1. 서 론

스마트 그리드 (Smart Grid)의 확대 및 관련 소자의 기술 진보로 저압직류계통 (LVDC, Low Voltage DC) 배전기술 즉 태양광 및 에너지저장장치 등 발전 전력을 송전하는 기술에 대해 활발히 진행되고 있다. 선로의 절연계급이 낮아 교류보다 경제적이고 송전에 교류보다 최소 1상이 적어 선로 구성비용의 절감이 가능하다. 또한 교번하는 주파수 성분이 없어서 리액턴스 성분이 없고 무효전력을 발생하지 않아서 표피효과를 발생하지 않는 장점이 있다. 따라서 태양광발전 및 신재생에너지를 이용한 분산발전이 발달함에 스마트 그리드 형태의 DC 배전이 점차적으로 확산되고 있는 실정이다⁽¹⁾.

그러나 DC 배전은 AC 배전계통에 비해 접지전극의 전식현상이 두드러지게 나타나는 단점을 가지고 있다. 전식현상에 따른 접지전극의 안정성 파괴는 인명의 감전사고, 설비의 고장 및 오작동을 야기하여 배전계통의 신뢰성을 악화시킨다. 그러므로 DC 배전의 주요쟁점은 접지전극의 전식현상과 원활한 전력공급을 위한 배전계통의 신뢰성 증대가 필요하다⁽²⁾.

이에 따라 안정적인 전원의 공급과 전기 사용의 안전성 확보를 위한 방안 중의 하나로 비접지방식(IT) 접지시스템의 적용이 증가되고 있다. 이 접지방식은 장비의 샤시(chassis)만을 접지하는 구조로 전력선이 사고를 당하더라도 계통의 운전을 정지하지 않는 연속적인 운전을 확보할 수 있다.

또한 1-선 지락사고의 경우 사고전류가 거의 흐르지 않기 때문에 전원회로를 차단할 필요가 없다. 이때 1-선 지락사고에 연이은 2-선 지락사고가 발생하면 위험한 레벨의 사고전류가 흐를 수 있으며 전원회로의 차단이 불가피하므로 최초 1-선 지락사고가 발생하였을 때 사고를 검출하여 사고원인을 제거함으로써 2-선 지락사고를 미연에 방지함으로써 전원의 연속적인 공급이 가능해진다. 따라서 배전계통의 신뢰성을 향상시키는 중요한 효과를 가지고 있고 DC 배전계통의 지락사고특성 해석을 통해 비접지방식(IT) 접지방식이 직접 다중 접지방식(TT) 접지방식 과 직접 접지방식(TN) 접지방식에 비해 접지전극의 전식현상 및 전력공급 신뢰성이 높다⁽³⁾.

그러나 이러한 장점을 확보하기 위해서는 운전 중인 전력선의 절연상태를 지속적으로 감시할 필요가 있으며, IEC 규격에서는 비접지방식(IT) 접지시스템에서 전력선의 절연상태를 감시하는 절연저항감시장치(Insulation Monitoring Device, IMD)의 설치를 규정하고 있다. 따라서 비접지방식(IT) 접지방식은 배전계통의 인체 및 설비 안전성과 전력공급의 신뢰성을 위해 전력선의 절연상태를 감시하는 활선절연저항 감시기를 사용한다⁽⁴⁾.

본 논문에서는 선로의 절연저항 상태를 확보하고 모니터링을 통한 전기적 안전성 확보를 위해 활선상태에서 절연저항 측정 및 전력선의 절연상태 감시를 위한 활선절연저항 감시기를 연구 하였다. 이러한 연구를 바탕으로 비접지방식(IT)의 지락사고 및 전력선의 절연저항 저하 현상에 따른 설비의 안전성을 분석하였다.

2. 비접지방식 접지시스템

그림 1은 비접지방식(IT) 접지방식으로 전력선로가 흘러가는 외함의 도전성 부분에 접지를 결합하는 방식이다. 이는 모든 DC 활성 도체가 접지에서 절연된 상태로 3개의 접지방식 중 가장 간단한 방식으로 전원 접지를 하지 않고, 수용가 측 도전성 외함만을 접지한다. 따라서 비접지방식(IT) 접지방식은 직접 접지방식(TN), 직접 다중 접지방식(TT) 접지방식과 달리 접지전극의 전식현상을 회피할 수 있으며 접지저항이 크거나 지역적으로 접지하기가 어려운 장소에 채택할 수도 있는 장점이 있다. 또한 접지선이 단선된 계통의 전력선에 1-선 지락 사고가 발생해도 도전성 외함을 접촉한 인체에 흐르는 감전전류는 분포커패시터에 의한 아주 작은 전류만 흐르기 때문에 인명피해가 상대적으로 거의 없다. 따라서 DC 배전계통에서 상대적으로 높은 안전성을 갖는다⁽⁵⁾.

그림. 1. 비접지방식(IT) 접지방식

Fig. 1. IT (non-grounding method) grounding method

이때 1-선 지락사고 특성은 분포커패시턴스에 의한 작은 누설전류 특성뿐만 아니라 전력선과 대지사이의 절연저항이 감소하므로 인체 및 설비의 안전성을 위해 전력선의 절연상태를 감시하는 것이 매우 중요하다. 최초 절연파괴가 시작 될 때 매우 적은 고장 전류가 흐르게 되며, +선로(L1)와 –선로(N) 중 누설의 영향을 받는 곳은 접지를 기준으로 판단한다.

3. 절연저항측정장치(IMD)를 이용한 실험

비접지방식(IT)접지 직류계통은 지락고장 발생 시 고장전류의 경로가 없고, 정상상태 전류에 비하여 큰 차이가 발생하지 않기 때문에 지락고장검출이 어려운 실정이다⁽⁵⁾. 따라서 본 논문에서는 직류 비접지방식(IT)접지 계통의 지락사고 보호기기로서 절연저항측정장치(IMD) 실험을 통해 절연저항 저하 현상에 따른 설비의 안전성을 분석하였다. 절연저항은 전력선과 대지사이에 존재하는 저항성분으로써, 기후 및 접지사고, 전력선의 경년열화, 낙뢰와 같은 다양한 요인들에 의해 영향을 받는다.

일반적으로 비접지방식(IT)접지 직류계통의 절연저항을 측정하여, 지락사고를 감시하는 절연저항측정장치(IMD) 방식의 보호기기는 그림 2와 같이 전력선과 대지사이에 펄스전원(직류전압)을 인가하여, 절연저항을 감시하는 방식이다. 또한, 계통에 주입하는 펄스신호는 스위칭소자 혹은 신호발생기를 이용하여 직류전압을 인가하며, 각 스위칭모드에 따른 전류를 측정하여, 식 (1)과 같이 절연저항(RF)을 계산할 수 있다⁽⁶⁾.

여기서, $I_{m}$은 DC 측정전류, $U_{m}$은 DC 측정전압, $R_{i}$는 절연저항측정장치(IMD) 내부저항, $R_{m}$은 절연저항측정장치(IMD) 측정저항, $R_{F}$는 계통의 총 절연저항 값으로 회로를 구성할 수 있다. 구성된 회로에서 펄스전원(직류전압)을 인가하여 절연파괴시 폐회로 구성과 함께 DC 측정전류($I_{m}$)가 흐르며, 이때 DC 측정전류의 측정량은 계통의 총 절연저항 ($R_{F}$) 값에 반비례한다.

그림. 2. 절연저항측정장치 (IMD) 구성도

Fig. 2. Insulation resistance measuring device (IMD) configuration diagram

그림 3은 활선 DC선로 절연상태 모니터링을 통한 절연저항 저하 현상을 분석하기 위해 절연저항측정장치(IMD)를 설계 및 적용한 활선절연저항 감시기를 보여주고 있다.

그림. 3. 활선절연저항 감시기

Fig. 3. Live line insulation resistance monitor

3.1 L+/L- 양단 선로(도체)에 열화가 발생하는 대칭지락 실험

절연저항측정장치(IMD)를 적용한 활선절연저항 감시기에서 그림 4와 같이 L+/L- 양단 선로(도체)에 열화가 발생하는 대칭지락 실험을 통해 절연저항 값에 대한 절연저항측정장치(IMD)의 측정값과 수식을 이용한 실제 계산 값의 결과를 표 1과 같이 정리하였다. 전기설비기술기준에서 시험전압 500V를 초과 1,000V 일 경우 선로와 대지 사이의 절연저항 값을 1MΩ 이상으로 규정하고 있다⁽⁷⁾. 따라서 이러한 관련 규정을 기준으로 표 1의 실험에서는 시스템 전압 1,000V에 대해 L+/L- 양단 선로의 절연저항 값이 각각 10, 5.7, 3.2, 2.2, 1, 0.1, 0.01MΩ (오차율 1%)일 때 사전 설정된 Pre-Alarm, Alarm 기능에 의해 Trip 여부의 결과를 확인할 수 있다.

그림. 4. +, - 양단선로(도체)에서 열화가 발생하는 대칭 결함

Fig. 4. Symmetrical defects that cause deterioration in the +, -line (conductor)

L+/L- 양단 선로의 절연저항 값에 따른 계통의 총 절연저항($R_{F}$) 값은 절연저항측정장치(IMD)의 계측 값과 그림 2에서 절연파괴시 형성되는 폐루프(Close loop)를 통한 식 (2)를 이용해 계산 값을 얻을 수 있다.

(2)

$\dfrac{1}{R_{F}}=\dfrac{1}{R_{a}}+\dfrac{1}{R_{b}}$

따라서 절연저항측정장치(IMD)의 계측값과 수식을 통한 계산 값의 결과를 통해 계통의 총 절연저항($R_{F}$)값의 측정오차율이 10 % 이내의 오차율 특성을 나타낸다. 본 논문을 통해 절연저항측정장치(IMD)는 절연저항이 대칭적으로 변화하는 환경에서 우수한 절연저항 감시 성능 가지고 있음을 확인 할 수 있다.

또한 측정오차특성은 절연저항이 감소할수록 오차가 증가하고 있으며 이러한 원인은 계측기의 낮은 측정분해능의 문제로 추정되며, 측정분해능이 높은 계측기일 경우 정확한 측정오차 특성값을 얻을 것으로 사료된다.

3.2 한 개 선로에 열화가 발생하는 대칭지락 실험

표 2는 비대칭지락 발생 실험을 통해 절연저항 값에 대한 절연저항 측정장치(IMD)의 측정값과 수식을 이용한 계산 값의 결과로 그림 5와 같이 한 개의 선로에 열화가 발생하는 비대칭 결함시의 결과들을 보여주고 있다. 실험방법은 표 1에서 언급한 내용과 동일하게 실험을 수행하였으며 한 개의 선로(도체)에 열화가 발생하는 비대칭 지락은 L+단 또는 L–단 선로의 절연저항 값에 대해 절연저항측정장치(IMD)의 계측 값과 식 (2)를 통한 계산 값의 결과들을 얻을 수 있다. 본 실험을 통해 측정오차율 10% 이내의 오차율 특성과 절연저항이 비대칭적으로 변화하는 환경에서도 동일하게 절연저항 감시 성능이 우수함을 보여주고 있다.

그림. 5. 한 개의 선로(도체)에 열화가 발생하는 비대칭 결함

Fig. 5. Asymmetric defects in which deterioration occurs only in one line (conductor)

3.3 비대칭 지락시 절연파괴에 따른 절연저항 감시 실험

그림. 6. 절연파괴를 통한 절연저항 측정실험

Fig. 6. Insulation resistance measurement experiment through insulation breakdown

설계한 절연저항측정장치(IMD)를 이용한 표 1, 표 2에서 언급한 대칭 및 비대칭 지락실험들의 결과를 바탕으로 비대칭 지락시 절연파괴에 따른 절연저항의 상태변화를 측정하기 위해 그림6과 같이 실험을 구성하였다. 활선절연저항 감시기의 L+단 또는 L–단 선로를 습기에 강제 노출시켜 선로의 절연파괴시 절연저항의 상태변화 값들을 표 3과 같이 실험값들을 정리하였다.

또한 그림 7은 절연파괴시 절연저항의 저하 현상을 모니터링하기 위하여 시스템 전압 1,000V를 입력으로 사용하기 위해 4.1V리튬이온 배터리 7개씩 1개 모듈을 구성하여 35개 직렬로 구성된 활선절연저항 감시기의 모의직류전원장치를 보여주고 있다.

표 1. 대칭지락 실험시 절연저항 값에 대한 절연저항측정장치(IMD)의 측정값과 수식을 이용한 계산 값

Table 1. Calculated value using IMD's measured value and formula for the insulation resistance value during symmetric ground fault experiment

지락 구간	시스템전압 (VDC)	기준값						IMD 측정값	Trip 여부		계산값 ($R_{f}$, kΩ ) ($\dfrac{1}{R_{F}}=\dfrac{1}{R_{a}}+\dfrac{1}{R_{b}}$)
		Pre-Alarm		Alarm		L+단 절연 저항 ($R_{a}$, kΩ )	L-단 절연 저항 ($R_{b}$, kΩ )
		Trip 레벨 (kΩ)	Trip 시간 (s)	Trip 레벨 (kΩ)	Trip 시간 (s)			절연저항 ($R_{F}$, kΩ )	Pre- Alarm	Alarm
+단 / -단 양단 지락 (대칭)	1,000	1,000	10	150	5	10,000	10,000	5,122	X	X	5,000
						5,700	5,700	2,986	X	X	2,850
						3,200	3,200	1,694	X	X	1,600
						2,200	2,200	1,158	X	X	1,100
						1,000	1,000	494	○	X	500
						100	100	48	○	○	50
						10	10	4	○	○	5

Pre-Alarm (사전 경보) : 1,000kΩ 이하 10초 이상 유지시 경보

Alarm (경보) : 150kΩ 이하 5초 이상 유지시 경보

표 2. 비대칭지락 실험시 절연저항 값에 대한 절연저항측정장치(IMD)의 측정값과 수식을 이용한 계산 값

Table 2. Calculated value using IMD's measured value and formula for the insulation resistance value during asymmetric ground fault experiment

지락 구간	시스템전압 (VDC)	기준값						IMD 측정값	Trip 여부		계산값 ($R_{f}$, kΩ ) ($\dfrac{1}{R_{F}}=\dfrac{1}{R_{a}}+\dfrac{1}{R_{b}}$)
		Pre-Alarm		Alarm		L+단 절연 저항 ($R_{a}$, kΩ )	L-단 절연 저항 ($R_{b}$, kΩ )
		Trip 레벨 (kΩ)	Trip 시간 (s)	Trip 레벨 (kΩ)	Trip 시간 (s)			절연저항 ($R_{F}$, kΩ )	Pre- Alarm	Alarm
+단 또는 -단 지락 (비대칭)	1,000	1,000	10	150	5	10,000	∞	7,840	X	X	10,000
						5,700	∞	5,501	X	X	5,700
						3,200	∞	2,876	X	X	3,200
						2,200	∞	2,129	X	X	2,200
						1,000	∞	1,169	X	X	1,000
						100	∞	106	○	○	100
						10	∞	12	○	○	10
	1,000	1,000	10	150	5	∞	10,000	7,840	X	X	10,000
						∞	5,700	5,501	X	X	5,700
						∞	3,200	2,876	X	X	3,200
						∞	2,200	2,129	X	X	2,200
						∞	1,000	1,169	X	X	1,000
						∞	100	106	○	○	100
						∞	10	12	○	○	10

표 3. 비대칭 지락시 절연파괴에 따른 절연저항측정장치(IMD)를 이용한 절연저항 측정값

Table 3. Insulation resistance measurement value using an insulation resistance measurement device(IMD) according to insulation breakdown in case of asymmetric ground fault

No.	시험 시간 (초)	IMD 절연저항 측정값	No.	시험 시간 (초)	IMD 절연저항 측정값	No.	시험 시간 (초)	IMD 절연저항 측정값
1.	최초	10MΩ	절연파괴 제거 후 재시험			33.	214	221kΩ
2.	6	1,573kΩ	17.	81	9,269kΩ	34.	219	152kΩ
3.	12	1,691kΩ	18.	89	10MΩ	35.	222	203kΩ
4.	17	1,721kΩ	19.	95	9,858kΩ	36.	227	215kΩ
5.	21	1,850kΩ	20.	96~144	10MΩ	37.	232	250kΩ
6.	26	1,883kΩ	21.	159	4,840kΩ	38.	237	259kΩ
7.	30	1,693kΩ	22.	163	1,596kΩ	39.	241	152kΩ
8.	35	1,645kΩ	23.	167	611kΩ	40.	246	125kΩ
9.	40	2,836kΩ	24.	172	365kΩ	41.	251	46kΩ
10.	44	3,134kΩ	25.	177	215kΩ	42.	254	26kΩ
절연파괴 제거 후 재시험			26.	182	177kΩ	43.	259	65kΩ
11.	49	10MΩ	27.	186	276kΩ	44.	265	75kΩ
12.	59	6,662kΩ	28.	191	301kΩ	45.	270	77kΩ
13.	62	3,921kΩ	29.	196	290kΩ	46.	279	91kΩ
14.	68	3,236kΩ	30.	200	287kΩ	47.	283	94kΩ
15.	72	3,046kΩ	31.	204	458kΩ	48.	287	92kΩ
16.	76	2,998kΩ	32.	209	500kΩ	-	-	-

그림. 7. 활선절연저항 감시기의 모의직류전원장치

Fig. 7. Simulated DC power supply for insulation resistance measurement simulator

활선절연저항 감시기의 +단 또는 –단 선로는 최초 시험시 절연저항측정장치(IMD)의 측정값에 의해 10MΩ의 정상상태의 절연저항 값을 가지고 있지만, 습기에 의한 강제 노출 후 절연파괴가 발생하면서 절연저항의 저하현상이 실험번호(No.) 2~10번에서 발생하고 있는 것을 표 3에서 보여주고 있다. 이후 절연파괴 현상을 제거 후 10MΩ의 절연저항 값을 가지는 정상상태에서 다시 절연파괴시험을 진행하였다. 실험번호(No.) 11~16번에서 실험결과 값에 의해 습기에 의한 절연파괴가 발생하면서 절연저항의 저하현상이 발생하고 있다. 실험번호(No.) 17~48번은 앞서 수행한 절연파괴 현상을 제거 후 앞서 수행한 방법과 동일한 실험내용으로 절연파괴로 인한 절연저항의 저하현상이 급속히 일어나고 있음을 확인할 수 있다. 실험번호(No.) 2~10번 구간과 11~16번 구간에서는 절연파괴로 인한 절연저항의 저하현상이 특정 시간 진행 후 더 이상 진행이 발생되지 않는 특성을 보이고 있다. 반면 17~48번 구간에서는 절연저항의 저하현상이 연속적으로 발생하면서 절연파괴에 따른 고장상태의 결과를 보여주고 있다.

비대칭 지락시 절연파괴에 따른 절연저항 측정실험에서 얻은 표 3의 데이터들을 그래프 처리하여 그림 8과 같이 정리를 하였다.

그림 8에서 전원계통 절연저항의 경년열화와 함께 절연저항측정장치(IMD)를 통해 전력선의 노후화 현상인 절연저항 저하의 감지결과를 해석할 수 있다. 따라서 전원계통의 절연저항 값이 위험한 레벨에 이르기 전에 (실험구간 17~48번) 경고를 발생시킴으로써 계통운영자가 시간적 여유를 갖고 사고지점을 찾아 사고

를 제거하여 전원계통의 안정화를 도모할 필요가 있다.

또한 표 3에서 절연파괴에 따른 측정된 절연저항 값과 이에 따른 누설전류 측정값을 그림 9와 같이 그래프로 나타내어 절연저항 상태에 따른 누설전류의 최대값과 최소값을 확인할 수 있다. 실험의 결과를 통해 150kΩ 이상의 절연상태에서 누설전류감지는 그 차이가 1mA이하 수준으로 변동량을 측정하는데 있어서 부적합한 결과를 예상할 수 있다.

그림. 8. 실험 데이터를 통한 전원계통에서 절연저항의 경년열화

Fig. 8. Deterioration of insulation resistance in power system through experimental data

그림. 9. 절연저항 상태에 대한 누설전류 측정

Fig. 9. Measurement of the range of leakage current for the state of insulation resistance

4. 결 론

본 논문에서는 선로의 절연저항 상태를 확보하고 모니터링을 통한 전기적 안전성 확보를 위해 활선상태에서 절연저항 측정 및 전력선의 절연상태 감시를 위한 활선절연저항 감시기를 연구하였다. 연구된 활선절연저항 감시기를 통해 측정된 절연저항 값과 측정대상 저항의 오차율은 10% 이내 임을 확인 하였다. 따라서 개발된 활선절연저항 감시기는 계통전압 변화와 상관없이 전력선의 동시적인 경년열화와 환경적 요인으로 인한 전력선의 대칭 및 비대칭적인 절연저하 사고감시 및 예방에 효과적일 것으로 예상된다. 또한 절연파괴의 시작점부터 변동 추이까지 모두 파악할 수 있어 활선 DC선로의 절연상태를 감시한다면 스마트 그리드 시스템의 성능유지에 매우 효과적일 것으로 사료된다.