토중방전에 따른 접지전극의 과도적인 특성의 분석 :Analysis of transient characteristics of grounding electrodes depending on soil discharge

김회구

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김회구 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수: 이복희

발행연도: 2018

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2018

토중방전에 따른 접지전극의 과도적인 특성의 분석

김회구 전기공학과 2018.01 학위논문

2017

임펄스방전에 의한 봉형 접지전극의 과도적 특성

김회구 , 이복희 한국조명·전기설비학회 학술대회논문집 2017.05 학술대회자료

토중방전에 따른 접지봉의 과도적인 전기적 특성의 분석

김회구 , 차용준 , 이복희 조명·전기설비학회논문지 2017.05 학술저널

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토양은 기체와 고체 및 액체의 복합적인 성질은 가지고 있으며 토양 성분에 따라 전기전도나 절연파괴현상이 변화하게 된다. 서지전류에 대한 접지시스템의 과도적 성능은 토양의 전리와 방전의 지배적인 영향을 받으며, 토중방전을 기반으로 하는 접지시스템의 성능에 대한 연구가 활발하게 이루어져 왔다. 그러나 토중에서의 방전현상은 가시적으로 관측할 수 없는 접근방법의 제한으로 연구 성과는 매우 부족한 상태이다.
통상 토양이 전리 성장을 일으키는 임계전계의 세기 이상으로 되는 뇌전류가 접지전극에 흐르게 되면 토양의 전리의 시작과 진전으로 과도접지저항이 감소되는 것으로 알려져 있다. 뇌임펄스에 대한 접지시스템의 과도적인 특성의 이해를 위해서는 토양의 전리 현상과 방전특성에 대한 기초연구가 필요하다.
본 연구는 토양의 종류, 접지전극의 형태, 저항률등 다양한 분석 파라미터를 설정하여 각각의 전리현상과 과도접지저항의 상관관계를 파악하고 접지전극시스템의 전기적 특성 및 안전성 향상을 도모할 수 있는 기초요소기술 확보하기 위한 목적으로 실험적 연구를 수행하였다.
토중방전에 따른 접지전극시스템의 안전성능에 관한 기초적 연구를 위해 토중에 설치한 모델 접지전극에 가한 임펄스전압에 의해 발생한 전기적 방전에 관련된 접지시스템의 과도적 특성을 실험적으로 조사하였으며, 전위상승-전류특성, 과도접지저항-시간특성과 접지저항-전류특성 등을 분석하였다. 또한 고감도 감광지를 이용하여 방전이미지를 관찰하여 방전의 진전과정을 검토하였다.
그 결과, 토양의 절연파괴 발생 시 전형적인 전기적 방전과 마찬가지로 전위는 급격히 강하하고 전류는 증가하였으며, 토양의 열적 작용과 전리성장으로 전위상승-전류곡선은 부채꼴 모양의 히스테리시스곡선을 나타내었다. 임펄스전압의 입사에 의해 토양에는 도전성 전류, 열적 효과와 전리성장에 의한 과도적 증식전류, 절연파괴에 의한 방전전류, 탈전리 전류가 흐르는 것으로 밝혀졌다. 방전이미지로부터 방전은 아크채널, 스트리머영역과 전리 영역으로 진전됨을 확인하였다. 본 연구 결과는 토양의 전리를 고려하여 뇌임펄스의 영향을 받는 접지시스템의 과도적인 성능의 향상에 유용한 정보가 될 것으로 생각된다.

Soil has a complex nature of gas, solid and liquid, and electric conduction or dielectric breakdown phenomenon changes depending on soil composition. The transient performance of the grounding system to the surge current is dominantly influenced by the ionization and discharge of the soil, and the performance of grounding system based on the soil discharge has been actively studied. However, the discharge phenomenon in the soil is very limited due to the limitation of the approach that can not be observed visually.
It is known that the transient ground resistance is reduced due to the initiation and progress of the ionization of the soil when the lighting current, which is usually above the threshold electric field intensity causing ionization growth, flows to the ground electrode.
To understand the transient characteristics of the grounding system for the lightning impulse, basic research on the ionization and discharge characteristics of the soil is needed.
The purpose of this study is to investigate the relationship between ionization phenomena and transient ground resistance by setting various analytical parameters such as type of soil, shape of ground electrode, resistivity, and to improve the electrical characteristics and safety of the grounding electrode system. For the fundamental study on the safety performance of the grounding electrode system due to the discharge in soil, the transient characteristics of the grounding system related to the electrical discharge caused by the impulse voltage applied to the model grounding electrode installed in the soil were investigated experimentally, transient ground resistance-time characteristics and ground resistance-current characteristics. Also, the development process of the discharge was examined by observing the discharge image using the high sensitivity photographic paper.
As a result, in the case of soil breakdown, the electric potential rapidly decreased and the current increased as well as the typical electric discharge. The electric potential rise-current curve due to the thermal effect of the soil and the ion growth showed a hysteresis curve of a sector shape. It has been found that the impulse voltage causes the conductive current, the thermal effect, the transient propagation current due to ionization growth, the discharge current due to insulation breakdown, and the deionization current to flow through the soil. From the discharge image, it was confirmed that the discharge proceeded to arc channel, streamer region and ionization region. The results of this study will be useful for improving the transient performance of the grounding system depending on the lightning impulse causing soil ionization.

#Ionization #Soil discharge #Transient ground resistance

< 목 차 >
요 약 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
목 차 Ⅳ
그 림 목 차 Ⅵ
표 목 차 Ⅶ
제 1 장 서 론 1
1.1 연구의 배경 및 필요성 1
1.2 연구의 목적 및 내용 2
제 2 장 실험계 5
2.1 실험계의 구성 5
2.1.1 실험계 5
2.2 전극계 7
2.2.1 동축원통형 전극계 7
2.2.2 반구형 전극계 10
2.2.3 침상형 전극계 12
2.3 실험장치 13
2.3.1 Marx형 임펄스전압발생장치 13
2.3.2 분압기(voltage divider) 15
2.3.3 데이터 취득장치 16
2.3.4 기타 측정장치 18
2.4 시료 토양 20
2.5 실험방법 22
제 3 장 결과 및 고찰 23
3.1 동축원통형 전극계의 접지특성 23
3.1.1 실험개요 23
3.1.2 수분함유량에 따른 모래의 전리 특성 23
3.1.3 임펄스전압과 전류 파형의 특성 28
3.1.4 V-I곡선 및 R-t곡선 31
3.1.5 등가 전리 반경 34
3.1.6 절연파괴 특성 36
3.1.7 접지저항의 임펄스전류의 크기에 대한 의존성 41
3.1.8 수치해석에 의한 검토 42
3.2 반구형 전극계의 접지특성 50
3.2.1 실험개요 50
3.2.2 토양의 전리 특성 50
3.2.3 토양의 전리에 따른 접지전극의 전위상승과 전류의 파형 52
3.2.4 R-t 곡선 55
3.2.5 전위상승-전류곡선 57
3.2.6 R-I 곡선 58
3.2.7 전리 지연시간 60
3.2.8 토양의 전리 성장의 전과 후의 전기저항 61
3.2.9 규약접지저항의 전류의존성 63
3.2.10 토양의 등가저항률의 변화 64
3.2.11 접지전극의 등가전리 반경 66
3.2.12 토양의 전리에 대한 광학적 관찰 70
3.2.13 절연파괴특성 74
3.3 침부 접지전극의 접지특성 81
3.3.1 실험개요 81
3.3.2 분석파라미터 82
3.3.3 토양의 전리 현상 83
3.3.4 토양의 전리에 의한 전류피크의 지연시간 88
3.3.5 규약접지저항의 전류의존성 89
3.3.6 절연파괴특성 91
3.3.7 침부 접지전극에서 발생하는 토중방전의 광학적 고찰 94
제 4 장 결 론 102
참 고 문 헌 104

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