2.1 제안된 연구방법

특고압 수용가의 접지설계 시 가장 기초가 되는 자료는 수전지점(책임분계점)에서의 1선지락전류의 크기이며 식 (1)과 같이 계산한다. 직접접지 계통에서 a상 지락사고가 발생한 경우 $I_{g}$는 지락이 발생한 a상 1선 지락전류를 의미하며, $I_{0}$는 영상전류, $E_{a}$는 지락 발생 전의 a상의 대지전압이며, $Z_{0}$는 지락지점과 전원측 간 영상임피던스, $Z_{1}$은 지락지점과 전원측 간 정상임피던스, $Z_{2}$는 지락지점과 전원측 간 역상임피던스를 각각 의미하며 송·배전선선로에서 정상분과 역상분 임피던스의 크기는 동일^[17]하므로 한전에서는 책임분계점으로부터 공급변전소까지의 영상분 및 정상분 임피던스을 제공한다.

수용가 지락전류를 산출하기 위하여 OO지역의 제조업체 8개소의 전원측 임피던스를 적용한 1선지락전류의 크기를 산출하였으며 그 중 가장 큰 지락전류와 가장 작은 지락전류를 나타낸 수용가를 2개소 선정하여 연구 모델로 선정하였다.

본 연구에서는 이론상 지락전류의 최대값 및 연구 모델로 선정된 2개 수용가의 지락전류의 크기를 기준하여 CDEGS 프로그램으로 접지설계를 하였으며 시공방법에 따른 차이를 비교하고자 메쉬접지극과 일반접지봉을 함께 적용하는 경우, 메쉬접지극과 심타식접지극을 함께 적용하는 경우, 메쉬접지극만 적용하는 경우의 3가지 예를 구성하여 설계결과를 비교·분석 하였다. 다음으로 설계결과에 따라 이론상 최대값 및 실제 지락전류를 적용하는 경우에 대한 접지공사의 경제성을 분석하였으며 마지막으로 접지극의 성능 향상을 위하여 KEC에서 규정하는 격자판 접지극을 적용하는 경우 접지극의 성능변화 및 경제성을 분석하여 배전선로 임피던스 및 격자판 접지극을 활용한 효과적인 접지 설계 방법에 대하여 제안하였다.

2.2 지락전류 산출 결과

수용가의 지락전류를 산출하기 위해서는 먼저 수용가의 책임분계점의 위치를 확인 후 한전에 노드정보(임피던스)를 요청하고 이 자료를 바탕으로 PTW 프로그램을 활용하여 해당 수용가 책임분계점 기준 1선지락전류의 크기를 산출하였다. OO지역의 수용가 8곳의 배전선로 임피던스를 반영하여 계산한 1선지락전류 결과를 표 1에 나타내었다. C 변전소로부터 수전 받는 수용가 #3 및 H 변전소로부터 수전 받는 수용가 #8의 지락전류가 각각 1.53kA 및 1.63kA로 비교적 작은 값으로 나타났으며 대규모 산업단지가 구성된 F 변전소로부터 수전 받는 수용가 #6 및 G 변전소로부터 수전 받는 수용가 #7의 지락전류가 각각 4.37kA 및 4.58kA로 비교적 큰 값으로 산출되었다. 이론상 지락전류 최대값 7.329kA 대비 C 변전소는 20.8%, H 변전소는 22.2%, F 변전소는 59.6%, G 변전소는 62.4%의 크기로 나타났다. 한전 변전소 모선의 임피던스는 대체로 큰 변화가 없으나 산업단지가 비교적 큰 F, G 등 변전소가 가까이 있는 수용가는 지락전류의 크기가 크고, 비교적 시외지역인 C, H 지역은 배전전로의 긍장이 길어지기 때문에 지락전류의 크기가 크게 감소한 것으로 판단된다. 본 연구에서는 8개의 수용가 중 가장 큰 지락전류가 산출된 수용가 #7, 가장 작은 지락전류가 산출된 수용가 #3을 연구 모델로 선정하여 사례연구를 수행하였다.

2.3 접지설계 시뮬레이션

표 1에서 사례연구 대상으로 선정한 수용가의 지락전류 최대값 4.58kA, 최소값 1.53kA 및 이론상 최대 지락전류인 7.329kA를 대상으로 표 2의 파라미터를 적용하여 CDEGS 프로그램으로 접지극을 설계하였다. 대지비저항은 200[Ω·m] 단일층이며 표토층 비저항은 설계 적용 가능한 최대값인 5,000[Ω·m]로 설정하였다.^[2]

그림 1. Case별 시뮬레이션 결과

Fig. 1. Simulation results by case

접지시공방법에 따른 차이를 비교하고자 3개의 Case에 대해 사례연구를 수행하였다. Case 1은 수평도체(메쉬)와 Ø16×1,800mm 접지동봉을 적용하였으며, Case 2는 수평도체(메쉬)와 Ø14×1,000mm 심타식 접지봉을 5직렬로 구성하였고, Case 3는 수평도체(메쉬)만을 적용하였다. 지락전류의 선정은 Model A는 이론상 최대값은 7.329kA를 적용하였으며, Model B는 연구대상 수용가 지락전류 최대값인 4.58kA, Model C는 연구대상 수용가 지락전류 최소값인 1.53kA로 선정하여 3개의 Case와 3개의 Model로 전체 9개소를 대상으로 접지설계를 수행하였고, 모든 경우에 접촉전압 1,117V 및 보폭전압 4,000V 미만을 만족하도록 설계하였으며 그 결과 및 형상을 그림 1 및 표 3에 나타내었다.

9개의 모든 Case에서 접촉전압은 제한값의 81.4%∼99.8%, 보폭전압은 4.8%∼8.6%로 모두 제한값 내에 만족하도록 설계되었다. 그림 1에서 이론상 최대지락전류인 7.329kA를 적용한 경우 접지봉을 적용하지 않고 수평도체(메쉬)만 적용한 Case 3A가 30×30[m]로 가장 큰 면적이 소요되었으며 심타접지극(Ø14×1,000mm-5직렬)을 적용한 Case 2A가 20×20[m]로 가장 작은 면적이 소요되었으며 4.58kA를 적용한 Model B 및 1.53kA를 적용한 Model C 모두 심타접지극을 적용한 Case 2가 가장 작은 면적을 소요하는 것으로 나타났으므로 전력계통 지락사고 등 상용주파수 지락사고에 대하여는 심타접지극의 효과가 우수한 것을 알 수 있다. 가장 면적을 많이 차지한 것은 접지봉을 적용하지 않는 Case 3으로서 이는 메쉬접지극 모서리에 집중되는 전위를 접지봉으로 분산시키지 않았기 때문으로 판단되며, 이와 같은 이유로 현장에서는 대부분 접지봉이 채택되어 진다. 접지극 저항을 나타낸 표 3을 보면 접지극저항의 평균값은 7.329kA를 적용한 Model A는 3.64[Ω], 4.58kA를 적용한 Model B는 5.01[Ω], 1.53kA를 적용한 Model C는 10.63[Ω]으로 Model A 기준 Model B는 137[%], Model C는 292[%]로 접지극저항의 크기가 상승한 것으로 나타났다. 이처럼 배전선로의 임피던스를 반영하여 지락전류를 산출하여 접지설계를 할 경우 접지극 면적은 감소하지만 접지극 저항은 증가하게 되는데 설계에 문제가 없다면 접촉전압 등의 인체 안전전압은 문제없이 유지할 수 있다. 현재 고장전류의 분류율은 20%로 산정하고 있으나 실제 수용가 접지설계 시 특고압측 접지도체를 한전 중성선에 연접하기 때문에 충분한 안전 여유를 가지게 될 것으로 사료된다.

2.4 경제성 분석

공사금액 산출을 위한 자재 단가는 물가정보 2023년 10월호^[15], 노무비는 2023년 시중노임단가^[16]를 기준으로 하였으며 지락전류 및 공사방법에 따른 경제성 분석 결과는 그림 2와 같다. 공사금액은 메쉬접지극만 적용한 Case 3이 가장 많았으며 심타접지봉(Ø14×1,000mm-5직렬)을 적용한 Case 2가 가장 작게 나타나 심타접지봉 적용이 상용주파 사고를 고려한 접지극 설계에 있어 경제성 향상에 효과적인 것으로 나타났다.

일반접지봉을 적용한 Case 1의 경우 7.329kA를 적용한 Case1A를 기준(100%)으로 4.58kA 적용한 Case 1B의 공사금액은 70.4%, 1.53kA를 적용한 Case 1C의 공사금액은 24.8%로 나타나 배전선로 임피던스를 적용하는 경우 경제성이 상당히 상승하는 것을 알 수 있다. 심타접지봉을 적용한 Case 2의 경우 7.329kA를 적용한 Case2A를 기준(100%)으로 4.58kA 적용한 Case 2B의 공사금액은 68.4%, 1.53kA를 적용한 Case 1C의 공사금액은 31.7%로 나타났으며, 메쉬접지극만 적용한 Case 3의 경우 7.329kA를 적용한 Case3A를 기준(100%)으로 4.58kA 적용한 Case 3B의 공사금액은 66.7%, 1.53kA를 적용한 Case 3C의 공사금액은 19.0%로 3개의 Case중 지락전류 감소에 따른 가장 큰 감소비율을 보였으며 이는 접지봉을 채택하지 않고 메쉬접지극(수평접지극)만 채택하는 경우 지락전류 상승에 따라 공사금액 상승이 큼을 의미한다.

그림 2. 지락전류 선정에 따른 공사금액

Fig. 2. Construction cost according to ground fault current selection

2.5 접지극 성능분석

2.5.1 격자판 접지극 적용에 따른 접지극 성능분석

배전선로 임피던스를 적용한 지락전류를 사용하는 경우 이론상 지락전류의 최대값인 7.329kA를 적용하여 설계하는 경우에 비하여 접지극의 면적 및 소요자재를 줄여 경제성을 향상시킬 수 있으며 전력계통 사고 등 상용주파 지락사고에 대한 인체안전전압 또한 만족시킬 수 있다. 하지만 통합접지방식 또는 접지극에 낙뢰 등 충격파가 유입되는 경우는 고장전류는 상용주파 60Hz만을 고려하는 것이 아닌 낙뢰 충격파의 1MHz 이하의 과도임피던스를 고려하여야 하며 이때 충격파에 의하여 접지극의 과도임피던스의 상승이 높은 경우 접지극에 과도한 대지전위상승 발생으로 인하여 구내 기기의 오동작 및 절연파괴 등이 발생할 수 있다. 배전선로 임피던스를 적용하여 접지극 설계 시 경제성은 향상되었으나 물리적인 소요면적이 감소하였으므로 접지저항은 증가하게 되며 이는 과도임피던스의 상승 및 접지극의 과도성능 저하로 이어질 수 있다. 낙뢰 등 충격파의 유입을 모의하기 위하여 1MHz의 사고전류를 인하도선을 상정하여 접지극 모서리 4개소에 분산 인가하였다. 고주파에 사고전류에 의한 과도임피던스를 저감시키기 위하여 KEC에서 규정한 격자판 접지극을 메시 접지극 모서리에 그림 3과 같이 배치하였으며 격자판 접지극 설치 개수는 표 4와 같이 메쉬접지극 한변의 길이에 따라 20미터 초과하는 경우 모서리당 6개, 20미터 이하인 경우 모서리당 3개, 10미터 이하인 경우 모서리당 1개를 적용하였다. 격자판 접지극은 KEC에서 규정한 접지극으로 해외에서는 수배전반 조작면 등 국부적인 위치의 접촉전압 및 보폭전압을 제한하는 목적으로 사용되어 진다. 하지만 본 연구에서는 접지극과 접지도체(인하도선)가 연결되는 지점에 배치함으로써 높은 주파수의 고장전류가 접지극 도체의 리액턴스에 의하여 유효하게 흐르지 못하는 현상인 ‘유효길이’를 완화하는데 목적을 두었다. 이에 따라 Model B에 격자판 접지극을 적용한 경우를 Model B-1로, Model C에 격자판 접지극을 적용한 적용한 경우를 Model C-1로 정의하였으며 격자판 접지극 적용 시 과도임피던스의 변화 및 공사비용의 상승을 비교·분석하였다.

그림 4는 낙뢰에 대한 과도임피던스를 모의하기 위하여 1MHz에서의 Case 1∼3 과도임피던스의 크기를 표로, Case 1의 결과를 그래프로 나타낸 것이다. Case 1은 일반접지봉(Ø16×1,800mm)을 적용한 것이다. 이론상 최대값 7.329kA 기준으로 설계한 Model A의 접지극 저항을 기준(100%)으로 하는 경우 수용가의 최대값 기준설계 Model B 4.58kA는 100.2%이며, 수용가의 최소값 기준설계 Model C 1.53kA는 141.4%로 낙뢰 충격파를 모의한 1MHz에서의 과도임피던스가 상승한 것을 알 수 있으며 이는 접지극 면적 감소의 영향이 크다. 하지만 격자판 접지극을 적용하는 경우는 과도임피던스가 개선되는 것을 볼 수 있는데 Model B에 격자판 접지극을 표 4의 기준에 따라 모서리당 3개씩 적용한 Model B-1의 경우 이론상 최대값으로 설계된 Model A 대비 91.7%로 낮았으며, Model C에 격자판 접지극을 모서리당 1개씩 적용한 Model C-1의 경우는 137.7%로 다소 높게 산출되었다. 이에 따라 격자판 개수가 3개 이상을 적용하여야 과도임피던스 저감효과를 기대할 수 있다고 사료된다. 격자판 접지극의 효과가 가장 낮은 것은 심타접지봉을 적용한 Case 2로 이론상 최대값 7.329kA 기준으로 설계한 Model A의 경우 접지극 저항의 크기를 기준으로 할때 수용가의 최대값 기준설계 Model B 4.58kA은 108.4%이며, 수용가의 최소값 기준설계 Model C 1.53kA는 187.5%로 낙뢰 충격파를 모의한 1MHz에서의 과도임피던스의 상승폭이 상당히 큰 것으로 나타났다.

Model B에 격자판 접지극을 적용한 Model B-1의 경우 이론상 최대값으로 설계된 Model A 대비 101.8%로 Case 1, 3 대비 과도임피던스에 대한 격자판 접지극의 효과가 미미한 것으로 나타났는데 이는 심타접지극의 효과가 우수한 것에 기인한 것으로 판단된다. Case 1∼3의 9개의 Case에서 전체적으로 격자판 접지극을 설치하는 경우 7.329kA를 적용한 Model A 대비 Model B-1에서는 감소된 접지극 소요면적에도 불구하고 평균 접지극 저항의 크기가 평균 92.4%인 것으로 나타나 격자판 접지극이 과도임피던스를 저감시키기 위한 효과적인 수단임을 알 수 있다.

그림 3. 격자판 접지극의 형상 및 배치

Fig. 3. Shape and arrangement of grid ground electrodes

표 4 메쉬접지극 크기에 따른 격자판 접지극 개수 선정

Table 4 Selection of number of grid plates according to mesh ground electrode size

Mesh ground electrode size	Number of Lattice plates
One side length exceeds 20m	6 Lattice plate per corner
One side length lass than 20m	3 Lattice plate per corner
One side length lass than 10m	1 Lattice plate per corner

그림 4. Case별 1MHz에서의 접지극 과도임피던스

Fig. 4. Ground electrode transient impedance at 1MHz for each case

2.5.2 격자판 접지극 적용에 따른 접지극 경제성 분석

일반접지봉(Ø16×1,800mm) 및 배전선로 임피던스를 적용한 4.58kA Case 1B 및 1.53kA Case 1C의 공사금액을 기준(100%)으로 볼 때 각각 격자판 접지극을 적용한 Case 1B-1, Case 1C-1의 공사금액은 기준 대비 125.2%, 123.8%로 약 24% 상승한 것으로 나타났으며 이를 그림 5로 나타냈다. 심타접지봉(Ø14×1,000mm-5serial)을 및 배전선로 임피던스를 적용한 4.58kA Case 2B 및 1.53kA Case 2C의 공사금액을 기준(100%)으로 볼 때 각각 격자판 접지극을 적용한 Case 2B-1, Case 2C-1의 공사금액은 기준 대비 126.6%, 119.2%로 상승한 것으로 나타났으며, 메쉬접지극 및 배전선로 임피던스를 적용한 4.58kA Case 3B 및 1.53kA Case 3C의 공사금액을 기준(100%)으로 볼 때 각각 격자판 접지극을 적용한 Case 3B-1, Case 3C-1의 공사금액은 기준 대비 120.6%, 124.0%로 상승한 것으로 나타났다. 심타접지극을 적용한 Case 2를 제외한 Case 1, 3은 배전선로 임피던스를 적용한 지락전류에 격자판 접지극을 적용한 경우가 이론상 최대값을 적용한 경우보다 1MHz에서 과도임피던스가 더 낮은 값을 보였으며 Case 1B-1은 그림 2의 일반접지극 7.329kA를 적용한 Case 1A 2,840,732원 대비 2,504,540원으로 88.1%의 비용으로 91.7% 낮은 과도접지저항을 보였으며, Case 3B-1은 그림 2의 일반접지극 7.329kA를 적용한 Case 3A 3,675,840원 대비 2,954,560원으로 80.3%의 비용으로 83.7% 낮은 과도접지저항 크기로 나타나 격자판 접지극의 과도접지저항 저감성능의 우수함을 알 수 있다.

그림 5. 격자판 접지극 적용 시 공사금액

Fig. 5. Construction cost when applying Lattice plate electrode