전력계통 접지

1. 중성점을 접지하는 목적

 

가. 지락 고장 시 건전상의 대지 전위상승을 억제하여 전선로 및 기기의 절연 레벨을 경감시킨다.

나. 뇌, 아크 지락, 기타에 의한 이상 전압의 경감 및 발생을 방지한다.

다. 지락 고장 시 접지 계전기의 동작을 확실하게 한다.

라. 소호 리액터 접지방식에서는 1선 지락 시의 아크 지락을 빨리 소멸시켜 그대로 송전을 계속할 수 있게 한다.

송전선의 고장은 거의 대부분이 1선 지락으로부터 시작된다. 이 때, 이것을 빨리 제거해 주지 않으면 고장은 다시 2선 지락이라든가 3상 단락으로 진전되어 나가는 경우가 많다. 같은 전압의 송전선일지라도 1선 지락의 고장 시에 건전 상에 생기는 전압상승의 값은 중성점의 접지 임피던스 값의 크기에 따라 달라진다. 이 때, 건전상의 전압상승이 평상시의 Y전압의 1.3배를 넘지 않도록 접지 임피던스를 조절해서 접지하는 것을 특히 유효접지(effective grounding)라고 부르고 있다.

중성점 접지 방식은 그림과 같이 중성점을 접지하는 접지 임피던스 Zn의 종류와 그 크기에 따라 여러 가지 방식으로 나누어진다.

 

- 비접지 방식

- 직접 접지방식

- 저항 접지 방식(저저항 및 고저항 접지방식이 있다.)

- 리액터 접지방식(리액터 및 소호 리액터 접지방식이 있다.)

 

또한 일반적으로 송전 선로에 발생하는 이상 전압의 억제, 전선로라든가 기기의 절연 경감, 피뢰기 및 차단기 동작의 신뢰성 및 확실성 등의 관점에서는 될 수 있는 대로 저임피던스로 중성점을 접지해서 고장 시 중성점을 통해서 흐르는 중성점 전류의 값을 크게 하는 것이 바람직하다.

그러나 과도안정도의 증대나 전자유도 장해의 경감, 고장점의 손상 저하 및 차단 용량의 감소화라는 관점에서는 될 수 있는 대로 고임피던스로 중성점을 접지해서 고장 시 중성점을 통해서 흐르는 중성점 전류의 값을 작게 할 필요가 있다.

이와 같이 저임피던스와 고임피던스의 접지방식에서는 서로 상반되는 내용을 포함하고 있기 때문에 중성점 접지 방식의 선정에 있어서는 이들의 사항을 충분히 검토해서 각 계통의 실정에 가장 알맞는 방식을 채택하지 않으면 안 된다.

또 이 중성점 접지 방식은 통신선에 대한 유도 장해와 밀접한 관계가 있으므로 접지방식의 선택은 중요하다.

접지방식별 임피던스

 

 

2. 중성선과 접지선의 차이

 

가. 중성선(N상, Neutral conductor)과 접지선(Earth선)의 정의 및 용도

(1) 중선선 (N상 : Neutral conductor 또는 neutral wire)

(가) 단상3선식의 경우나 3상 교류계통에서 변압기를 Y결선 하는 경우에 그 중성점에 접속되는 전선(인출한 선)을 말함. 배전계통에서는 일반 상선사이의 선간전압 이외에 상선(R, S, T 또는 A, B, C 등)과 중성선 사이의 전압, 즉 상 전압의 사용이 가능하며 선간전압은 동력용으로 사용하고, 상 전압은 전등용으로 하는 것이 보통이다.

(나) 전기공급 방식이 3상4선식, 1상2선식 등에서 접지선과 달리전기회로를 구성하여 부하에 전류를 공급함.

(다) 380/220 3상4선식 공급방식의 경우 R과 S, 또는 R과 T 등 상선을 이용하는 경우 380V의 전압을 R과 N, S와 N, T와 N을 연결하는 경우 220V 전압을 사용하게 됨.

(2) 접지선(Earth선)

(가) 일반적으로 접지선은 대지의 접지극과 연결된 선을 말함

(나) 부하에 전류를 공급하지 않고 대지와 등전위를 목적으로

하고 있으며 정상적인 전기회로 이외의 누설전류 등을 대지로 귀로시켜 인축을 전격으로부터 보호하기 위함.

 

나. 중성선과 접지선의 차이점 및 유의사항

(1) 가장 큰 차이점은 중성선은 정상상태에서는 전류가 흐르지 않는 접지선과 달리 일반적인 경우 전기회로의 일부로 전기회로를 구성하고 있으며 상시 전류가 흐르는 상태 즉 통전 상태를 유지하게 됨

※ 중성선은 일반적으로 접지선에 가깝다고 생각하기 쉬우나 내선규정에서는 전압선으로 분류되어 있음

(2) 접지선은 지중의 접지극(대지)과 등전위를 만들거나 이상전압을 대지로 방전하는 등의 기능을 수행하며 정상전인 상태에서는 전류가 흐르지 않는 상태를 유지하게 됨(일반적인 건축물의 경우)

(3) 중성선에는 상전류의 20%이상의 전류가 흐르지 않도록 하고 있다고 하지만 이는 불평형 전류만을 고려한 값이며 비선형부하(정류기, 인버터, UPS, 컴퓨터, 모니터, 복사기 등)나 전기로, 용접기 등에서 발생하는 고조파를 발생하는 부하가 있을 경우는 다름

 

 

전류가 중성선에 흐르게 됨. 상고조파전류합성이란 정상과 역상고조파는 벡터합이고, 영상고조파는 스칼라 합을 의미함. (민원사례를 보면 상전류보다 중성선의 전류가 더 큰 경우가 있고 그 원인의 대부분은 고조파에 의한 것이었음)

☞ 이상은 국내 전기설비기술기준 등에 따른 독립접지방식에서의 그리고 일반적인 국내현장의 실정에 따른 내용이며 특수설비나 송변전설비의 접지, IEC, NFC 기준채용 등 접지방식에 따라 다를 수 있음

 

다. 접지선의 개요

(1) 접지 자재

(가) 접지선은 KSC 0804 (접지선 및 접지측 전선 등의 색별 통칙)에 적합한 제품을 사용하여야 하며 접지선의 굵기도 설계도에 따른다.

(나) 접지공사에 사용되는 접지선, 접지극은 KS 또는 이와 동등이상으로 인정되는 것으로 한다.

(다) 접지동봉은 19Ø×2400㎜ 이상의 것을 사용한다.

(2) 접지선의 인입

지하 정거장 전기실 및 본선환기실의 접지설비는 지상으로 돌출되는 환기구를 이용하는 것으로 한다.

(3) 접지용 간선

정거장내의 접지는 전기실(배전반) 접지모선으로 부터 분기하여 MCC 및 분전반 등의 접지용 간선을 구성한다.

(4) 접지설비의 구분

(가) 제 1종 접지 : 고압기기 외함 및 피뢰기(피뢰기는 단독접지한다) 및 서어지 업서버용 접지

(나) 제 2종 접지 : 변압기 2차측(저압측) 중성점 또는 1단자

(다) 제 3종 접지 : 저압 기기 외함 -저압기구 (콘센트 등)

(라) RTU 접지 : 전력계통 접지와 분리하여 제1종 단독접지 기준으로 한다.

(마) OA용 접지 : 제3종 접지

(바) 한 장소에 각 종별로 1개소만 설치되는 경우 시험단자를 설치한다.

(사) 계기용별 변성기 2차 회로 접지 : 배전반측 접지로 한다.

(아) 터널 간선 접지 : 터널 전등 및 콘센트는 전기실 접지로 부터 접지간선을 인출 구성하여 접지한다. (터널환기실 접지는 별도 접지극을 설치한다)

(자) 접지 시험단자함

- 전기실에 1종, 2종, 3종용과 RTU용 1종 접지 시험 단자함을 설치한다.

- 중앙 환기실에 1종, 2종, 3종용 접지 단자함을 설치 한다.

- 접지 시험 단자함은 SUS 304 1.5t 재질을 사용 한다.

 

 

3.. 접지방식

 

접지설비는 크게 나누어 공용 접지방식과 독립 접지방식이 있는데 공용접지의 경우는 접지 신뢰도가 높으며 접지극수를 낮출 수 있으나 2Ω이하로 접지 저항치를 낮추어야 하며 넓은 면적을 필요로 하고 또, 전산 및 통신용 정밀기기 등과 공용 시에는 오동작의 요인이 될 수 있는 단점이 있다.

그러므로 도시철도의 한정된 환경에서 접지조건이 매우 불리하고 RTU등 정밀기기의 사용을 감안하여 각 용도별 독립 접지방식을 채택한다.

 

가. 1점 접지방식

접지를 해야 하는 장비는 여러 개이나 한곳에서 연결하여 접지를 하는 방식이다.

 

나. 다점 접지방식

장비에 따라 각각 접지를 하는 방식이다.

 

다. 공통접지

각 분야의 설비를 한곳에 묶어서 접지를 하는 방식으로서 안전성이 문제가 된다.

 

라. 단독접지

각 설비별로 단독으로 접지를 하는 방식이다.

 

마. 접지의 현실

접지에 대하여는 수치적 해석이 곤란하고, 실증실험에 의존할 수 밖에 없으므로 대다수 기술자들은 접지가 어렵고 정설이 없다고들 한다.

하지만 실제로 현장에서 일어나는 기기 또는 장치의 에러, 소손 등의 사례를 보면

- 접지 Loops 형성

- 전력선과의 간섭

- 수 ～ 수십 개소 접속점 형성

- 접지선 길이

- 접지부동

- 중성선과 접지선 혼용

- 순환전류 발생

- 변압기 중성점 이동(△-Y 방식을 비접지로 할 경우)

- 피뢰설비와 간섭

등의 다양한 원인이 제공되고 있음을 볼 수 있다.

이런 주변 환경에 놓여지는 기기 또는 장치는 어떻게 될까?

따라서, 접지 Key Point를 요약하면 다음과 같다.

- 공통 임피던스의 최소화

- 접지저항 값은 수Ω이하가 바람직함

여러 가지 주위 환경을 고려할 때 다음과 같은 사항이 충족되어야 한다.

- 접지선은 최대한 짧고, 굵기를 고려 한다

- 접지 Loops를 최소화

- 주파수 1 MHz 영역 이하에서는 1점 병렬접지가 바람직 함

따라서 향후 기술변화를 고려한다면 도시철도의 접지저항도 1Ω 이하로 됨이 바람직하다.

 

바. 비접지 방식

그림과 같이 중성점을 접지하지 않는 방식이다. 이것은 주로 선로의 길이가 짧거나 전압이 낮은 계통(33㎸ 정도 이하) 에 한정된다.

비접지 방식

 

이러한 선로에서는 대지 정전 용량이 작기 때문에 대지 충전 전류는 별로 크지 않은 것이 보통이다. 이런 경우에는 그림과 같이 1선 지락 고장이 발생하면 고장점으로부터 건전 상의 대지 정전용량에 의해 고장 전류가 분류하지만 대지 정전 용량에 의한 용량 리액턴스가 아주 큰 값이기 때문에 지락 전류는 아주 작아서 지락 전류 영점 통과의 순간에 자연 소멸되어서 그대로 송전을 계속할 수 있다.

또 비접지 방식은 접지를 위하여 중성점을 뽑을 필요가 없기 때문에 주요변압기를 △-△ 결선으로 연결할 수 있으므로 변압기의 고장 또는 이의 점검수리 작업 시에는 V 결선으로 전환해서 송전을 계속할 수 있다는 장점이 있다.

그러나 이 방식을 전압이 높고 선로의 길이가 긴 계통에 적용하면 전압이 높다는 것과 선로길이가 길기 때문에 대지 정전용량이 증가하게 되어 1선 지락 고장 시 충전 전류에 의한 간헐 아크 지락을 일으켜서 이상 전압을 발생하게 된다.

비접지식 송전선로에 1선 지락고장이 발생하면 고장점에는 고장 상 전압보다 90°위상이 앞선 전류가 흐르게 되는데 이 전류는 반사이클(반주기)마다 영으로 된다.

따라서 아크가 소멸된 순간에는 고장 상 전압은 90°뒤져서 최대 값으로 되므로 아크 소멸과 동시에 전하로서 남게 되어 절연된 선로의 대지 전위를 높이게 된다.

다음의 반 사이클 후에는 반대 방향의 전원전압이 인가하게 되므로 고장점에는 먼저 있던 잔류전압과 전원전압을 합계한 전압이 걸리게 되어 다시 대지와의 사이의 절연이 파괴되어 먼저보다 더 강한 아크가 발생한다.

반사이클 마다 이와 같은 현상을 되풀이해서 이른바 단속적인 아크를 일으켜서 전압은 계단식으로 상승하게 된다.

그 결과 고장점의 전선이나 애자를 파괴해서 상간 단락으로 진전하거나 또는 아크에 따른 급격한 전압 동요가 기기를 반복 습격해서 손상을 줄 위험성이 있다.

따라서 비접지 방식은 현재 고전압, 장거리 송전 선로에는 거의 채택되지 않고 있다.

 

사. 직접 접지방식

직접 접지방식은 계통에 접속된 변압기의 중성점을 금속선으로 직접 접지하는 방식이다. 그림은 이 방식의 1선 지락 시 고장 전류 분포의 개념을 보인 것이다.

직접 접지 방식

 

(1) 장 점

(가) 1선 지락 사고 시 건전상의 대지 전압은 거의 상승하지 않고, 또 아크지락에 의한 이상 전압이라든가 차단기의 개폐 동요 시 등의 값도 다른 접지방식과 비교해서 낮아지기 때문에 선로의 애자 개수를 줄이고 기기의 절연수준을 저하시킬 수 있다.

이 효과는 전압이 높아질수록 현저해진다.

(나) 개폐 동요(서지)의 값을 저하할 수 있으므로 피뢰기의 책무를 경감시키고 그 효과를 증대시킬 수 있다.

즉, 선로의 전압 상승이 작기 때문에 정격 전압이 낮은 피뢰기를 사용할 수 있다.

(다) 변압기의 중성점은 항상 영전위 부근에 유지되기 때문에 선로측으로 부터 중성점에 이르는 전위 분포를 직선적으로 설계하여 변압기의 권선의 절연을 선로측으로 부터 중성점으로 가까이 접근함에 따라 점차적으로 낮출 수 있는 단절연이 가능하고, 따라서 변압기 및 부속설비의 중량과 가격을 저하시킬 수 있다.

(라) 1선 지락 사고시에는 1상이 단락 상태로 되어 지락 전류가 커지기 때문에 접지 차단기의 동작이 용이하게 되어 고장의 선택 차단을 확실하게 할 수 있다.

※ 단절연 : 유효 접지계에서는 1선 지락시의 건전상 전압상승이 최대선간 전압의 80% 이하로 억제되기 때문에 정격전압이 낮고 충격전압 보호능력이 높은 피뢰기를 사용할 수 있고 따라서 계통에 연결되는 충격전압 절연강도(BIL)를 비유효 접지계인 경우보다 낮출 수 있다. BIL이 낮아지면 중량이 가벼워지고 가격도 저하한다. 또 변압기인 경우에는 임피던스가 적어서 계통 안정도향상에 기여한다.

 

(2) 단 점

(가) 지락 전류가 저역율의 대전류이기 때문에 과도 안정도가 나쁘다.

(나) 지락 고장 시에 병행 통신선에 전자 유도 장해를 크게 미치게 된다.

(단, 직접 접지 계통에서는 고속 차단을 실현할 수 있으므로 큰 영향은 주지 않는다.)

그밖에 평상시에 있어서도 불평형 전류 및 변압기의 제3고조파로 유도 장해를 줄 위험이 있다.

(다) 지락 전류가 기기에 대한 기계적 충격이 커서 손상을 주기 쉽다.

(라) 계통 사고의 70 ～ 80%는 1선 지락사고이므로 차단기가 대전류를 차단할 기회가 많다.

이상과 같은 장단점이 있으나 직접접지방식의 이점은 절연레벨의 저감에 있으므로 절연비가 커지는 초고압 송전 선로에서는 이것이 가장 알맞는 접지방식이라고 할 수 있다.

앞에서 1선 지락 고장 시 건전 상 전압이 상규대지전압의 1.3배를 넘지 않는 범위에 들도록 중성점 임피던스를 조절해서 접지하는 접지방식을 유효접지라고 하였는데 직접접지방식은 이 유효접지의 대표적인 예라고 할 수 있다.

이 방식의 특징은 이상과 같은데 문제가 되는 통신선에의 유도 장해에 대해서는 통신선에 차폐선을 설치하고 과도안정도 문제에 대해서는 우수한 보호 계전기와 고속도의 차단기를 설치해서 고장을 고속 차단함으로써 해결할 수 있다.

 

아. 저항 접지 방식

이것은 중성점을 저항으로 접지하는 방식인데 이때의 저항값에 따라 다음의 두 가지로 나누어진다.

저항 접지

 

- 저 저항 접지 방식 : R = 30 [Ω] 정도

- 고 저항 접지 방식 : R = 100 ～1,000 [Ω] 정도

접지 저항 R의 값이 너무 낮으면 고장 발생 시 통신선에의 유도 장해가 커지고 반대로 너무 높으면 지락계전기의 동작이 곤란해짐과 동시에 건전 상의 대지전압 상승을 초래하게 된다.

접지 개소의 수는 한 군데에서만 하는 단일 저항 접지보다도 2개소 이상의 중성점을 동시에 접지하는 복저항 접지가 지락전류를 2개소 이상으로 분산시켜 유도전압을 감소시키고, 또 접지계전기의 병행2회선 선택을 쉽게 할 수 있다는 이점이 있어 사용되는 경우가 많다고 하나 직접접지방식에 의한 경제성 추구라는 측면에서 현재 이 저항방식은 대부분이 직접접지방식으로 전환되는 추세에 있다.

 

자. 리액터 접지 방식

중성점에 저항기 대신에 리액터를 사용하는 방식으로서 한류리액터접지방식 또는 보상리액터접지방식이라고도 한다.

154㎸ 등의 장거리 가공송전선을 접속할 경우, 또는 최근처럼 154㎸, 66㎸ 등의 지중케이블이 증가해서 이것을 가공선 계통과 연결하게 되면 대지 충전전류 때문에 직접접지계통이나 저저항 접지 계통으로 하기에는 통신선의 유도장해 면에서 제약을 받게 된다.

그러므로 이러한 경우에는 케이블 계통에 속하는 변압기의 중성점 저항과 병렬로 선로의 충전 전류에 상당하는 분만큼 보상하는 리액터를 설치하는 방식을 쓴다.

저저항 접지방식과 마찬가지로 지락전류를 제한하고 과도안정도를 향상시킨다는 목적으로 저 리액터로 접지하는 경우도 있다.

이 한류리액터의 리액턴스 값은 소호리액터 보다 그 값이 훨씬 작은 것이다.

 

차. 소호 리액터 접지방식

계통에 접속된 변압기의 중성점을 송전선로의 대지정전용량과 공진하는 리액터를 통해서 접지하는 방식이다. 보통 이 리액터는 발명자인 독일의 페티센(Petersen)의 이름을 붙여 페티센 코일(Petersen coil) 또는 소호리액터라고 부르고 있다.

이 방식의 원리는 교류이론의 L, C 병렬 공진을 응용한 것으로서 1선과 대지간의 정전용량의 3배, 곧 3C와 리액터 L에 의한 공진 조건 1/3ωc = ωL이 만족되면 고장점에서 본 합성 리액턴스가 이상적으로는 무한대로 되어 1선 지락고장이 발생하더라도 지락전류(고장전류)는 0, 실제에는 최소로 된다는 것을 이용하고 있다.

따라서 고장점의 아크는 지락전류의 영점 통과로 자연히 소멸되어 1선 지락고장 발생에도 불구하고 정전 없이 송전을 계속할 수 있다는 특징이 있다.

 

 

4. 중성점 접지 방식의 비교

항 목	비 접 지	직 접 접 지	고저항 접지	소호리액터 접지
지락사고시의 건전상의 전압상승	크다. 장거리송전선의 경우 이상 전압을 발생함	작다. 평상시와 거의 차이가 없다.	약간 크다. 비접지의 경 우보다 약간 작은 편이다.
절연레벨, 애자개수, 변압기	감소불능, 최고, 전절연	감소시킬 수 있다. 최저, 단절연 가능	감소불능 전절연, 비접지보다 낮은 편이다.	감소불능 전절연 비접지보다 낮다.
지락 전류	작다. 송전거리가 길어지면 상당히 큼	최 대	중간정도. 중성점 접지 저항으로 달라진다 .(100～300A)	최 소
보호계전기 동 작	곤 란	가장 확실	확 실	불가능
1선 지락시 통신선에의 유도장해	작 다	최대 단, 고속차단으로 고장계속시간의 최소화 가능 (0.1초)	중간정도	최 소
과도안정도	크 다	최소 단, 고속도차단, 고속도재폐로방식으로 향상가능.	크 다.	크 다.