1. 서 론

기후 위기를 피하기 위하여 많은 나라들이 탄소중립 목표를 선언하였다. 대표적인 국가들로는 EU, 미국, 일본, 한국 등이 2050년 탄소중립을 선언하였으며, 중국은 2060년 탄소중립을 선언하였다⁽¹⁾. 수상태양광은 육상태양광과 달리 산림과 농지를 훼손하지 않으면서 재생에너지를 이용할 수 있는 방법이다.

수상태양광 발전시스템은 태양광 모듈과 이를 지지하는 구조체를 수면에 부유시키기 위해 부력체를 설치하여야하고, 정남향을 유지하기 위해 계류설비가 필요하며, 발생된 전력을 계통으로 보내기 위해 수중케이블을 통해 전송하게 되면서 육상태양광에 비해 비용이 상대적으로 높다는 단점이 있다⁽²⁾. 하지만 수면의 냉각효과와 개활지 특성의 바람으로 인한 발전출력의 상승으로 이어지고 있고 환경적으로도 녹조류 발생의 억제와 어류 산란 번식 유익한 환경을 조성한다는 장점이 있다⁽³⁾.

기존 육상에 설치된 발전소와 달리 수상에 설치되는 수상태양광의 접지의 이론과 기준은 수상환경의 특성을 반영해야 할 것이다. 수상태양광은 수상위에 설치하는 태양광 발전으로 접지방식에 대한 명확한 기술적인 근거, 시험 및 이론 등이 명확하지 않다. 특히 접지방식의 경우 기존이 종별접지방식이 더 이상 적용되지 않고 국제표준 접지방식이 도입되었다. 새로 도입된 KEC(Korea Electro-Technical Code) 규정⁽⁴⁾에는 수상태양광 접지는 수중에 띄우거나, 수중 바닥에 노출된 상태로 시설하여서는 안 된다고 규정되어 있다. 현재 대규모 수상태양광이 건설되고 앞으로도 계획되어 있어 수상접지의 유효성에 대한 연구가 필요한 실정이다. 본 논문에서는 수상태양광 설치 시 육상에서의 접지방식, 수중의 사각 라인 접지방식과 앵커형 접지방식을 이용하여 수중의 사각 라인 접지방식은 수중이 대지와 같은 접지체라고 가정한 것이며 앵커 접지방식은 수중이 접지체가 안된다는 것을 가정하여 두가지 방식을 이용하여 실증플랜트의 실제 측정값과 시뮬레이션을 통해 수상태양광 접지방안을 분석하였다.

2. 접지이론

접지의 목적은 인축의 안전과 기기의 안전성 확보를 목적으로 두고 있다. 접지의 원리는 식 과 같이 지구와 같이 정전용량 C[F]를 가지고 있는 물체는 식(2)과 같은 전하량 Q[C]을 축적시킬 수 있다.

접지저항은 접지전극의 형상과 재질, 크기, 매설된 대지를 구성하는 토양의 종류와 조건, 대지구조 등 여러 가지 요인에 따라 변하며, 특히 대지저항률에 의해서 지배적으로 영향을 받는다⁽⁵⁾.

단면적 1[㎡]이고 길이1[m]인 토양의 전기저항을 대지저항률, 대지고유저항 또는 대지비저항(Specific resistivity)이라 정의하면 단위는 [Ω・m]이다. 토양의 저항률은 사점도 50~500, 자갈・옥성이 깔린 해안지대는 1,000~5000[Ω・m이다. 물의 저항률은 하천수 2, 우물물은 20~70, 빗물은 200[Ω・m] 정도이다⁽⁶⁾.

접지의 특성을 나타내는 가장 큰 요인은 대지 비저항인데 이 값이 작을수록 낮은 접지저항 값을 얻기가 용이하다. 보폭전압과 접촉전압을 계산하고 접지의 안정성을 분석하는데 가장 기본이 되는 것이 대지 비저항 측정이다. 대지 비저항 측정 방법은 4단자법(Equally spaced or Wenner arrangement)으로 그림 1과 같고 수식(4)와 같이 표현된다⁽⁷⁾.

그림 1 4 전극법

Fig. 1 Four Point Method

2.1 반구형 접지전극

접지전류가 대지의 모든 방향에 대해서 대칭으로 흐른다고 가정하고 반구형 접지전극(Hemispherical grounding electrode)의 전위분포(Electric potential distribution)와 전위경도를 보면 그림 381과 같이 반구형 접지전극에서 전류밀도, 전위경도, 대지표면전위, 접지전극의 전위와 대지표면에서 임의의 점 사이의 전위의 차를 접지전극의 중심으로부터의 거리에 대한 의존성을 나타내었다⁽⁹⁾.

그림 2 반구형 접지전극 주위의 표면 전계 상승

Fig. 2 Fig Surface potential rise around hemispherical electrode

반구형 접지전극에 전류 I[A]가 방사상 방향으로 균등하게 흐를 때, 접지전극의 중심에서 x[m]만큼 떨어진 지표면상의 점에서 전류밀도(Current density) j[A/㎡]는 유입전류를 반경이 x[m]인 반구의 표면적으로 나누면 식(6)과 같다⁽¹⁰⁾.

(6)

$j=\dfrac{I}{2\pi x^{2}}$

대지저항률 ρ, 옴의 법칙에 따라서 접지전극의 중심에서 x[m] 만큼 떨어진 대지표면상의 전위경도(Electric Potential Gradient) E[V/m]는 수식(7)과 같으며, x[m] 만큼 떨어진 전위 V(x)는 식(8)과 같다.

(7)

$E=\rho j=\dfrac{\rho I}{2\pi x^{2}}$

(8)

$V(x)=-\int_{-\infty}^{x}Edx=\dfrac{\rho I}{2\pi x}$

접지전극의 전위 V₀는 무한 원점에서부터 반구형 접지전극의 표면 즉 반경 a 까지의 적분이므로 식(9)로 표현할 수 있으며, 전위차 및 접지전극 표면의 전위와 접지전극 중심으로부터 x[m]만큼 떨어진 지표면상의 전위의 차는 식(8), 식(9)를 통하여 식(10)으로 표현할 수 있다⁽¹¹⁾.

(9)

$V_{0}=-\int_{-\infty}^{a}Edx=\dfrac{\rho I}{2\pi a}$

(10)

$v=\int_{a}^{x}Edx=\dfrac{\rho I}{2\pi}(\dfrac{1}{a}-\dfrac{1}{x})$

2.2 수중의 대지 비저항

수상태양광과 같이 수중에 접지전극을 설치하는 경우 접지저항의 추정과 수표면 전위상승의 해석에 있어 물의 저항률의 정확한 측정은 매우 중요한 요소이다. 접지저항은 대지비저항을 알고 등가 a를 알면 접지저항을 얻을 수 있다.

동심 반구형 전극계를 이용한 물의 저항률 측정은 그림 3과 같이 구성되고 식(11),(12)와 같이 산출 될 수 있다. 따라서 물의 저항률이 40[Ω・m]인 물을 채운 수조의 반구형 접지전극의 주위의 표면전위의 측정결과는 계산 결과와 일치하여 수상 구조물의 접지설계 및 시공은 대지에 설치하는 접지의 설계와 시공, 평가에 적용되는 이론을 준용하여도 충분한 정확도와 타당성이 있음을 알 수 있다⁽¹²⁾.

그림 3 동심 반구형 전극계을 사용한 물의 비저항 측정 회로

Fig. 3 Circuit of measuring the water resistivity using concentric hemispherical electrode system

(11)

$V = -\int_{\infty}^{a}E dx =\dfrac{\rho I}{2\pi}(\dfrac{1}{a}-\dfrac{1}{a_{0}})$

(12)

$\rho =\dfrac{2\pi}{\dfrac{1}{a}-\dfrac{1}{a_{0}}}\times\dfrac{V}{I}\Omega m$

2.4 분석 대상 수상태양광에 접지 설치

KEC 규정에는 허용하지 않는 수상구조물의 접지설계 및 시공은 대지에 설치하는 접지의 설계와 시공 평가에 적용되는 이론을 준용하여도 충분한 정확도와 타당성이 있다⁽⁵⁾. 수상태양광에 실질적으로 수상접지를 하면 어떠한 접지효과를 얻을 수 있는지에 대해서 충주호 설치된 100kW 수상태양광의 사각형 라인접지와 전도성 콘크리트 앵커를 통하여 접지설비를 구축하였다. 설치된 수상태양광의 사양은 표 1와 같다.

표 1 설치된 수상태양광 사양

Table Floating PV Specifications

구분	분석대상 수상태양광
발전용량(kW)	100
모듈 수(EA)	16S×18P
모듈 설치 각도(°)	30
모듈 용량(W)	350

분석대상 수상태양광의 수중 사각 라인접지와 전도성 앵커접지는 그림 4와 같이 연결되어 있다.

그림 4 수중 사각 라인접지와 전도성 콘크리트 앵커접지

Fig. 4 Underwater Rectangular & Conductive Concrete Anchor Grounding

분석에 사용되는 구조체 수상태양광의 접지는 그림 5와 같이 약 600m 거리에 있는 육상변전소와 연결되고, 접지저항 측정을 위해 수중라인 접지, 전도성 앵커접지, 육상 변전실 접지를 공통 또는 독립적으로 측정할 수 있도록 하였다.

사각형 접지는 라인접지는 50㎟ BC(Bare Copper) wire을 사용하여 그림 6, 그림 7과 같이 수상태양광 발전설비의 크기인 가로 43.4m, 세로 21.1m의 수중에 설치되었다.

그림 5 수상태양광의 접지 구성도

Fig. 5 Grounding Diagram for the FPV

그림 6 수중의 사각 라인접지의 구성도

Fig. 6 Diagram for Underwater Rectangular Grounding

그림 7 도전성 콘크리트 앵커접지의 접속 지점

Fig. 7 Connection Points for Conductive Concrete Anchor Grounding

전도성 앵커 접지는 가로 0.24m × 세로 0.12 m × 높이 0.6 m, 무게 20kg의 전도성 콘크리트 앵커를 제작하여 그림 7, 8과 같이 태양광발전 설비 각 모서리에 한 개씩 총 4개를 설치하였다.

그림 8 도전성 콘크리트 앵커접지 모양

Fig. 8 Diagram for the Conductive Concrete Anchor Grounding

2.5 분석 대상 수상태양광에 접지저항 측정

분석대상 수상태양광에 앞 절에서 언급한 3 종류의 접지를 설치하였다. 그림 9과 같이 접지 단자대를 통해서 접지를 공통으로 하거나 단독적으로 접지저항을 측정할 수 있도록 하였다.

그림 9 접지 접속 터미널

Fig. 9 Terminals for Grounding

수상에서 접지저항을 측정의 용이성을 위해 정확도는 ±7%인 Fluke Earth Ground Tester(1623-2)를 사용하였고 2020년 3월과 9월에 측정한 결과는 표 2와 같다.

표 2 접지저항의 측정 결과

Table 2 Test Result for Grounding Resistance

구 분		기 준	1차(3월)	2차(9월)
육상접지		10Ω이하	1.4Ω	1.43Ω
사각 라인			2.05Ω	2.42Ω
전도성 앵커	#1		21.2Ω	19.61Ω
	#2		23.6Ω	측정불가
	#3		31.3Ω	33.4Ω
	#4		32.1Ω	34.5Ω
	#1,2		11.5Ω	18.3Ω
	#1,2,3		9.22Ω	12.1Ω
	#1,2,3,4		7.4Ω	9.18Ω

2차 측정 시 #2번 전도성 앵커가 단선되어 측정결과 값을 얻을 수 없었다. 육상접지는 육상전기실과 연결되어 1.4Ω의 값이 측정되었고, 수중의 사각 라인접지는 2.4Ω 정도로 양호한 값이 측정되었다. 전도성 콘크리트 앵커의 경우 대지에 직접 매설하지 않으므로 4개의 앵커를 접지저항으로 사용하면 7.4Ω 정도의 접지저항 값이 측정되었다.

2.7 사각 라인과 앵커 접지

그림 7의 사각 라인 접지의 크기는 가로 43.5m, 세로 21.5m이며, 접지도체 50㎟를 반경 4㎜로 입력하고, 대지비저항을 40[Ω・m], 100[Ω・m] 두 가지 값으로 입력하고, 인체저항은 IEEE 기준으로하고 고장제거 시간은 0.1초로 설정하여 그림 10과 같이 각각 접지저항을 시뮬레이션 하였다.

그림 10 사각 접지 데이터

Fig. 10 Data for Rectangular grounding

앵커접지의 도전선은 50㎟ PE 피복으로 되어 있어 수중의 접지도체의 역할은 없는 것으로 가정하고, 전도성 도체를 통해 대지와 완전 연결되어 있다고 가정하였다. 전도성 콘크리트에 포함된 반경 6㎜, 깊이 0.5m를 대지에 접지봉으로 매설한 것으로 가정하여 그림 11와 같이 시뮬레이션 하였다.

그림 11 도전성 콘크리트 앵커접지의 테이터

Fig. 11 Data for the Conductive Concrete Anchor Grounding

2.8 시뮬레이션 접지저항값과 실측치와의 비교

사각 라인 접지의 대지비저항을 100[Ω・m]으로 하였을 때 GroundMat의 시뮬레이션 결과는 그림 12과 같이 2.24Ω으로 표 3의 측정값과 일치하여 저수지의 물의 대지비저항을 100[Ω・m]이라고 할 수 있다. 시뮬레이션을 통해 도출된 접지저항 값과 실측 접지저항 값의 비교를 표 3과 그림 13에 나타내었다.

그림 12 사각접지의 시뮬레이션 결과 값

Fig. 12 Simulation Result of Retangular Grouding

표 3 실제 측정값과 시물레이션 결과의 비교

Table 3 Comparisons of Actual and Simulation Values

구 분	측정값 [Ω]	시뮬레이션[Ω]
		비저항[Ω・m]
		20	40	60	80	100
사각라인	2.24	0.53	0.99	1.42	1.83	2.24

그림 13 실제 측정값과와 시물레이션 결과값 그래프

Fig. 13 Diagram for Actual and Simulation Values

앵커접지의 경우 대지비저항을 GroundMat의 기본값인 279.24 [Ω・m]으로 입력하여 앵커 갯수에 따른 시뮬레이션한 저항값은 표 4와 같다.

표 4 앵커접지의 실제 측정값과 시뮬레이션 결과값의 비교

Table 4 Comparisons of Actual and Simulation Values for Anchor Grounding

구 분	앵커1개	앵커2개	앵커3개	앵커4개
실측값	27.05Ω	11.5Ω	9.22Ω	7.4Ω
시뮬레이션	92.74Ω	75.51Ω	63.93Ω	55.33Ω

앵커접지의 저항값을 7.4Ω로 되기 위한 시뮬레이션을 하면 대지비저항 값이 37[Ω・m]이 나온다. 앵커접지 시뮬레이션 결과는 앵커접지가 이상적으로 저수지 대지에 접촉하여 육상과 같은 조건일 때의 저항으로 실제 측정값보다 높게 나타났다. 그러나 실제 물속에 있는 전도성콘크리트가 그림 14와 같이 접지판 역할을 하고 있어 사각 라인 접지와 같이 수중에 접지한 형태가 된다. 저수지의 물의 대지비저항을 100[Ω・m]으로 기준으로한 앵커접지는 접지봉으로 등가화 하여 시뮬레이션한 결과는 20.01Ω이다. 또한 앵커접지의 도전선은 50m의 50㎟ PE 피복전선이 수중에서 접지도선의 역할을 한 것으로 생각된다. 전도성 앵커(0.24m × 세로 0.12m × 높이 0.6 m)를 접지봉으로 등가화 시키면 반지름 96mm × 0.6m로 등가화 할 수 있다. 이때의 대지비저항을 100[Ω・m] 기준으로 접지저항 시뮬레이션 값은 12.21Ω 으로 낮아져서 측정값과 가까워 진다. 이러한 결과를 보면 수중에 설치된 수중라인접지와 앵켜접지가 수중에서 접지의 역할을 충분히 수행한다고 간주할 수 있다.

그림 14 앵커 접지의 등가화

Fig. 14 Equalization of Anchor Grounding

또한 안정성 검토의 하나의 방법으로 사각라인 접지의 접촉전압(Touch voltage)의 시뮬레이션 값을 그림 15에 표시하였다. 접촉전압의 한계는 377.8V 이며 시뮬레이션의 최고전압은 모서리 부분이 295.0V를 나타내고 있어 수상태양광의 사각접지는 안전하다고 할 수 있다.

그림 15 사각접지의 접촉전압 시뮬레이션 결과

Fig. 15 Touch Voltage of Rectangular Grounding

3. 결 론

현재 수상태양광의 접지설비는 KEC 규정에 의거 “수상에 시설하는 태양전지 모듈 등의 금속제는 접지를 해야 하고, 접지시 접지극을 수중에 띄우거나, 수중 바닥에 노출된 상태로 시설하여서는 아니 된다.”라고 명시되어 있다. 하지만, 대규모 수상태양광의 설치 및 계획들이 지속적으로 추진되고 있고, 육상전기실과의 거리 등을 고려할 때 수중접지의 도입이 불가피 할 것이라 예상된다. 따라서 본 논문에서는 수상태양광의 수중접지에 대하여 GroundMat 프로그램 시뮬레이션과 실제 전도성 콘크리트 앵커 방식과 사각라인 접지 두 가지 방법의 실증을 통한 접지저항 값 측정을 통하여 수중접지의 가능성에 대해 서술하였다. 수상태양광이 설치되어 있는 저수지의 물의 대지비저항이 2~200[Ω・m]이다. 사각 라인 접지의 대지비저항을 100[Ω・m]으로 하였을 때 GroundMat의 시뮬레이션 결과는 2.24Ω으로 실제 측정값과 일치하여 저수지의 물의 대지비저항을 100[Ω・m]이라고 할 수 있다. 앵커 접지방식은 수중은 접지체로 간주하지 안고 저수지 바닥을 이용하여 접지하는 것으로, 육상과 같이 대지에 터파기를 하고 접지도체를 매설할 수 없으므로 전도성 도체로 대지와 연결하였다. 그러나 시뮬레이션 앵커 접지는 등가 접지봉으로 대지와 연결된 것이 아니라, 수중의 접지판의 형태로 작용하여 시뮬레이션 저항 값보다 실제 측정값이 낮게 나왔다. 앵커 접지를 수중의 접지봉으로 등가화하여 시뮬레이션한 결과 접지저항값이 낮게 나왔으며 이것은 수중접지가 접지의 역확을 충분히 한다는 것이다. 향후 물의 대지비저항을 측정하고 계절별로 분석 등을 지속적으로 연구하면 앵커접지와 사각라인 접지와 같이 수중접지의 가능성 검증을 통하여 수상태양광의 접지 기준 개정 등에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.