1. 서 론

한국전기설비규정 (KEC)은 비접지 및 다중접지를 구별하지 않고 저압 (Low voltage, LV) 선로를 포함하여 포괄적으로 피뢰기 접지기준을 적용하고 있다 ⁽¹⁾. 따라서, 22.9 kV-y 다중접지 중성선 배전선로에 적용할 수 있는 명확한 피뢰기 접지기준이 필요하며 해당 기준 적용 시의 안전성 검증이 수반 되어야 한다. 국내 배전선로 전압은 1차측 22.9 kV(MV) 및 2차측 380/220 V(LV)로 변압기를 통해 공급되고 있다. 피뢰기 접지기준 도출을 위한 핵심 기술은 MV/LV 과전압 해석으로 MV/LV를 연결하는 변압기 모델이 고려되어야 한다.

MV 배전선로의 낙뢰에 대한 보호 연구는 지속적으로 수행되어 온 반면, 국내 다중접지 중성선 배전선로의 접지방식 및 LV 선로를 포함한 배전선로 혹은 국내 LV 선로의 접지방식과 유사한 조건의 연구사례는 제시되지 않았다^(2-9). MV 및 LV 선로를 종합적으로 검토하기 위해서는 MV 선로에서 LV 선로로 유입되는 서지 해석을 위해 변압기의 서지 해석 모델이 필요하다. 또한 LV 선로의 경우, 주변 건물로 인한 차폐효과가 크기 때문에, 차폐효과 또한 고려해야 한다. 국내 배전선로에 대한 선행연구들에서 변압기 서지해석 모델 및 건물에 의한 차폐 효과 등 고려하지 못한 요인들을 반영하여, 피뢰기 접지저항에 따른 MV/LV 선로의 낙뢰 보호성능의 검토 방법으로 선로의 정격충격내전압에 해당되는 절연레벨(BIL, Basic Insulation Level) 및 낙뢰서지에 의해 선로의 절연물 등이 50%의 섬락 확률을 갖는 임계섬락전압 (CFO, Critical Impulse flashover voltage)의 1.5배를 초과하는 과전압을 기준으로 섬락률 (Flashover Rate) ⁽¹⁰⁾을 분석하였다. 이를 위해 본 논문에서는 유럽지역에서 사용되는 변압기의 임피던스 모델^(11-13)을 참조하여 국내 배전선로에서 사용 중인 가공변압기를 서지 해석이 가능한 모델로 구현하고, 선로 주변 건물을 반영할 수 있도록 전기-기하학적 모델을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 서지 해석은 전자기적 과도상태 모의가 가능한 EMTP (Electro Magnetic Transient Program)을 사용하였으며, 특히 유도뢰 해석 전용 모듈인 LIOV (Lightning Induced OverVoltage)을 이용하였다.

본 논문은 다음과 같이 구성되어 있다: 2장에서는 서지 해석을 위한 배전선로의 모델 및 주변 건물을 고려하지 않은 조건의 내뢰성능에 관해 서술한다. 3장에서는 주변 건물의 차폐 효과를 반영한 모의실험 구성 및 결과에 대해 다룬다. 4장에서 본 논문의 결론을 내린다.

2. MV 및 LV 선로의 내뢰성능

본 논문에서는 1) 피뢰기 접지저항과 MV/LV 선로에 발생되는 서지 과전압의 영향 분석과 2) 낙뢰통계 정보를 이용하여 대상 선로의 섬락률 산정을 통하여 내뢰 성능을 검토하였다. 일반적으로 사용되는 배전선로의 섬락률 계산 절차 및 절연협조 과정을 적용하였으며, 그 과정은 다음과 같다.

1. 절연레벨 정의 : 대상 선로의 목표 BIL

2. EMTP 모델링 : 선로, 전주, 애자, 접지, 변압기 및 피뢰기

3. 내뢰성능 계산 (섬락률 산정)

· 낙뢰분포함수를 이용한 이벤트 생성

· 전기기하학적 모델을 통한 직격뢰 및 유도뢰 판별

· 검토 대상지역의 범위 선정

· LIOV-EMTP 모의 수행

· 목표 BIL 초과 과전압을 발생시키는 낙뢰 수 계산

4. 연간 섬락률 영향인자 추가 검토

· 선로 위치에 따른 적절한 대지 섬락밀도 적용

· 환경적 차폐(과전압 저감) 요소 고려(건물, 나무 등)

5. 연간 섬락률 수용 가능여부 결정

6. 수용 불가 경우 : 피뢰기 간격 축소, 접지값 조정 등

서지 과전압 분석은 Monte Carlo (MC) 기법을 사용해서 낙뢰에 대한 MV/LV 선로의 내뢰성능을 평가하였다. Monte Carlo 방법은 낙뢰의 확률적 분포로부터 뇌격 파라미터들을 랜덤으로 선택하여 섬락률을 계산한다 ^(6,7). 먼저 $n_{"tot"}$회의 무작위 낙뢰 이벤트를 생성하고, 각 이벤트는 낙뢰 전류의 크기 $I_{p}$, 파두 시간 $t_{f}$, 낙뢰 위치 좌표 $x$와 $y$ 등 4개의 파라미터로 구성된다 ^(10,14). 선로에 유도되는 최대 전압은 전류의 크기와 파형에 의해 결정되는데, 파두 시간($t_{f}$)이 짧을수록 큰 유도 과전압을 발생시킨다. 부극성 첫 번째 뇌격의 파라미터는 CIGRE 로그-정규 확률 분포^(14,15)를 참고하여 $I_{p}$ 와 $t_{f}$의 상관계수 0.47을 적용하였다. 또한, 연산 시간을 줄이기 위해 사다리꼴 전류 파형을 사용하였다.

뇌격 위치는 대상 지역에 균일하게 분포되어 있다고 가정한다. 총 $n_{"tot"}$회의 낙뢰 이벤트 중 직격뢰와 유도뢰를 구별하는 파라메터는 낙뢰 전류 크기와 선로의 높이이며, 일반적으로 적용되는 전기-기하(electro-geometric) 모델을 적용하였다. 정확한 서지임피던스 계산 및 유도 과전압 해석을 위해 적용되는 선로의 높이는 대지 도전율이 반영된 유효 높이이다 ⁽¹⁰⁾.

선로 주변의 낙뢰에 의한 유도 과전압은 이론적 계산식으로부터 대지 도전율($\sigma_{g}$)에 반비례하여 크기가 결정된다 ⁽¹⁶⁾. 낮은 대지도전율에서는 유도 과전압이 크게 계산되고, 높은 대지도전율에서는 작게 계산된다. 따라서, 대지 도전율 효과에 대한 민감도를 분석하기 위해 두 개의 대지 도전율 값(1mS/m, 10mS/m)을 사용하였다. 유도 과전압의 정확한 평가를 위해서는 시간 영역에서 전자기학 과도 시뮬레이션을 수행해야만 한다. 전자기장에 대한 선로의 응답 특성을 LIOV 코드로 표현하였다. LIOV ^(17,18)는 선로의 기하학적 구조, 뇌 전류 파형, 귀환뇌격 속도, 대지 저항 등의 함수로서 가공선로의 뇌 유도전압 계산을 위한 컴퓨터 코드다. LIOV 코드는 이탈리아 Bologna 대학, Rome 대학, 스위스연방기술위원회 등에서 국제 협력으로 개발되었다. LIOV는 인공 낙뢰를 이용한 full scale 환경의 실험⁽¹⁹⁾, 전자기펄스(LEMP, Lightning Electromagnetic Pulse)⁽²⁰⁾ 혹은 핵자기펄스(NEMP, Nuclear Electromagnetic Pulse)⁽²¹⁾ 시뮬레이터를 이용한 축소된 scale 환경에서의 실험⁽²⁰⁾을 통해 유효성이 검증되었다.

수식 (1)과 같이 일반적으로 내뢰성능은 BIL보다 큰 전압을 발생시키는 낙뢰의 연간 예상 발생 횟수 $F_{P}$로 표현할 수 있다 ⁽¹⁰⁾. 여기서, $n_{"tot"}$ 은 발생된 총 낙뢰 이벤트, $n$은 절연레벨보다 큰 전압을 발생시키는 낙뢰 이벤트 횟수이다. 또한, A는 대상지역 면적[㎢], $N_{g}$ 는 연간 대지 섬락밀도[회/㎢/year]이다.

2.1 모의선로 구성

3상 배전선로는 선간전압 22.9 kV, 상전압 13.2 kV다. 그림 1과 같이 배전선로의 전주 구성을 고려하였다. 세부적인 기하학적 배치는 상도체는 대지로부터 13m 높이 이고, 가공지선과 중성선은 대지로부터 각각 14.6m, 11.8m 위에 있다. 상도체의 지름은 1.615cm, 가공지선과 중성선의 지름은 0.95cm로 가정한다. 이 5개 도체의 전주(pole)로부터의 수평적 거리 $y$는 가공지선($y_{1}=0$), 상도체($y_{2}=-0.5$m, $y_{3}=0.5$m, $y_{4}=1.0$m), 중성선($y_{5}=0$m), 전주 간의 거리는 50m다.

그림 1 배전선로 전주의 구성

Fig. 1 Configuration of the poles

LV 선로는 그림 2와 같이 지상 11.8m에 4개의 비차폐 절연 전선으로 구성된다. 그리고 중성선과 상도체의 거리는 0.014m이다. MV 상도체, 가공지선, 중성선의 위치는 그림 1과 동일하다.

그림 2 MV/LV 공용 전주(a) 및 LV 선로 기하학적(b) 구성

Fig. 2 Configuration with MV and LV lines sharing the same pole(a). LV line geometrical configuration(b)

낙뢰 영향범위를 고려하여 그림 3과 같이 MV 선로 2km, LV 선로는 0.5km를 모델링 하였다.

MV LA(Lightning Arrestor)가 500m 간격으로 설치되었고, $R_{ga}$값의 저항으로 접지되었다. 그림 3에서 MV 선로 접지 저항은 $R_{ga}$, LV 선로 접지저항은 $R_{gn}$을 나타낸다. $R_{ga}$, $R_{gn}$을 제외한 나머지 전주는 모두 300$\Omega$으로 가정하였다. 뇌격 지점은 MV 선로의 중간 지점(1km)에서 50m 떨어진 대지이다. 귀환뇌격은 TL(transmission line) 모델을 사용하였고, 귀환뇌격 속도는 $1.5\times 10^{8}$m/s로 가정하였다. 귀환뇌격 채널 전류는 피크 값을 사용하여 전류 크기 $I_{p}$ 는 12kA, 증가율 $S_{m}$은 40kA/$\mu$s로 가정하였다 ⁽¹⁵⁾. 귀환뇌격 채널 전류는 다음과 같이 두 개의 Heidler 함수의 합으로 나타내었다. 첫 귀환뇌격은 $I_{0}=29.3$kA, $\tau_{1}=1.44\mu s$, $\tau_{2}=91.8\mu s$, $n=2$ 의 파라미터를 적용하여 나타낼 수 있다 ⁽³⁾.

그림 3 MV(2 km) 및 LV(0.5 km) 계통

Fig. 3 Topology of MV and LV lines

2.2 MV/LV 낙뢰 과전압 검토

본 절은 2.1절의 모의선로에 대하여 피뢰기 접지저항 값의 변화에 따른 유도과전압에 미치는 영향을 살펴본다. 피뢰기 유/무 및 접지저항 값에 따른 변압기 MV 및 LV 측 과전압 결과는 그림 4, 5와 같다. 기본적으로 대지 도전율은 $\sigma_{g}=1$mS/m이고, 상대유전율은 $\epsilon_{rg}=10$이다.

그림 4는 피뢰기가 설치되지 않은 경우, 변압기 외함 접지저항값에 따른 MV측 총 전압(상도체-대지 간, 실선) 및 애자 양단 전압(상도체-중성선 간, 점선)에 대한 모의결과 그래프이다. MV 측의 총 전압은 접지저항을 낮추면 감소하지만, 애자 양단 전압에 유도되는 전압은 증가한다는 것을 알 수 있다. 섬락 발생 확률은 상-대지 보다 상-중성선(BIL 180kV)에서 높다. 따라서 본 논문에서는 애자 양단 전압의 과전압에 대하여 영향을 분석하였다.

LV 측 유도과전압도 MV 측과 비슷하게 총 전압은 접지저항이 낮을수록 비선형적으로 감소하나 애자 양단 전압은 접지저항이 변화되어도 2.5kV에서 1.4kV로 MV 측에 비해 유도전압 감소에 미미한 영향을 미친다(그림 5). 따라서, 피뢰기 접지저항을 낮추는 것은 중성선의 전압을 낮추기 때문에 총 전압의 억제 효과는 있으나 애자 양단에 유도되는 과전압을 저감시키는 데는 효과적이지 않다.

그림 4 접지저항에 따른 MV측 최대 과전압

Fig. 4 Overvoltages on the MV side for different volues of $R_{ga}$ without LA

그림 5 접지저항에 따른 LV측 최대 과전압

Fig. 5 Overvoltages on the LV side for different values of $R_{ga}$ without LA

표 1은 피뢰기가 설치되지 않은 경우의 모의결과인 그림 4, 5에서 접지저항 값에 따른 변압기 MV/LV 측의 애자 양단 전압(상도체-중성선)만을 제시하였다. 접지저항이 낮은 경우 즉, 50Ω 이하의 경우 MV측은 100kV이상의 과전압을 보인다. 이는 중성선에 발생되는 유도과전압이 높은 접지저항에 비하여 낮아지기 때문에 애자 양단의 전압차는 증가하게 된다.

표 1 접지저항에 따른 MV/LV측 과전압(피뢰기 미설치)

Table 1 Overvoltages of Pole Tr.(both sides) by Grounding Resistance without LA

Grounding value ($\Omega$)	10	25	50	100	150	250	300
MV (kV)	122	113	100	89	82	81	79
LV (kV)	2.5	2.3	2.0	1.9	1.7	1.5	1.4

그림 6은 피뢰기가 3상 모두 설치된 경우, 피뢰기 접지저항값에 따른 과전압 모의결과 그래프이다. 피뢰기 미설치 경우와 차이점은 MV측 총 과전압이 접지저항값 300Ω에서도 최대 약 145kV를 초과하지 않는다는 것이다. 이는 피뢰기 동작으로 피보호 대상설비(변압기 등)의 양단 전압을 55∼60kV정도 이내로 제한하기 때문에 미설치 경우보다 총전압이 낮아지게 된다. 애자의 양단 전압은 선정된 낙뢰의 크기를 중간값 약 20kA 정도로 고려하였기 때문에 피뢰기 동작으로 접지저항값에 영향이 없었다.

그림 6 접지저항별 MV측 최대 과전압(피뢰기 설치)

Fig. 6 Overvoltages on the MV side for different values of $R_{ga}$ with LA

그림 7 접지저항별 LV측 최대 과전압(피뢰기 설치)

Fig. 7 Overvoltages on the LV side for different values of $R_{ga}$ with LA

표 2는 각 상에 LA가 변압기 MV 측에 설치된 경우에 대해서 선로 과전압을 모의하였다. MV측은 애자 양단(상-중성) 전압은 MV LAs의 방전으로 잔류 전압이 약 22kV가 된다는 것을 확인할 수 있다. 표 1과 2를 통해 LA는 접지저항 값과 별개로 MV 측 애자 양단 전압 억제 효과가 있다는 것을 알 수 있으며, LV측 과전압을 제한한다는 것을 확인할 수 있다. 따라서, MV LA는 내뢰성능에 긍정적인 영향을 미친다.

표 2 접지저항에 따른 MV/LV측 과전압(피뢰기 설치)

Table 2 Overvoltages of Pole Tr.(both sides) by Grounding Resistance with LA

Grounding value ($\Omega$)	10	25	50	100	150	250	300
MV (kV)	22	22	22	22	22	22	22
LV (kV)	1.8	1.7	1.6	1.5	1.4	1.4	1.4

3. 배전선로 주변 건물의 차폐 효과

선로 주변에 건물이 존재하는 경우⁽⁹⁾에 대하여 국내 가공 배전선로의 높이를 반영하여 섬락률 감소 효과를 검토하였다. 선로 주변에 건물이 존재하지 않는 경우(차폐계수가 0인 경우), 건물의 차폐효과만 고려한 경우, 건물의 차폐효과 및 LEMP(lightning electro magnetic pulse, 낙뢰 전자기 펄스) 감소 효과를 고려한 경우를 비교하여 MV 선로 내뢰성능을 추정하였다. MV 배전선로는 2km, 주변 건물 높이는 15m, 선로와 건물간의 거리는 10m라고 가정하였다<그림 8>. 대지 도전율에 따른 섬락률 비교도 함께 수행하였다.

그림 8 건물과 배전선로의 기하학적 구성

Fig. 8 Line-building configuration with lightning channel

표 5는 MV 선로의 한편에 건물이 한 줄로 늘어서 있다고 가정한 것이다. CFO가 180kV일 때 270kV (1.5×CFO) 보다 큰 과전압을 발생시키는 섬락률 결과에 대해 건물 차폐 효과를 검토하였다. 섬락 전압(flashover voltage)은 국내 배전선로에 사용되는 라인포스트 애자의 BIL 180 kV을 보수적으로 CFO로 고려하고, 표준 충격전압 파형인 1.2×50 ㎲보다 급준파에 의한 유도전압 계산에 사용되는 배수 1.5를 적용하였다 ⁽¹⁰⁾. 건물이 선로 한쪽에 존재하는 경우 주변 건물이 없는 경우보다 연간 섬락률은 50% 정도 감소효과를 보인다.

표 6은 MV 선로의 양측에 건물이 존재하는 경우이다. 낙뢰 채널이 그림 8과 같이 좌측에 형성되어 있을 때 좌측 건물과 선로는 10m, 선로와 우측 건물은 20m 이격되어 있다고 가정하였다. 건물이 선로 한쪽에 존재하는 경우보다 연간 섬락률은 40% 정도 감소효과가 있으며, 주변 건물이 없는 경우보다는 최대 90%까지 섬락률이 감소하는 효과를 보인다.

4. 결 론

본 논문에서는 특고압 및 저압 선로의 낙뢰 보호성능을 비교할 수 있는 방법 및 조건을 제시하였으며, 국내 배전선로의 다중접지 중성선과 피뢰기 접지 인하선이 접속된 방식에서 접지저항값에 따른 유도 과전압의 특성을 분석하였다. 상도체와 중성선 간 설치되는 절연물에 인가되는 낙뢰에 의한 유도 과전압은 중성선과 접속된 개별 접지저항값이 높을수록 감소되며, 피뢰기가 설치된 경우에는 접지저항값의 영향이 없는 것으로 분석되었다. 직격뢰와 유도뢰를 동시에 고려한 섬락률 분석 결과로 선로 인근에 건물이 존재할 경우 직격뢰의 확률은 감소하게 되고, 차폐 효과로 인하여 전체 섬락률 또한 감소됨을 확인하였다.

저압선로는 BIL 10 kV이하일 경우에만 접지저항이 낮고 대지 도전율이 높은 경우(case 2) 변압기 저압측, 저압 선로 중앙 및 말단에서의 섬락률이 감소한다. 저압 선로 중앙의 접지는 선로 중앙에서의 내뢰성능 향상에 효과적이나 선로 말단의 내뢰성능에는 거의 영향을 미치지 않는다. 유도뢰에 대한 모의실험을 통해 저압 선로의 내뢰성능은 MV LAs 설치 간격 및 접지저항값의 영향을 받지 않는다는 것을 알 수 있었다. 본 연구결과를 통해 유도뢰 확률이 높은 다중접지 중성선을 적용하는 배전선로의 MV측 피뢰기 접지는 중성선과 접속한다면 개별 접지저항값을 낮추는 것보다 중성선의 개별 접지저항 기준인 300 Ω으로 유지하는 것이 내뢰성능 향상에 기여할 수 있다. 또한, LV측은 선로의 긍장이 짧을수록 변압기에 의한 커플링 효과가 과전압 감소에 영향을 주게 되므로 가능한 수용가와 인접한 전주에서 공급되도록 설계되어야 한다.

본 논문에서는 피뢰기의 2차 리드선(접지인하선)을 중성선과 접속한 경우에 대하여 검토한 결과이다. 만약, 중성선과 접속하지 않고 단독으로 접지할 경우 피보호대상 설비는 상도체-중성선 간의 피뢰기 제한전압이 아닌 상도체-대지 간의 전압, 즉 피뢰기 제한 전압과 접지인하선 및 접지저항에 의한 과전압이 인가되기 때문에 본 논문에서 제시된 결과를 얻기 위해서는 상당히 낮은 단독 접지저항이 필요할 것으로 판단된다.