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PSCAD/EMTDC를 이용한 지중함 접지방법에 따른 전격위험성 평가와 감전사고 예방대책
한운기, 김종민, 방선배, 정진수, 정종욱, 이 준 전기안전연구원 설비안전연구그룹
electrical shock accident prevention method and risk assesment as grounding type on the low-voltage handhole using PSCAD/EMTDC
Han Woon-Ki, Kim Jong-Min, Bang Sun-Bae, Jung Jin-Soo, Jung Jong-Wook, Lee Jun Electrical Safety Laboratory Research
Abstract - 2005년도에 저압 지중함에서 감전사고가 발생한 후 감전예 방을 위한 다양한 개선대책이 현장에 적용되었다. 사고발생 직후에는 지 중전선의 접속부에 테이핑처리에 의한 보완조치가 적용되었으며, 그 이 후 전선 접속 부를 방수형접속재로 교체하는 작업이 시행되었으며 전선 접속부 위를 감전방지용 절연고무판으로 덮거나 차량의 통행이 없는 일 부 지중함의 뚜껑을 절연재질인 고강도플라스틱(FRP)으로 교체하거나 그 이외에 다중접지된 중성선과 지중함의 틀을 본딩하는 개선대책 등이 현장에 적용되었다.
이러한 다양한 개선대책은 지중함에서의 감전사고를 예방하기 위한 것 으로 그중 틀접지는 이미 적용된 지중함 내의 접지설비와 중성선이 공 통접속된 상태에서 지중함과 맞닿는 틀에 접지도체를 연결하는 것이다.
계통의 중성선을 이용한(TN-C)방식의 틀접지는 효과가 있으나 뚜껑부 분의 진동방지를 위하여 삽입한 고무패킹은 성능저하를 일으키므로 그 에대한 대책이 필요하였다.
1. 서 론
지중함은 뚜껑과 틀이 금속재질인 노출도전부로 되어있으며 함체는 콘크리트, FRP 또는 합성수지인 PE계열의 재질이다. 감전사고 이후에 지중전선의 접속 부를 방수접속재로 교체하였으며, 전선접속부를 절연고 무판으로 덮어씌우는 보강대책이 적용되었다.
이러한 개선대책은 그동안 국내 전기사용설비에서는 적용되지 않는 것으로 최근 도입된 국제기준인 IEC60364에서 언급하는 TN-C방식에 해당한다. 지중함은 그 위로 차량 등 외부 물체의 동적하중에 의해 진동 이 반복적으로 가해지므로 진동흡수를 위하여 지중함의 뚜껑과 틀 사이 에는 고무 개스킷이 삽입된다. 현장에 적용된 외함접지용 도체는 뚜껑이 아닌 틀에 접속을 하고 있어 뚜껑과 틀 사이에는 전기적 저항이 존재하 게 된다.
본 논문에서는 PSCAD/EMTDC를 이용하여 틀접지가 적용된 상태에 서 가장 가혹한 조건인 노출도전부(뚜껑)를 통한 상-대지 단락을 모의 하여 사고전류, 전위상승 및 계통의 영향을 알아보았다.
2. CASE 구성 및 조건
그림 1은 저압지중함을 모델링한 회로도이다. 모델링에 사용되는 파라 미터는 표 1과 같은 값으로 입력되었고, 인체저항은 1,000[Ω], 인체의 한 쪽발이 지중함의 노출도전부에 접촉된 상태를 모의하였다.
<그림 1> PSCAD/EMTDC 저압지중함 계통 모델링 표 1은 지중함 회로에 사용되는 인입선의 파라미터 및 부하용량이다.
지중전선의 굵기는 100[㎟]으로 하였고 임피던스의 크기는 IEEE : Wire and Transformer Impedance 값을 적용하였다
지중함에서의 사고는 4가지 CASE로 구성하였다. CASE 1에서는 중 성선과 틀접지가 본딩(TN-C)된 상태에서 전선접속부의 완전 지락에 의 한 상-대지간 단락사고를 모의하였다. CASE 2에서는 지중함의 노출도 전부에 대해 외함접지(T-T)를 가정한 상태에서 지락사고를 모의하였다.
CASE 3에서는 CASE 1, CASE 4에서는CASE 2의 조건에 틀과 뚜껑 사이에 절연체(고무패킹)를 삽입한 상태에서 사고를 모의하였다.
Parameter Value
Capacity 300[㎸A]
Winding Y-Y
% Impedance 5[%]
Base Impedance 100[㎹A]
Parameter Value
Length 0.1[km]
Size 100[㎟]
Impedance
Resistance 0.187[ohm/km]
Reactance 0.0968[ohm/km]
Inductance 2.56×e-4[H/km]
<표 1> Pad-Mounted 변압기 파라미터
[IEEE : Wire and Transformer Impedance]
표 2는 사고종류별 CASE 구성순서이다. 표와 같이 CASE 1부터 4까 지 지중함 내부의 사고를 CASE 해석 하였다.
<표 2> 사고종류별 CASE 구성
순서 사고종류 내 용 변화값
CASE1 지락
사고 TN 방식
. 1선지락사고 전류 . 인체접촉 대지전위 상승 변화
. 지중함 접지저항값 변화(10, 50, 100, 1,000, 10,000[Ω]) CASE2 지락
사고
TT 방식 지중함 뚜껑접지
CASE3
TN 방식 뚜껑하단 절연체
(고무패킹) 삽입
. 고무패킹에 의한 금 속뚜껑의 지락사고시 전위상승
. 고무패킹 저항값 변 화(0.1, 10, 100, 1,000, 10,000[Ω]) . 접지저항 50[Ω]고정
CASE3
TT 방식 뚜껑하단 절연체
(고무패킹) 삽입
. 고무패킹에 의한 금 속뚜껑의 지락사고시
전위상승
. 고무패킹 저항값 변 화(0.1, 10, 100, 1,000, 10,000[Ω]) . 접지저항 50[Ω]고정 계통접지 10[Ω], 인체 저항은 위험(젖음)상태 1,000[Ω]으로 가정함.
3. CASE 해석결과 3.1 CASE 1 결과
지중함 내부의 접지방식은 TN-C계통 접지방식으로 구성되었으며, 지 중함의 뚜껑과 접지선이 접속된 구조로 시공된 형태이다.
<그림 2> CASE 1에서 고장전류 흐름
표3은 CASE 1 ～ 4까지 시뮬레이션 결과이다. 해석 결과 지중함의 뚜 껑에 접촉된 인체에는 14～21[㎃]의 전류가 13초 동안 흐른다.
2008년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2008. 7. 16 - 18
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<표 3> CASE1, 2, 3, 4 시뮬레이션 결과
구 분 CASE-1 CASE-2 CASE-3 CASE-4
고장상 Efault[V] 152 218 186～220 220
Ifault[A] 1540 22.7～32.3 22～843 26～22.8
지락전류 Ig[A] 17.7～32 9.83～9.9 127～233 3.52～3.5
접지극 Vearth[V] 18.5～31 124～221 1.7～13.4 42.2～170
Iearth[A] 1.4 9.7 27～33 3.36
인체 Vpeople[V] 17.6～31 123～217 121～219 178～212
Ipeople[㎃] 14~21 130~210 100~200 160~200
그림 3은 IEC60479-1에서의 인체에 흐르는 전류의 크기와 통전시간에 따른 영향을 나타낸 그래프이며, 영역별(AC1～AC4) 생리학적 영향을 나타낸 것이다.
시뮬레이션에 의해 인체에 흐르는 전류는 최대 21[㎃]이다. 그림 3에서 와 같이 통전시간이 0.5초 이내가 되어야 AC-2 영역에 포함될 수 있다.
그러나 그림 4와 같이 고장상태가 13초 동안 지속되므로 AC-3영역에 해당되어 인체는 근육수축이나 호흡곤란에 이르게 된다.
<그림 3> IEC 60479-1 인체 영향 <그림 4> 변압기 퓨즈특성곡선 3.2 CASE 2 결과
CASE 2는 지중함 내부 접지방식은 현재 국내 현장에는 일반적으로 적용되지 않는 접지조건이다. 지중함의 뚜껑과 하단의 접지단자가 공통 으로 시공된 방식이다.
시뮬레이션 결과 고장상의 상전압은 지중함 내부의 접지저항 값에 따 라서 최대 218[V], 전류 22.7～32.3[A]이며, 접지극과 인체에 인가되는 전압은 각각 124～221[V], 전류는 9.7[A]이다. 인체에 미치는 영향에 있 어서는 인체에 인가되는 전압은 123～217[V], 인체에 흐르는 전류는 13 0～210[㎃]로서 CASE 1에 비해 높게 나타났다.
<그림 5> CASE 2의 인체유기 전압 및 전류
지중함 내부에서 기존의 방식과 달리 제3종접지가 단독으로 설치되었을 경우 접지저항 값이 10[Ω]인 상태에서도 인체에 인가되는 전류는 최소 한 130[㎃]로 나타났다. 이때의 지락(고장)전류는 32.3[A]이므로 변압기 보호용 퓨즈의 차단영역 밖에 있으므로 고장상태가 지속된다. 그림 3의 AC 3에 해당하므로 인체는 심장마비, 호흡정지와 같은 위험한 상태에 이를 수 있다.
3.3 CASE 3 결과
금속 뚜껑과 지중함 틀 사이에 진동방지를 위해 삽입된 고무패킹으로 인한 접촉저항을 0.1～10,000[Ω]으로 변경시키면서 뚜껑에 지락사고가 발생하는 것을 모의하여 나타나는 영향을 시뮬레이션 하였다.
그림 6은 CASE 3의 고무패킹의 삽입으로 인한 고장전류 흐름 및 접 지구성도이다. 고장상의 상전압은 186～220[V], 전류는 22～843[A]이며, 접지극과 인체에 인가되는 전압은 각각 1.7～13.4[V], 121～219[V]이다.
접지극과 인체에 흐르는 전류는 각각 27～33[㎃], 100～200[㎃]이다.
CASE 3은 CASE 1과 같은 TN-C방식이나 뚜껑과 틀 사이의 고무패 킹에 의한 접촉저항으로 인해 지락전류는 감소하지만 인체에 흐르는 전 류는 증가함을 알 수 있다. 고장전류 843[A]는 변압기 보호퓨즈의 차단 영역 밖에 있어 고장상태가 지속되므로 인체에 흐르는 전류인 100～
200[㎃]은 그림 3에서 AC4에 해당하므로 인체는 심장마비, 호흡정지 등
에 이를 수 있다.
<그림 6> CASE 3에서 고장전류 흐름 3.4 CASE 4 결과
CASE 4해석결과이다. 지중함의 틀에 접지가 되어 있고 뚜껑과 틀 사 이에 고무패킹에 의한 접촉저항이 존재하며, 고장상(Phase)이 뚜껑에 완 전접촉된 것을 가정한 CASE 4에서는 다른 모의조건(CASE1, 2, 3)에 비해 지락전류는 감소하지만 인체에 흐르는 전류는 가장 높게 나타났다.
고장상의 상전압은 220[V], 전류는 26～22.8[A]이며, 접지극과 인체에 인가되는 전압은 각각 42.2～170[V], 178～212[V]이다. 접지극과 인체에 흐르는 전류는 각각 3.36[A], 160～200[㎃]로 나타났다. 지락전류는 26～
22.8[A]는 변압기 보호퓨즈의 차단영역 밖에 있어 고장상태가 지속되며 이때 인체에는 160～200[㎃]가 지속적으로 흐르므로 그림 3의 AC4에 해 당한다.
<그림 7> CASE 4의 인체유기 전압 및 전류 4. 결 론
본 장에서는 PSCAD/EMTDC를 이용하여 현재 저압지중함에 적용된 틀접지에 대하여 4가지 CASE로 구분하여 모델링하고 지중함 및 인체 에 미치는 영향을 분석함으로써 접지시공 방식에 의한 감전사고 예방대 책을 평가한 결과 다음과 같다.
① 지중함 내부에서 중성선과 틀을 본딩한 TN-C방식에서 완전지락 사고를 모의시, 고장상의 상전압은 152[V], 전류 1.54[㎄], 접지극과 인체 에 인가되는 전압은 18.5～31[V], 17.6～31[V]이다. 접지극과 인체에 흐 르는 전류는 1.4[A], 14～21[㎃]로서 퓨즈가 용단되기 전까지 고장상태가 13초 동안 지속된다.
② 지중함 내부에 계통과 분리된 접지(TT방식)로 시공된 경우 지중 함의 뚜껑에 인체가 접촉되었다고 가정한 결과 접지저항 값에 따라서 접지극과 인체에 인가되는 전압은 123～217[V]이고, 접지극의 전류는 9.7[A], 인체에 흐르는 전류 130～210[㎃]로 나타났다.
③ 지중함의 뚜껑과 틀사이의 고무패킹에 의한 접촉저항이 있을 경우, TN-C방식에서 지락전류는 감소하지만 인체에 흐르는 전류는 100～200 [㎃]로 나타나 심장마비나 호흡정지와 같은 감전위험성에 노출될 우려가 있고, CASE 4에서는 지락전류는 26～22.8[A]로 고장상태가 지속되며, 인체에는 160～200[㎃]가 지속적으로 흘렀다.
결론적으로 현장에 적용된 지중함의 중성선과 틀의 본딩에 의한 접지 개선대책은 인체감전방지측면에서는 외함접지(TT)방식보다 유리하였다.
다만, 중성선에 본딩된 도체는 뚜껑이 아닌 틀에 시행하고 있어 뚜껑과 틀 사이의 고무패킹에 의한 접촉저항은 접지의 효과를 감소시키므로 뚜 껑에 직접 접지도체를 연결하는 것이 보다 유리한 것으로 입증되었다.
[참 고 문 헌]
[1] IEC 60479-1, Effects of current on human beings and livestock - Part 1 : General aspect, IEC, 2005
[2] ANSI/IEEE Std 1048, IEEE Guide for Protective Grounding of Power Lines, 1990.
[3] 김종민, 한운기, 방선배, 김한상 “저압 지중함에서 감전사고 방지를 위한 대책연구”, 대한전기학회 논문지 vol. 56P, No.
4, pp 195～200, Dec 2007
[4] F.P. Dawalibi, R.D. Southey, and R.S. Baishiki, “Validity of Conventional Approaches for Calculating Body Currents Resulting from Electric Shocks", IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 5, No. 2, pp. 613～626, 1990.