로 나타났다.

그림 7은 Case별 경제성 분석을 위하여 표 5의 내용을 현장에서 주로 채택되는 규격인 Case 3(동봉 Ø16*1,800[mm])를 기준으로 하여 백분율(Per Unit)로 나타낸 것이다. Ø14*1,000[mm] 심타 접지봉을 3직렬 반영한 Case 4의 경우 Case 3대비 단위 면적당 허용 고장전류는 1.19배, 단위면적당 공사비용은 1.48배이므로 고장전류 1[A]에 대한 소요 비용은 1.25배로 산출되었다. 심타 접지봉을 5직렬 반영한 Case 5는 단위 면적당 허용 고장전류는 1.59배, 단위면적당 공사비용은 2배이므로 고장전류 1[A]에 대한 소요 비용은 1.26배로 산출되었으며, 심타 접지봉을 7직렬 반영한 Case 6은 단위 면적당 허용 고장전류는 2.04배, 단위면적당 공사비용은 2.52배이므로 고장전류 1[A]에 대한 소요 비용은 1.24배로 산출되었다.

심타 접지봉이 일반 접지 동봉 대비 소요 비용은 1.24∼1.26배 증가하지만 단위면적당 접지극 성능은 1.19∼2.04배 상승하므로 접지극 설치공간이 제한된 경우에 심타식 접지봉은 효과적인 방법임을 알 수 있다.

그림 7. 심타식 접지봉 적용에 따른 경제성 분석

Fig. 7. Analysis of economic feasibility according to the application of deep-drilled earthing rods

2.5 주파수 변화에 따른 안전전압 유지성능

구내에서 발생한 고주파 등이 접지극으로 중첩 및 유입되는 경우를 가정하여 고주파 영역에서의 접지극 성능을 분석하였다. 기준 고장전류 500[A]가 접지극에 유입되는 경우 각 Case별 주파수에 따른 접촉전압, 보폭전압을 표 6에 나타내었다. 2.1장 실험기준에 따라 허용 가능한 최대 접촉전압은 920[V], 보폭전압은 3,213[V]이므로 모든 Case에서 보폭전압은 만족한다. 하지만 Case 4의 60[Hz], Case 5, 6의 60[kHz] 이하를 제외하고는 모든 Case에서 접촉전압이 제한값 920[V]를 초과하였는데 이는 고주파 영역에서는 접지극의 안전전압 유지성능이 매우 저하됨을 나타낸다.

그림 8. 주파수에 따른 최대 허용 사고전류

Fig. 8. Maximum allowable fault current according to frequency

그림 8은 표 6을 바탕으로 그림 3의 순서에 따라 각 Case별 주파수 대역에서 접촉전압을 기준으로 한 최대 허용 고장전류를 산출한 것이다. 60[Hz]구간에서 일반 접지동봉을 적용한 Case 2, 3은 각각 369[A], 432[A]의 고장전류가 허용되며 심타 접지봉을 적용한 Case 4∼6은 515∼880[A]로 더 우수한 성능을 보인다. 하지만 사고전류의 주파수가 상승할수록 그 폭은 줄어들게 되는데 60[kHz]에서는 Case 2, 3은 각각 353[A], 408[A]로 소폭 감소하는 반면 Case 4∼6은 474∼682[A]로 더 큰 감소폭을 보였다. 최대 허용 고장전류는 300[kHz]에서 더 큰 감소를 보이며 600[kHz]에서는 Case 2, 3은 158[A]로 동일하였고, Case 4∼6은 147∼157[A]로 60[Hz]영역과는 반대로 오히려 Case 2, 3보다 작은 허용 고장전류를 나타냈다. 따라서 6[m]×4[m]의 접지극 면적에서 고장전류 500[A]를 기준으로 한 경우 60[Hz]영역은 심타접지봉을 적용한 Case 4∼6이 안전전압을 만족시킬 수 있었으나 60[kHz]영역에서는 Case 5, 6만 안전전압을 만족하였으며, 300[kHz] 및 600[kHz]에서는 모든 Case에서 안전전압을 만족시키지 못하였다. 이에 따라 고주파 영역에 대한 접지극 설계가 요구되는 경우 IEEE Std 80을 기준으로 하는 현재의 설계 방식과는 다른 접근이 필요하다.

그림 9. CDEGS로 모의한 Case 6의 접촉전압

Fig. 9. Case 6 touch voltage results simulated by CDEGS

주파수가 높아지면 접지극 임피던스의 불균형이 발생하며, 이는 접촉전압의 상승의 원인이 된다^[14]. 그림 9는 주파수 상승에 따른 접촉전압을 3D로 나타낸 것이며 60[Hz]에서는 완만한 상승이 300[kHz]대에서는 한쪽 면에 집중되는 것을 알 수 있다. 이에 대한 대책은 사고전류가 유입되는 지점에 대한 임피던스를 충분히 낮추어 고장전류를 접지극 전체로 빠르게 분산시킬 수 있어야 한다.