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변전소 접지설계⁕

IEC 접비설계✶

변전소 접지설계(ANSI/IEEE std. 80)

ANSI/IEEE std.80에 의한 접지설계 흐름도를 제시하고 설명하시오.

변전소 접지설계

[Step 01] 토양의 특성 분석(토양의 저항률 평가, 지층구조 등 확인)등 현장조사

[Step 02] 최대 지락전류(비대칭 전류 포함) 계산

[Step 03] 접지도체 굵기 선정

[Step 04] 허용 접촉전압 및 보폭전압 계산(70Kg)

\[E_{step}=(1,000+6C_s\cdot\rho_s)\times \frac{0.157}{\sqrt{t}}\] \[C_s:표면층의] 두께와\ 반사계수에\ 의해\ 결정되는 \ 계수\] \[\rho_s:표면층의\ 저항률[\Omega\cdot m]\]\[t:사고지속시간[s]\]
\[반사계수(K)=\frac{\rho-rho_s}{\rho+\rho_s}\]\[\cdot\cdot\cdot[\rho:대지의 저항률,\rho_s:표면층의 저항률\] \[감소계수(C_s):표면층의\ 두께와\ \]\[반사계수에\ 의해\ 결정되는\ 감소계수\]

[Step 05] 예비설계 실시

Mesh 접지할 면적을 고려하여, Mesh의 간격 및 1변 Mesh의 수, 매설깊이 등을 개략적으로 정한다.

[Step 06] 접지저항 산출

산출 계산식이나 기술자료 그래프를 이용하여 산출하여, 대규모 변전소: 1[Ω], 플랜트나 기타 소규모 장소: 1~5[Ω] 이하가 되도록 한다.

1) 수식 적용

\[R_g=\rho[\frac {1}{L}+\frac{1}{\sqrt{20A}}(1+\frac{1}{1+h\sqrt{\frac{20}{A}}})]\]\[\cdot\cdot\cdot Scwarz식\] \[\rho : 대지 저항률 [\Omega \cdot m]\]\[A:Mash 면적[M^2]\]\[L:Mash도체의 길이[m]\]\[h:매설깊이[m]\]

2) 기술자료 그래프 적용

\[R_g=\frac{\rho\times(\alpha)}{1,000}\]

[Step 07] 최대 접지망 유입전류 산출분류 ▶ 분류계수 고려

1선지락으로 발생한 지락전류가 접지를 타고 유입될 때 고장전류의 일정부분만이 변전소의 접지망을 통하여 대지로 방출되고 나머지는 연접과 같은 이유로 다른 경로를 통하여 전원으로 귀환되는 것으로서 접지 설계시에 중요한 GPR(Ground Potential Rise)의 크기를 결정하므로 위험전압 검토시에 매우 중요한 변수이다. 분류계수는 0.4~0.6 적용

\[I’_g=I_g\times S_f\times D_f\] \[I_g:최대\ 지락전류,S_f:분류계수,D_f:감소계수(1.0)\]

[Step 08] 대지전위 상승(GPR) 계산

대지전위상승(GPR)을 구해서 이 값이 허용접촉전압보다 낮으면 분석을 끝낸다. 그렇지 않으면 다음 Step을 진행한다.
GPR(Ground Potential Rise)는 I’g x Rg을 말하며, 일반적으로 5,000V 이내로 고려하고 있으나, 기기절연 내력 등을 고려하여 1,000V~3,000V 정도가 되도록 하는것이 바람직함.

[Step 09] 최대 Mesh 전압 계산

1) 수식 적용

\[E_{mesh}=\frac{\rho K_mK_i}{L_m}\times I_g\] \[\rho : 대지 저항률 [\Omega \cdot m]\]\[K_m,K_i:IEEE\ std. 80에 따르는 상수\]\[L_m:Mash도체의 길이[m]\]\[I_g:지락전류[A]\]

2) 기술자료 그래프 적용

\[E_{mesh}=\beta\times GPR\]

[Step 10] 허용 접촉접압과 Mesh 전압 비교

최대 Mesh 전압이 허용 접촉전압보다 낮으면 설계가 끝난다. 그러나 “Mesh 전압＞허용 접촉전압”이면 설계를 수정한다.

[Step 11] 재설계

재설계를 한 후에 Step 5부터 다시 시작한다.

※ 재설계시 고려사항

① Grid 저항 저감 : 면적확장, 매설깊이 조정, 총 매설길이 조정
② Grid 간격을 가깝게 한다. Grid의 가장자리에 접지봉을 추가로 때려 박는다.
③ Grid 전류를 더 많이 다른 통로로 돌리는 방법

계산된 전위상승 및 Mesh 전위가 접촉전압과 보폭전압의 허용 값 보다 낮으면 기기접지를 위한 세밀한 부분만 보완하고 설계를 끝낸다. 또한 접지되어야 할 기기 가까이에 매설접지 도선이 없을 경우에는 추가로 접지도선을 매설하고 피뢰기 또는 변압기 중성점 등에는 접지봉을 추가로 설치한다.

※ 접지설계 [예]

접지가능 구역 : A=63 x 84[㎡]
대지저항률 : ρ=400[Ω m]
자갈의 저항률 : ρs=2,500[Ω m]
자갈층의 두께 : hs=0.1[m]
Mesh 접지전극의 매설깊이 : h=0.5[m]
지락차단 시간 : ts=0.5[s]
계통 임피던스 : Z1=4+j10, Z0=10+j40
분류계수(Sf)=0.6
선간전압=115[kV]

[Step 01] 지락전류 계산

\[I_g=3I_0=\frac{3E}{Z_1+Z_2+Z_0}\]\[=\frac{3\times 115/\sqrt{3}}{2(4+j10)+10+j40}=3,173[A]\]

[Step 02] 접지선의 굵기 계산

나연동선 사용(옥외 : 주위 온도 55C기준), 차단시간 0.5초 적용

\[A=\frac{\sqrt{t_s}}{K}=\frac{\sqrt{3173^2\times0.5}}{276}=8.13[mm^2]\]

[Step 03] 허용접촉전압 및 보폭전압의 계산

\[반사계수(K)=\frac{\rho-\rho_s}{\rho+\rho_s}=\frac{400-2500}{400+2500}=-0.72\] \[\rho : 토양의\ 고유저항, \rho_s:표면층의\ 고유저항\] \[감소계수(C_s):표면층의\ 두께와\ 반사계수에\ 의해\ 결정되는\ 감소계수\]

허용 접촉전압, 보폭전압(70Kg)

\[E_{step}=(1000+6C_s\cdot \rho_s)\times\frac{0.157}{\sqrt{t}}=2,320[V]\]

[Step 04] 예비설계

① Mwsh면적 : 70[m]*70[m]로 선정
② 도체가격 : 7[m]로 선정
③ 1변의Mesh수 : 10
④ Mesh 도체의 길이 =70*11*2=1,540[m]
⑤ 매설깊이 : 0.5[m]

[Step 05] 접지저항의 산정

①기술자료 그래프

\[R_g=\frac{\rho\times\alpha}{1,000}=\frac{400\times 6.7}{1,000}=2.68[\Omega]\]

②계산식

\[R_g=\rho[\frac{1}{L}+\frac{1}{\sqrt{20A}}(1+\frac{1}{1+h\sqrt{20/A}})=2.78[\Omega]\]

[Step 06] GPR 계산

①접지극 유입전류

\[I’_g=I_g\times S_f\times D_f=3,173\times 0.6\times 1=1,903[A]\]
\[②GPR=I’_g\times R_g=1,903\times 2.78=5,293[V]\]

[Step 07] Mesh 전압 계산

①기술자료 그래프

\[E_m=GPR\times\beta=5,293\times0.2=1,058[V](곡선상 20\%)\]

②계산식 : 생략

[Step 08]

Mesh 전압이 허용 접촉전압보다 크므로 Step 4(예비설계)부터 재검토

\[E\lt E_m=1,058[V]\]
★접지
접지의 목적⁕
접촉전압과 보폭전압⁕
등전위 본딩⁕
독립접지와 공용/통합접지 시스템⁕
KS C IEC 접지방식⁕
접지선 및 보호도체 굵기 선정⁕
대지저항률과 접지저항 측정⁕
변전소 접지설계⁕
중성점 접지방식 ⁕

★ 접지 설계
접지의 목적과 종류✶
접지설계시 고려사항
IEEE std 80 접지설계 개념
IEC 접비설계✶

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