배전 계통의 접지는 안전과 전기 설비 보전 확보를 목적으로 실시되어지는 중요한 사항이지만 설치 장소의 환경적 특성과 기술적 난점으로 인해 유지·관리가 어려운 부분이기도 하다. 일본에서는 이를 해결하기 위해 관측 결과와 시험 결과를 토대로 구축한 해석 모델을 사용하고 있다. 본편에서는 일본의 피뢰기와 지상 기기 외함의 접지 합리화 방안에 대해 소개한다.
번역·정리 전화영 객원기자
배전 계통의 접지는 사람들의 안전과 전기 설비 보전 확보를 목적으로, 전기설비기술기준 및 해석(이하, 전기해석電技解釋)에 따라 필요한 개소에 정해진 접지 저항 값 이하로 설비할 것을 규정하고 있다(<표 1>, <그림 1> 참조).
그러나 배전 계통의 접지는 대지 특성이 다른 여러 개소에 시설되는데다 선로 형태나 설비 환경이 복잡하고, 시설되는 접지극 수가 많아 전력 회사에서는 유지·관리에 상당한 비용과 일손을 쏟아붓고 있다. 이에 피뢰기 접지(전기해석 제42조)와 지상 기기 외함 접지(전기해석 제29조)에 착안해 낙뢰 관측 결과와 실규모 시험 결과, EMTP(전자 과도 해석 프로그램) 해석 결과를 중심으로 상세히 검토한 끝에 합리화 방책(새로운 관리 방법 구축)을 제안하고 전기협동연구(제63권 제1호)에 내용을 정리했다. 이를 기술적 근거로 일본전기기술규격위원회 규격(JESC)으로 승인되고 전기해석 개정(제42조: 2008년 10월 개정, 제29조: 2010년 1월 개정)으로 이어져 기존 전기해석의 보안 수준을 확보한 후 불필요한 접지 개수改修를 피하게 됐다.
피뢰기 접지의 합리화(전기해석 제42조)
도쿄전력㈜에서는 담당 구역 내 강한 낙뢰 지구 군마(群馬), 도치키(?木)에서 1996년부터 낙뢰를 관측하고 이 데이터들을 집약·분석했으며, 아울러 전력중앙연구소 아카기(赤城)시험센터 등의 실규모 시험 결과를 이용해 배전 계통 해석 모델을 구축했다. 기존 해석 방법에서는 특히 수요가 모의가 어려워 저압 배전 계통의 수요가에 발생하는 과전압을 계산했는데, 이것으로는 수요가 내 영향이 제대로 반영되지 않아 실제 현상과의 괴리가 과제였다. 본 검토에서는 배전선이나 수요가(옥내 접속 기기) 등 각각의 구성 요소에 대해 실규모 시험 회로를 구축하고 인공적으로 뇌 과전류를 인가해 해석 모델과 비교함으로써 토중 방전 등 저항 값 저감 특성이나, 전선 등의 과도 응답 특성을 반영한 모델을 구축했다. 최종적으로는 배전 계통에서 수요가 설비까지 일관된 모델을 구축했다. 모델 정확도는 관측에서 얻은 뇌 서지 파형이나 배전 계통에 생기는 뇌 서지의 통계 분포와 해석 결과를 비교해 실제 현상과 맞는지를 통해 확인했다(<그림 2> 참조).
이렇게 구축한 해석 방법을 이용해 합리화 모델과 기존 전기해석에서 허용하는 모델에 대해 전기해석 제42조 규정의 근거가 된 수요가 인입선 전류 분포, 저압 배전선 접지 상대지 전압을 비교해 기존 전기해석과 동등한 보안 수준을 확보할 수 있는 형태로 좁혀 들어갔다. 기존 전기해석에서는 저압 가공 전선과 가공 공동 지선, 중간 접지의 위치에 따라 인정되는 시설 형태, 서로 다른 관리 값 등이 복잡해 알기가 어려웠다. 제안하는 모델에서는 이를 통합한 형태(<그림 3> 참조)로 관리도 손쉬워진다. 자세하게는 전기협동연구에 정리했으며, 배전계통접지설계합리화전문위원회의 ≪배전 계통 접지 설계의 합리화≫(전기협동연구 제63권 제1호, 2007-5)를 참조하길 바란다. 이를 기술적 근거로 2008년 10월에 전기해석이 개정됐다. 개정 후에는 합리적이고도 간결하게 관리가 손쉬워짐에 따라 전기 보안에 기여함은 물론이고, 불필요한 접지 개수를 피할 수 있을 것으로 보여 경제성 측면에서도 큰 효과가 기대된다.
지상 기기 외함 접지의 합리화(전기해석 제29조)
지상 기기 외함의 접지는 기기 내부 등에서 지락, 고저압 혼촉 사고가 발생했을 때 일반 사람들이 외함 접촉 시 일어나는 감전을 보호할 목적으로 하며, 전기 기술해석 제29조에 규정하고 있다. 그동안 지중 배전 계통에서는 합성 저항 관리라는 개념이 없고, 기기 단위에서 접지 저항을 측정해 관리했다. 그러나 지상 기기 외함의 접지(A종 접지)와 케이블 차폐층의 접지(D종 접지)를 공용하면, 인접 기기의 접지와 전기적으로 연결돼 사고 전류의 분류 효과로 지락 사고 시 기기 외함의 전위 상승을 억제할 수 있다. 합성 저항 측정 방법｜합성 저항값을 파악하는 방법으로 단극마다 접지를 측정해 접지 상황이나 분류 범위를 고려한 합성 계산이 거론되나, 분류 범위나 분류 범위의 케이블 차폐층 임피던스를 정확하게 파악하지 않으면 진짜값을 구하기 어렵다. 이에 직접 현지에서 측정하는 방법으로 측정 시 보조극을 별도로 시설하고 보조극을 사이에 둔 두 개의 다른 회로에 전압을 인가해 인가 전압과 각 경로에 흐르는 전류의 측정값에서 합성 저항을 구하는 방법을 검토했다. 구체적으로는 기기가 연접하는 접지와는 다른 보조극(Rb)을 시설하고, 측정 대상인 기기의 접지(Rc)와 그 외 계통 측 연접 접지의 합성(Ra) 사이에 전압(E)을 인가한다(<그림 4>의 ‘측정 회로 1’참조).
이때 계통 측(Ra)과 보조극(Rb)의 임피던스 크기에 따라 분류한다. 여기서 Ra, Rb, Rc 각각에 흐르는 전류를 계측한다(전기 회로상 Ic는 Ia와 Ib의 합산값으로 한다). 다음으로 <그림 4>의‘측정 회로 2’에서 보듯이 Rc를 회로에서 분리한 상태에서Ra와Rb 사이에 전압을 인가해 회로에 흐르는 전류 Id를 계측한다. 각각의 측정 회로에 대해 키르히호프의 회로 방정식을 구하면 (1)~(4)의 식이 주어진다.
Ra~Rc는 (1)~(4)의 식을 풀면 구할 수 있다.
구하려는 합성 저항 값R은 (8)의 식으로 구할 수 있다.
측정 방법의 타당성은 등가 접지 저항과 실규모 모의 시험, 상용 선로에서 검증해 각각 JIS C 1304(접지 저항 합계)의 허용 오차 내에 충분히 들어감을 확인했다(<그림 5> 참조).
자세하게는 요시나가 외 ≪지중 배전 계통에서의 합성 저항 측정 방법 검토≫(전기학회 B부문지 Vol.126, No.8, 834~840쪽, 2006-8)를 참조하길 바란다. 이러한 방법 개발로 설비 실태에 맞는 접지 저항의 적정 관리가 가능해진 동시에, 불필요한 접지 개수를 피할 수 있어 경제성 측면에서도 기대가 된다. 한편, 이 같은 내용은 전기협동연구에 정리했으며, 이것을 기술적 근거로 2009년 3월에 일본전기규격위원회(JESC)에서 승인을 얻어 2010년 1월 20일 전기해석 개정에 이르렀다.
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본고에서는 피뢰기와 지상 기기 외함의 접지 합리화에 대해 소개했다. 관측 결과와 시험 결과를 토대로 구축한 해석 모델을 이용해 기술적 검토를 진행했으며, 차례차례로 전기학회에 논문을 투고하는 등 전문가와 상의하고, 그와 함께 합리화 방책을 전기협동연구에 정리해 그 결과가 전기해석 개정으로까지 이어졌다. 앞으로도 계속 이러한 견식과 경험을 살려 합리화를 추진해 나갈 계획이다.
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