배전계통의 접지 및 피뢰기

과목 요약 및 교육목표

과목요약

· 배전접지에 필요한 기본지식, 접지의 역할, 접지효과 등에 대한 개념

· 접지의 이론을 통한 설계 및 시공 실무의 이해

· 접지저항 측정 원리를 통한 접지저항 형성 원리 이해

· 다중접지계통방식과 접지저항

· 접지저항과 피뢰기의 보호거리

교육목표

· 이론을 통한 접지 및 피뢰기의 기본 개념의 확립.

◈ 접지 및 피뢰기의 기본개념

배전계통의 접지 및 피뢰기

위덕대학교 에너지전기공학부

박 중 신



배전계통의 특수성



배전계통의 일반



배전계통의 환경변화와 전망



배전계통의 설계(가공, 지중)



배전운영[설계기준(배전편)]

목차

1. 접지의 정의 2. Earth와 Ground 3. 접지의 역사

4. 우리나라의 전기 도입

5. 중성선과 접지측 전선의 차이 6. 배전계통의 접지

7. 다중접지계통방식의 변압기 접지 8. 접지저항의 물리적 특성

9. 논리로 본 접지저항

10. 접지저항측정과 접지저항

11. 배전선로용 피뢰설비

1. 접지의 정의

가. 전력 설비, 통신 장비 및 건축설비와 같은 시스템을 대지(지구)에 전기적으로 접 속하는 것.

나. 따라서 대지전위를 0으로 정의함.

여기서, 는 지구를 의미한다.

2. Earth와 Ground

가. 일반적으로 사용되는 경우에는 동일한 의미로 사용 ◊ Earth : 영국에서 접지의 의미로 사용

◊ Ground : 미국에서 접지의 의미로 사용

나. 국제전기표준회의(IEC)의 규정에서는 차이를 두고 있음

◊ Earth : 대지((지구)를 기준 전위로 할 때. 즉, 땅을 접지체로 한 경우 ◊ Ground : 대지에 상당한 커다란 도체를 접지체로 한 경우

0 ,

,

,

   

 C V

C V Q

CV Q

C

EARTH GROUND

3. 접지의 역사

1753년 : 벤자민플랭클린의 낙뢰 실험을 위한 연줄 끝의 접지에서 시작 1754년 : 상기 실험 결과에 의한 낙뢰 피해 방지용 피뢰침 제작

1835년 : 모르스(Morse) 유선 전신 실용화(두선 중 한쪽 선을 접지, 대지귀로(Earth Return) 1876년 : 벨의 발명품인 전화기용 보안기의 접지로 접지 개념의 확산

1882년(뉴욕), 1887년(동경) : 저압 배전 공급을 비접지 2선식 방식 채택으로 문제 발생

변압기의 1차와 2차 혼촉 사고

2차측 전위 상승으로 감전사고 및 화재 사고가 빈번

* 이러한 2차측 전위 상승을 막는 방법으로 1가닥을 접지하기 시작

* 현재는 전 세계적으로 2차 저압 선로는 접지 방식을 택하여 사용

4. 우리나라의 전기 도입

도입 시기 : 1887년 3월 3월 6일

도입 장소 : 건청궁의 향원정에 원동기와 발전기 설치 공급 장소 : 건청궁 점등 및 경복궁 전등 750

5. 중성선과 접지측 전선의 차이

접지측 전선의 특성

- 단상 2선식의 접지된 전선을 의미함

- 접지측 전선의 굵기는 전압선과 동일한 굵기 사용(전압선에 흐르는 전류와 동일하기 때문) - 접지측전선은 피복선을 사용하여야 함.

- 접지측 전선이 단선되면 정전됨.

- 접지지측 전선의 말단이 접지가 되어 있지 않으면, 단선되면 부하와 연결되어 전압선이 될 수 있음.

중성선의 특성

- 단상 3선식 또는 3상4선식의 접지된 전선을 의미함

- 중성선이 단선되면 부하 저항의 크기에 따라 부하에 인가되는 전압의 크기가 달라짐.

우리나라 배전계통의 전력회사의 접지규정

 특별고압 중성선 및 저압중성선의 접지

• 특별고압 중성선

• 특별고압 중성선의 접지 : 3경간 마다 접지, 부하증가 예상지역은 매 전주 마다 접지

( 단, 인가가 없는 야외지역과 접지저항값 얻기 어려운 지역 : 매 300[m] 이하 마다 1개소 이상 접지)

• 특별고압 중성선과 대지 사이의 합성 저항치 : 매 km 당 15[Ω/km] 이하 유지 • 접지선을 중성선으로부터 분리 후 단독 접지저항값 : 100[Ω] 이하 유지

• 저압중성선

• 등․동공용 3상4선식 저압선로의 중성선 : 매 3경간 이하 마다 접지

• 접지 저항치 : 특별고압 배전선로에 준하여 시설( 단, 경간이 3경간 이하인 경우 말단에 접지) • 1상 2선식 저압선로의 접지측 전선의 접지 : 3상4선식 저압선로의 중성선에 준하여 시설 • 접지 종류 : 3종접지

• 단위 개소당 접지저항값 : 100[Ω]이하 유지

• 2개소 이상의 합성저항 : R=1.2[1/(1/R1 + 1/R2 + 1/R3 +……….+ 1/Rn) • 여기서 1.2 : 결합계수, R1R2, R3, Rn 은 매 접지점의 단위 접지저항값[Ω]

 가공지선의 접지

• 가공지선 설치목적 : 직격뢰 및 유도뢰의 피해 경감 • 가공지선 설치방법 : 가공지선 지지대 사용

• 가공지선 재 질 : 철선, ACSR선, 동선

• 가공지선 접지방법 : 가공지선 + 완철 연결한 후 다시 중성선에 연결 + 대지 • 가공지선 + 대지 : 200[m] 마다 접지하되 접지저항 값은 50[Ω] 이하 유지

5. 중성선과 접지측 전선의 차이

우리나라 배전선로의 저압선로 접지 시설 기준 특고압 중성선

- 매전주마다 다중으로 접지한다.

- 중성선에서 분리된 단독접지의 접지저항값은 300옴 이하 저압중성선 및 접지측 전선

- 매 3경간 마다, 말단.

- 특고압 중성선 시설기준에 준함

5. 중성선과 접지측 전선의 차이

6. 배전계통의 접지

중성선(N)

 다중접지 방식의 도입 과정

 1959년 : 미국 CAI(Commonwealth Association Inc)의 제의 : 기존지역 5.7kV-Y, 신설지역 13.2kV-Y

 1962년 : 3.3kV에서 6.6kV로 승압

 1964년 : 미국 EBASCO사의 12/23kV 승압제안(경제성, 선로 및 기기의 단순화)

 1969년 : 미국 Burns & Roe사의 기술용역 보고서 22kV 송전선로 보유지역은 22.9kV-Y로 승압 신설지역은 11.4kV-Y로 승압

 1970년 : 22.9kV 승압 추진

 1986년 : 서울지역 22.9kV 승압 결론

가. 중성선 다중접지 계통방식

1) 중성점 다중 접지 방식의 이점

 1선지락 사고시 건전상의 대지전압이 거의 상승하지 않는다.

 아크지락에 의한 이상전압, 차단시 개폐 동요값이 낮아 기기 절연 수준(BIL) 저감 가능

 피뢰기의 동작책무 경감 가능

 변압기 권선의 단절연 가능으로 변압기의 중략 및 가격 저하

 1선지락고장시 고장전류가 커 확실한 보호기기의 동작 기대(짧은 동작시간, 확실한 동작)

2) 다중 접지 방식의 단점

 1선지락 고장전류가 저역율 대전류이기 때문에 계통 안정도가 악영향을 줌.

 통신선의 유도장해 유발 가능성이 높음

 지락전류의 과다로 전력기기의 기계적 충격이 큼

 지락전류가 작을 경우 보호기기의 부동작할 가능성이 있음

 중성선이 있어 부하 불평형이 발생할 가능성이 높음.

6. 배전계통의 접지

나) 중성선 일점접지 계통방식



제한적으로 사용, 중성선은 모두 절연되어 있다.



N상 릴레이의 확실한 동작이 요구 될 때

중성선(N)

다) 3선식 중성선 일점접지 계통방식

 제한적으로 사용



변압기 부싱, 차단기 개수가 는다.



절연레벨이 증가한다.

6. 배전계통의 접지

라) 3선식 Y 비접지 계통방식

 거의 사용하는 경우가 없다.

마) 3선식 △ 비접지 계통방식

 부하 평형 유지가 잘 된다.



고장시 고장에너지가 적다.(고장전류가 적다.)



절연레벨 (최고 과전압 : 상전압의 1.82배)이 증가한다.



균등절연(Uniform) 변압기를 사용해야 한다.

6. 배전계통의 접지

1차권선

권선 모양 가는 원형

전류 크기 소전류

감긴 횟수 많음

2차권선

권선 구조 2개 뭉치

전류 크기 대전류

권선 모양 굵은 사각형

감긴 횟수 적음

오일 통로 1차 권선 2차 권선 2차 리드선

철심

가) 일단접지주상 변압기 권선

7. 다중접지 계통방식의 변압기 접지

고압코일 + 외함 + 저압코일 → 외함 기준 접지

고압코일과 저압코일이 외함을 통하여 결합

접지측 전선 : 3경간 마다 그리고 종단

외함 안쪽

7. 다중접지 계통방식의 변압기 접지

나) 일단접지주상변압기의 접지

7. 배전선로용 기기의 접지

다) 주상변압기의 접지

8. 접지저항의 물리적 특성

가) 접지극 주변 토양의 온도 영향

1) 접지극 주변토의 온도에 따라 대지저항률 이 변함.

2) 흙의 종류에 따라 저항률이 다름.

3) 영상에서는 저항률의 거의 변화가 없음 4) 영하에서는 저항률의 변화가 심함.

5) 이런 토양의 물리적 특성 때문에 동토 영역 을 벋어난 곳에 접지극을 설치해야 함.

6) 보통 지표면에서 75cm 이상에 설치함.

8. 접지저항의 물리적 특성

나) 접지극 주변 토양의 습도 영향

1) 접지극 주변토의 습도에 따라 대지저항률 이 변함.

2) 흙의 종류에 따라 저항률이 다름.

3) 수분함유량이 16~20% 정도면 대지저항률 이 대부분 저하됨.

4) 그러나 12% 이하가 되면 저항률이 급격히 상승하는 현상을 보임.

5) 따라서 수분의 함유량이 변하지 않는 깊이 이에 설치할 필요가 있음.

6) 따라서 75cm 이상에 설치함.

8. 접지저항의 물리적 특성

다) 접지극 주변 토양의 전위 분포

2) 접지극의 설치 깊이만 차이를 둠 3) 같은 크기의 전류를 접지극에 흘림

4) 접지극의 설치 위치가 깊을 수록 전위가 낮 은 것을 알 수 있음.

5) 따라서 75cm 이상에 설치가 필요함.

8. 접지저항의 물리적 특성

라) 접지극 주변 토양의 염분의 영향

2) 주변의 수분을 흡수하여 보유함.

3) 빙점을 낮추기 때문에 겨울에 유리 4) 접지극과 직접 접촉되면 부식 발생 5) 식염법은 토관법이 있음.

8. 접지저항의 물리적 특성

마) 접지극간 간섭 현상

1) 수조에 소금물(저항률 18,000옴)을 준비 2) 같은 규격의 접지극을 병렬 연결

3) 일정한 크기의 전류를 흘려 보냄 4) 접지극간의 거리의 변화를 주며 측정 5) 가까워 질수록 접지 저항값이 상승함 6) 상호 전류의 간섭에 의한 현상임 7) 따라서 일정한 간격 유지가 중요함

8. 접지저항의 물리적 특성

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

1본

2본 1본

2본 3본

3본

4본

4본

5본

5본

6본 7본 8본 9본 10본

저항Ω

시설비

바) 직병렬의 비교

1) 병렬이 직렬에 비해 시공이 쉬움

2) 소정의 접지저항값의 취득은 직렬이 유리 3) 병렬은 일정한 값 이하가 되면 수렴함 4) 직렬의 경우 시공비가 많이 듬

5) 따라서 직병렬을 적당히 병행 시공

9. 논리로 본 접지저항

가) 반구의 접지 저항 :

2 2

2 2

4 : 2 2

1 2

. 2

x r x

dx x r

x

x dx R

S R L

x dR dx

dR dx x

x

x r x

















 

표면적 구의

참조

적분하면 까지

에서

표현하면 형태로

적분 이를

같다 차원이 과

표현한 물리적으로

이는

표현하면 로

반구를

있음 수 생각할 를

가정하면 반구를

인 이 반경

같이 그림과

































 dx

접지전류

r

x 대지

ρ



 r

R 

 2



의 식 유도   R r





나) 병렬접지의 집합효과

) 1 4 (

. 1)

(1 1) (1 4

. 1)

(1 4

2 2 2

2

) , ( : :

: :

: .

: 2

'

' '

관계이므로 의

정리하면 식을

상기

부분이다 집합효과

이 식의

상기

된다 저항이 나머지가

뺀 를 식에서 이

는 설정하면 표면에

전극 반구 한쪽의 점을

만일

구하면 를

전위 점의

위치 임의의 유입전류 대지저항률

간격 접지전극의

반경 접지전극의 그림에서

함 접지효과라고 이를

커지는데 약간

보다 일반저항값 접지하면

병렬로

병렬저항값 경우

인 저항이

r d

d r R r

d r

d R r

d I r V I

V p

x I

x I V

V p

x x p I

d

r R R R

P

P











































에 따른 집합효과의 변화 ^d _r

5 1.2 10 1.1 20 1.05 40 1.025 50 1.02 100 1.01

d r

r d



r r

대지 ρ

P

x x’

I

I /2 I /2

d

2 5 10 20 40 50 100

0 1.5

2 2.5

1+r/d

d/r

1 0.5

1.5

1.2 1.1 1.05 1.025 1.020 1.010

9. 논리로 본 접지저항

다) 접지저항 저감제(저감제의 효과)



























 

 













































2 2 1 2 1 2

2 1 1 2

2 1

2 1 2 1 2 1 1 2

2 1

2 1

1 1 2 1 1 2 2 2

1 1

2 1 2

2 2

1 2 2 2

1

1 2

2 1

2 1

2 ) 1 ( 2 1

2 2

) (

) 2 1 (1 2

2 2

2 1 2

1

:

) (

), (

:

), (

), (

:

) (

), (

:

2 2

1 1

R r r R r

r r R R

r r r

r R R

R R

r r

r r

r r

r

x dx x dx

R

dx r R x

x

R R

r r

r r

r r









































 





라면 여기서

비교하면 값을

의 과 값 의 식 과 식

식 식

반지름 접지극의

임의의

저항율 접지저감제의

대지저항율 대지저항률

저항값 후

적용 저감제 저항값

전 적용 저감제 접지저항값

반지름 포함된

저감제가 반지름

접지전극의 반경

접지극의

r2

r1

대지

ρ2

ρ1

R1

R2

9. 논리로 본 접지저항

라) 접지저항 저감제



저감제의 종류

 염분

물에 녹아 전해되어 나트륨이온 Na+과 염소이온 Cl-로 해리되어 토양 속으로 침투하면 저감효과를 가져옴. 접지극을 부식시키는 단점이 있음

 숯(목탄)

숯은 그 자체가 도전성을 갖고 있고 다공질로 흡수성이 있어 저감 효과가 있음 숯은 동을 부식시키는 성질이 있음

 소광

황산 제조시에 황화철(FeSO3)을 산소와 반응 시킬 때 생성되는 부산물로 시공이 간단하고 공사 비가 저렴하며 접지저항값이 지속적으로 유지되는 장점이 있음

 아스론(Earthron)

성 분 : 석고성분에 전해질 무기염을 섞은 도전성 물질 특 성 : 저항값을 지속적으로 유지시키는 특성이 있음

장 점 : 무공해 물질로 접지전극을 부식시키지 않는 좋은 장점이 있음

특 징 : 아스론 액이 흙의 입자 사이에 침투하여 Gell화하여 흙을 굳게 하고 흙의 저항률 감소시킴 지속성 : 사용 후 1~2 년간은 접지저항율의 변화가 적으나 3년부터는 점차 상승하는 특성

고강도 접지저항 저감제

주성분 : 시멘트와 탄소섬유로 도전성을 갖음

특 성 : 경년변화가 적어 장기적으로 안정된 접지저항값을 얻을 수 있음

효 과 : 접지극에 직접 시멘트를 부어 접지전극의 부피를 키워 대지와의 접촉면적을 크게 할 수

9. 논리로 본 접지저항

마) 접지저항의 저항 영역의 개념

이다 마찬가지로

은 저항 포함되는 까지

거리 중심에서 전구의

표현하면 로

반구를 것처럼

언급한 앞에서

. ] 2 [

] 1][

[1 2 2

] 2 [

1 1 2

1 1

2

1 1























R r

r r x

dR dx R

R r

x dR dx

dR

r r r

r x















 



의 관계

r r1

대지

ρ

R1



1

과 r

r1 α △α%

r 0 -

2r 50 50

3r 67 17

4r 75 8

5r 80 5

6r 83 3

7r 86 3

8r 88 2

9r 89 1

10r 90 1

20r 95 5

100r 99 4

40 50 60 70 80 90 100

α%

9. 논리로 본 접지저항

E, G P C V A

I

s ^전류전원

v = r I

I V = R I

R = ? I

I I

V

보조접지극 보조접지극

접지극

R = V/ I

r = v/I 접지저항

1. 접지극 자체 저항 2. 접촉저항 (심타법) 3. 대지고유저항 - 영향 요소

온도, 습도, 염분, 광물질, 기타

10. 접지저항 측정과 접지저항

11. 저압의 접지방식

가) TN 접지계통 방식

T : Terre(흙, 접지) I : Insulation(절연) N : Neutral(중성점)

1) TN-S 계통방식 : 계통 전체를 중성선과 보호도체 (접지선)로 분리

변압기

노출 도전성 부분 계통접지

TN-S 계통방식

L1

PE L3 L2

N

N : 중성선 PE : 보호도체

11. 저압의 접지방식

가) TN 접지계통 방식

T : Terre(흙, 접지) I : Insulation(절연) N : Neutral(중성점) S : Separated(분리)

2) TN-C 계통방식 : 계통 전체에 대해 중성선과 보호도체의 기능을 동일 도체로 겸용 누전차단기의 사용이 곤란한 것이 단점임

PEN : 중성선+보호도체

변압기

노출 도전성 부분 계통접지

TN-C 계통방식

L1 L2 L3 PEN

11. 저압의 접지방식

가) TN 접지계통 방식

T : Terre(흙, 접지) I : Insulation(절연) N : Neutral(중성점)

3) TN-C-S 계통방식 : 계통의 일부분에서 중성선과 보호도체의 기능을 동일 도체로 겸용

N : 중성선 PE : 보호도체

변압기

노출 도전성 부분 계통접지

TN-C-S 계통방식

L1

N L3 L2

PE

노출 도전성 부분

11. 저압의 접지방식

나) TT 접지계통 방식

T : Terre(흙, 접지) I : Insulation(절연) N : Neutral(중성점) S : Separated(분리)

1) 계통의 일점과 설비의 노출전도성 부분을 접지극을 통하여 접지한 방식

2) 저압계통의 경우 지락 고장시 과전류 차단기로 5초 이내에 고장점 차단이 어려운 경우가 있어 누전차단기로 지락점 제거

3) 고압의 겨우 고장전류가 대지로 흘러 절연레벨이 낮은 기기에 영향을 줄 수 있음. 또한 접지극 간의 전위차가 발생하여 틀러블을 이르킬 수 있음

N : 중성선 PE: 보호도체

변압기

TT 계통방식

L1

N L3 L2

PE

11. 저압의 접지방식

다) IT 접지계통 방식

T : Terre(흙, 접지) I : Insulation(절연) N : Neutral(중성점)

1) 계통을 절연하고 설비의 노출전도성 부분을 접지극을 통하여 접지한 방식

N : 중성선 PE: 보호도체

변압기

IT 계통방식

L1

L3 L2

PE R, L

12. 배전설비용 피뢰설비

 Gap Type :

 구성 요소 : 직렬 갭 + 특성 요소(SiC) + 단로 장치

 특성요소 : SiC( 탄화규소) 입자를 각종 결합체와 혼합하여

고온에서 소결시킨 것으로 방전전류가 크면 -> 저항이 적어짐

방전전류가 작아지면 -> 저항이 커짐 따라서 갭에서 속류 차단에 도움을 줌.

 단로장치 : 18 kV 배전 선로용에만 있음.

 Gapless Type :

 구성요소 : 특성요소(ZnO) + 단로장치

 특성요소 : ZnO(산화아연)

 단로장치 : 18 kV 배전 선로용에만 있음.

가) 피뢰기의 종류

나) 제한전압

 방전전류가 피뢰기를 통하여 흐르는 동안 피뢰기의 양 단간의 전압

12. 배전설비용 피뢰설비



전원으로부터 공급되는 상용주파수의 전류

12. 배전설비용 피뢰설비

다) 속류



Gap Type 피뢰기

 직렬 갭 : 한류 갭(영구자석]으로 아크를 회전 구동시켜 갭을 보호

 특성요소 : Sic(탄화규소)입자를 각종 결합체와 혼합 후 고온에서 소결

• 방전전류가 크면 -> 저항이 작아짐

• 방전전류가 작아지면 -> 저항이 커짐

• 따라서 갭에서 속류를 차단하는데 도움을 줌

 단로장치 :

12. 배전설비용 피뢰설비

다) 피뢰기의 구조



Gap에서의 전기적 동작

12. 배전설비용 피뢰설비

다) 피뢰기의 구조

1. 피뢰기 무(임펄스 전압) 2. 피뢰기 유( 임펄스 전압) 3. 피뢰기를 통과하는 임펄스 전류

Ts : Speak Over 시간 Ur : 제한 전압

Us : 충격 방전 개시 전압 O1 : 충격 전압의 시작점

12. 배전설비용 피뢰설비

라) GAP Type 피뢰기의 동작 특성

특 성 요 소 Z n O

시멘트 층

● 구성 요소

비직선 특성을 지닌 산화 아연 소자를 사용함.

● 산화 아연 소자

산화 아연에 Bi2O3, CO2O3, MnO2, Cr2O3, Sb2O3 금속을 첨가하여 1000℃ 이상에서 소결한 미세 구조임.

Z n O

12. 배전설비용 피뢰설비

마) Gapless 피뢰기의 구조



Gapless Type 동작 특성

● 소전류 영역(Ⅰ) : 1mA 이하

→ → →

● 중전류 영역(Ⅱ) : 1mA ∼수백 A

전류 밀도가 전계 강도의 α승에 비례하는 영역

● 대전류 영역(Ⅲ) : 수백 A 이상

산화 아연 결정과 고유 저항이 지배하는 영역

12. 배전선로용 피뢰설비

바) Gapless 피뢰기의 동작 특성

12. 배전설비용 피뢰설비

사) 단로장치

 가공지선 설치 : 전주의 정부

 가공지선 역할 : 직격뢰와 유도뢰

 가공지선의 선종 및 굵기 :

 일반지역 : 아연도강연선 22[㎟] 이상

 염해 및 진해 지역 : 나경동연선 22[㎟]

이상

 가공지선 접지 : 가공지선은 완철과 연결되고



 접지저항값 : 50[Ω] 이하

 차폐각 : 45°적용

12. 배전설비용 피뢰설비

아) 가공지선

자) 가공지선

 차폐각도 : 45도

 접지 : 매 전주 마다 중성선과 공용하여 접지저항 300옴 이하로 접지

전주

완철(2400mm) α

α :차폐각(45도)

가공지선지지대

LP 애자(300mm)

300mm1200mm

12. 배전설비용 피뢰설비

변전소 가공배전선로 지중배전선로 수전설비 M.tr 차단기

단로기 s/s용 피뢰기

D/L용

피뢰기 LP애자 현수애자

선로개폐기 COS P.tr 콘덴서 종단접속재 케이블 지중용 G/S 지상변압기

직선접속재

ASS MOF

BIL (kV)

충격내 전압 (kV)

150 150

150

76 (제한)

65 (제한)

125 -

LP : 180 SU : 230

(2) 섬락전압

150 150

125 125

125 125

125 125

150

240 (상온)

150

240 (상온)

125 125

125 125

150

150

150

150

13. 배전계통의 BIL

관심 주심 ^{에 감사합니다.}

행복 ^과 평화 ^{가 함께하기를} 소원 ^합니다.