전기안전연구원(http://re.kesco.or.kr) 한운기 박사, 정진수 박사 (031)580-3114 노이즈프리미어랩㈜(www.nplab.kr) 조대훈 이사 (031)384-1094
개요
최근 접지전극은 접지전극 간 등전위화로 대형화하고 있으며, 특히 저저항 유지를 위해 메쉬 전극, 보링 전극 등을 이용한 방법이 이루어지고 있다. 그러나 접지저항 측정 방법에 대한 일반적인 방법은 제시되고 있으나, 대규모 접지전극 시공 시 접지저항 측정 방법에는 현실적인 적용 방법이 제시되지 않은 실정이다. 이와 같은 이유로 접지저항을 측정하는 측정자에 따라 접지저항을 측정하는 방법 및 그 측정 결과가 서로 달라 측정 결과에 대한 의문이 제기되고 있다. 이러한 문제점 해결을 위해 대규모 전극의 실증실험장(한국전기안전공사 전기안전기술교육원)을 구축했다. 실증실험장에는 15m, 30m의 보링 전극, 6×12㎡의 메쉬 전극, 판 전극, 흑연 전극, 환형 전극 등을 구축했으며, 다양한 방법을 이용한 실측으로 접지저항 특성을 분석했다. 또한 측정 시 문제가 되고 있는 전류전극의 거리 및 전위전극의 위치 문제에 대한 대안을 제시했다. 그리하여 국내에 시공되고 있는 접지전극 시공 방법에 대한 접지저항 측정결과를 비교 · 검토해 접지전극 시공에 따른 특징을 이해하는 데 도움이 될 것으로 판단된다. 또한 본 실증실험장은 표준화된 전극을 바탕으로 휴먼 에러(Human Error) 감소로 측정 결과의 신뢰성 확보와 이에 대한 대책을 수립하는 데도 도움이 될 것이다.
실증실험장 구축
접지전극별 표준화를 위해 구축된 실증실험장에서 보링 전극과 메쉬 전극의 특성을 분석했다. 접지저항의 측정 방법은 <그림 1, 2>와 같이 시공된 실증실험장에서 각각의 전극을 대상으로 접지저항을 측정했다. <표 1>의데이터와프로그램을이용하여 지층 구조를 해석했다. 시뮬레이션 이용 툴(Tool)은 CDEGS(CANADA, SES, 2003)를이용했다. 해석결과, 지층의상층은두께 1.12[m]의 약 77[Ω · m], 하층은 200[Ω · m] Infinite의 구조로 이루어졌다.
국내외 측정 방법
IEEE Std.81-2와 JEAS의 규격을 충족시킨 전위 및 전류전극을 설치하여 접지저항을 측정했으며, 전위 및 전류전극의 거리 및 각도를 조정하여 접지저항을 측정한 결과를 비교 · 분석했다. 현재 국내의 경우 전위보조전극과 전류보조전극은 90°의 각을 이루도록 측정하고 있다. 이때 전위 및 전류보조전극의 거리는 접지망 한 변의 길이에 4∼5배로 하고 있다. 이는 국제기준마다 약간씩 차이가 있으나 IEEE std.81-2의 경우 접지망 대각선 길이의 6.5배로 규정한다. JEAC의 경우 전압보조전극은 300∼600[m], 전류보조전극은 접지망 한변 길이의 4∼5배로 규정하고 있다. 국내 검사 규정에서도 위 규정을 준수하여 적용하고 있다. IEC60364 검사 기법, 프랑스 전력기관(EDF) 및 영국 전국검사심의회(NICEIC), 공사업체 시공에 대한 배선규정(IEE Wriging Regulations), 영국표준(BS 7671) 준수 여부 확인 검사에서 사용하는 접지저항 오차율 계산법을 이용하여 결과에 반영했다. 오차율 계산법은 아래식과 같다.
접지 저항값의 선정 방법은 일반적으로 C전극 50m에 타설하고 접지 저항값의 변화량이 40[%], 50[%], 60[%] 부분에서 위의 식으로 오차가 5[%]이하일 경우 측정값을 인정한다. 만약 오차가 5[%]를 넘으면 C전극의 위치를 증가시켜 측정하며, 일반적으로 C전극은 50[m]에, P전극은 25[m]에 설치해 측정한다.
실험장치 구성 및 실험 결과
1. 실험장치 구성 실험 방법은 대상에 따라 <표 2>, <그림 4, 5>와 같이 구성했다. IEEE Std 81.2-1991을 참조하여 슬라이덕스(Slidacs)를 이용한 대용량 시험전류공급을 위한 전위강하법과 정밀 접지저항계를 이용한 비교와 함께 정밀 접지저항계를 거리별, 전위전극의 위치별로 분석했다.
2. CASE 해석 CASE 해석은 <표 3>과 같이 측정법과 전극의 형태를CASE 1과2로나누어측정결과를알아보았다.
⑴ CASE 1 <그림 6>은 전류 · 전위보조전극의 거리 및 전위보조전극 각도별 측정 결과이다. IEEE Std 81.2를 기준으로 측정한 값과 정밀 접지저항계를 이용했을 때 C Probe(100m), P Probe(50m) 0~180˚까지 0.5[Ω] 이내의 차이가 나타나 접지저항 측정 결과 별다른 차이가 없음을 확인했다. 또한 C Probe(전류보조전극)를 50[m] 지점에 시공했을 경우와 200[m] 지점에 시공했을 경우 접지저항값이 0.2[Ω]의 오차가 발생했으므로, C Probe(전류보조전극)를 50[m], P Probe(전위보조전극)를 45˚ 이상 거리를 이격하여 측정하더라도 접지저항을 측정하는 데 문제가 없는 것으로 나타났다.
⑵ CASE 2 <그림 7>은 거리 및 장비별 접지저항의 측정 결과(전류 · 전위보조전극 일직선)이다. 전류보조전극의 전체 거리 60% 지점에서 C Probe 50m(전류전극) 3.75[Ω], C Probe 100m(전류전극) 3.9[Ω]정도로 나타났다. 그리고 C Probe 50[%] 위치에서 0.3[Ω], 80[%] 위치에서 0.6[Ω] 정도의 접지저항 차이를 나타냈다. <그림 8>은 거리 및 장비별 접지저항 오차율 변화량(전류 · 전위보조전극 일직선)이다. C Probe 전류보조전극 50[m] 지점에서 측정한 결과 중 D장비는 30[m] 지점에서 4.44[%]의 오차가 발생했다. 결과적으로 접지상태 및 환경이 좋지 않은 지역에서는 측정 오류가 발생할 가능성이 있다. 접지저항값의 측정자가 전위보조전극의 위치 선정 시 오류를 범하면 휴먼 에러를 동반할 수 있다.
마무리
대규모 접지전극의 접지저항 평가 방안은 IEEE Std.81-2를 적용한 장치 구성으로 접지저항 평가가 이루어져야 하나 현실적으로 어려움이 따른다. 이러한 문제를 해결하기 위해 실증실험장을 구축하여 표준화된 장소에서 실증실험을 했으며, 현장실험을 통한 각종 실험 결과를 비교 · 분석한 결과 다음과 같이 나타났다. ① 전류 · 전위보조전극의 이격 거리 및 전극 간 각도에 대하여 전류보조전극을 100[m] 이상 측정 할 경우, 전위보조전극을 일직선상에서 50[m] 부분, 전류 · 전위보조전극을 50[m] 이상 측정했을 때 전류 · 전위보조전극을 45°이상 이격시켜 측정한 결과를 관련 규격에 의한 오차율 분석 결과 대부분 1[%] 미만의 값을 보였다. ② 실측된 4개 지역에 대한 접지저항 측정 결과 전류보조전극의 거리가 100, 200[m] 이상일 경우 E사 장비는 모두 유사한 결과를 보였으나, 그 외 장비에서는 보조전극의 저항값이 높을 경우 저항값의 변화가 큰 것으로 나타나므로 사용조건에 따라 주의가 요구된다.
따라서 IEEE Std.81-2에서 제시한 규정을 바탕으로 측정 장치를 구성하여 측정한 결과, 일반적인 상업용 장비와 유사한 값을 보였으며, 현장 적용의 편리성을 위하여 일반 접지저항계를 이용한 측정결과의 적용도 가능한 것으로 나타났다. 그러나 접지전극의 계통 사용 중 측정은 일반적으로 하드 클램프 타입(활선 접지저항계)으로만 측정이 가능하고, 접지저항값의 정확한 평가는 어려움이 많으므로 현실 적용 방안인 접지 연속성, 부식성 등의 시스템 관리적 개념의 정책 도입이 요구된다. 위와 같은 결론을 바탕으로 측정 기법(매뉴얼) 및 관련 규정 개선으로 휴먼 에러를 최소화한 접지 시스템의 높은 신뢰성 확보가 가능할 것으로 판단된다. 본 연구에서 구축된 실증실험장은 다양한 기법의 재현 실험에 의한 검증과 측정 방법의 다양한 시도로 현장 전문가를 양성하기 위한 테스트베드(Test Bed)로 활용될 것이다.
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