저는 미국식 변전소를 공급하는 데 수년을 보냈는데, 지속적으로 과소평가되는 주제가 하나 있다면 그것은 접지입니다. 엔지니어들은 하루 종일 변압기와 개폐 장치에 대해 이야기하지만 접지 시스템은 어떻습니까? 그것은 뭔가 잘못될 때까지 당신이 볼 수 없는 부분입니다. 그리고 그것이 잘못되면 매우 잘못됩니다.
미국 변전소의 자갈 아래에서 실제로 무슨 일이 일어나는지 이야기해 봅시다.
접지가 실제로 하는 일
구성 요소에 대해 자세히 알아보기 전에 의도를 명확하게 살펴보겠습니다. 변전소의 접지 시스템은 단지 결함 전류가 갈 곳을 제공하는 것이 아닙니다. 이는 오류가 발생하는 동안 사이트 전체의 전압 변화도를 제어하는 것입니다. 선-지간 결함이 발생하면 막대한 전류가 지구로 흐릅니다. 이 전류는 접지 표면의 지점 사이에 전압 차이를 생성합니다. 이러한 차이가 충분히 커지면 거기 서 있는 사람이 회로 단계 전위의 일부가 될 수 있으며 접촉 전위라는 용어를 듣게 될 것입니다.
적절하게 설계된 접지 시스템은 이러한 경사도를 위험한 임계값 아래로 유지합니다. 장비 보호, 낙뢰 소실 등 다른 모든 것은 인원의 생명을 유지하는 데 부차적입니다.
접지 시스템의 구성 요소
접지 그리드 - 이것이 백본이다
"접지봉"은 잊어버리세요. 미국 변전소 접지 시스템의 핵심은 매설 접지 그리드입니다. 말 그대로 4/0 AWG 이상의 순동 도체 메쉬가 전체 변전소 영역에 걸쳐 표면 아래 약 12~18인치에 묻혀 있습니다.
이 그리드는 두 가지 일을 합니다. 첫째, 결함 전류가 지구로 확산되는 낮은 임피던스 경로를 제공합니다. 둘째, 이것이 매우 중요합니다. 이는 사이트 전반에 걸쳐 잠재력을 균등화합니다. 그리드의 모든 지점은 결함이 발생하는 동안 본질적으로 동일한 전압에 있습니다. 이는 표면 전압 구배가 제어된다는 것을 의미합니다.
그리드의 크기는 결함 전류 크기 및 지속 시간을 기준으로 결정됩니다. 30사이클 동안 40kA 오류가 발생하려면 특정 도체 단면적이 필요합니다. 작아지면 구리가 기화됩니다. 나는 그 여파를 보았다. 예쁘지 않아요.
접지봉 - 지구와의 인터페이스
그리드만으로는 충분하지 않습니다. 해당 그리드를 주변 토양에 연결하려면 전극이 필요합니다. 이곳은 일반적으로 길이가 8~10피트인 구리 결합 강철이 현장 전체에 걸쳐 일정 간격으로 구동되어 그리드에 결합되는 곳입니다.
저항력이 높은 토양에서는 40, 60, 심지어 100피트의 더 깊은 막대 또는 저항을 낮추기 위해 되메우기 재료를 사용하여 화학적으로 강화된 막대를 볼 수 있습니다. 목표는 오류 발생 시 전압 상승을 제한할 수 있을 만큼 낮은 결합 그리드-전극 저항을 만드는 것입니다. 일반적인 목표는 1Ω 이하이지만 토양 조건으로 인해 때로는 불가능할 수도 있습니다.
접지 도체 - 모두 함께 묶기
변전소의 모든 장비(변압기 탱크, 차단기 인클로저, 스위치기어 프레임, 울타리 게이트, 심지어 들어오는 송전선의 중성선까지)가 이 그리드에 다시 연결됩니다. 이러한 연결에는 발열 용접(Cadweld가 듣게 될 브랜드 이름) 또는 고압축 크림프가 사용됩니다. 볼트 연결은 시간이 지남에 따라 부식됩니다. 용접 연결은 그렇지 않습니다.
접지 시스템의 기능
미국 변전소의 접지 시스템은 몇 가지 중요한 기능을 수행합니다.
직원 안전 단계 및 접촉 전위 제어
이것은 직업 1입니다. 그리드는 오류 지속 시간과 체중을 기준으로 최대 허용 보폭과 터치 전압에 대한 공식을 제공하는 IEEE 80, "그린 북(Green Book)"을 사용하여 설계되었습니다. 그리드 간격, 도체 크기 및 깊이는 모두 계산되어 오류 발생 시 사람의 발 사이(걸음) 또는 손과 발 사이(터치)의 전압이 치명적인 임계값 아래로 유지되도록 합니다.
장비 보호
변압기 중성선은 대부분의 미국 유틸리티 변전소에 단단히 접지되어 있습니다. 오류가 발생하는 동안 접지 시스템은 복귀 경로를 제공합니다. 그것이 없으면 상간 결함은 상간 결함이 됩니다. 훨씬 더 높은 에너지와 훨씬 더 많은 피해를 줍니다. 접지 시스템은 또한 낙뢰 서지 에너지를 소멸시키고 차폐 케이블에서 정전기를 배출합니다.
시스템 참조
접지 그리드는 전체 변전소에 대해 안정적인 전압 기준을 설정합니다. 모든 위상 전압은 이 접지를 기준으로 측정됩니다. 또한 감지 시스템이 접지 오류를 확인하는 데 도움이 됩니다. 중성선이 접지된 경우 위상 대 접지 오류는 보호 계전기가 감지하고 중단할 수 있는 명확한 전류 경로를 생성합니다.
설계 고려 사항 - 실제로 엔지니어링을 주도하는 요소
토양 저항력 - 통제할 수 없는 변수
종이에 완벽한 그리드를 디자인할 수 있지만 그것이 작동할지 여부는 토양에 따라 결정됩니다. 비저항 측정은 새로운 변전소 현장에서 가장 먼저 수행되는 작업입니다. Wenner 4핀 방법은 라인에 있는 4개의 프로브를 표준 구동하고, 바깥쪽 두 개 사이에 전류를 주입하고, 안쪽 두 개 사이의 전압을 측정하고, 저항률을 계산하는 것입니다.
모래가 많고 건조한 토양에서는 수천 옴미터를 얻을 수 있습니다. 젖은 점토는 수십 개를 줄 수 있습니다. 그리드는 실제로 지면에 있는 것을 중심으로 설계되었습니다. 저항률이 너무 높으면 막대를 추가하거나 그리드를 확장하거나 화학적 처리를 사용합니다.
최악의 경우를 대비한 오류 전류 크기 조정
그리드는 보호 장치의 최대 제거 시간 동안 유틸리티가 전달할 수 있는 최대 오류 전류를 견뎌야 합니다. 이는 열용량뿐만 아니라 전류 분포에 관한 것이기도 합니다. 오류가 발생하는 동안 전류는 그리드로 균일하게 흐르지 않습니다. 주입 지점에 집중됩니다. 설계에서는 국부적인 과열이나 위험한 표면 전압을 방지하기 위해 이러한 변화도를 고려해야 합니다.
IEEE 80-성경
내가 작업한 모든 미국 변전소 접지 설계는 "AC 변전소 접지 안전 지침"인 IEEE Std 80을 참조했습니다. 가볍게 읽을 수는 없지만 접지 시스템이 안전한지 여부를 정의하는 방정식, 방법 및 허용 기준이 포함되어 있습니다. 대칭 그리드, 간격 계산, 허용 가능한 전압 공식 등이 모두 이 표준에서 나왔습니다.
NEC 앵글
변전소의 서비스 입구와 고객 측 부분에는 NEC(National Electrical Code)가 적용됩니다. 이는 접지 전극 도체 크기, 별도로 파생된 시스템의 결합, 수도관 전극에 대한 연결(있는 경우) 등을 제어합니다. 유틸리티 소유 부분은 종종 NEC가 아닌 IEEE 및 유틸리티 특정 표준을 따르지만 경계가 모호해질 수 있습니다.
다른 유형과의 비교 - 그다지 중요하지 않음
미국 변전소 접지를 비교하는 기사를 봅니다.유럽식 박스형 변전소그리고지하 변전소, 그리고 솔직히 물리학은 어디에서나 동일합니다. 차이점은 기본 사항에 있는 것이 아니라 참조된 표준과 일반적인 건설 관행에 있습니다. 유럽 설계에서는 IEC 61936을 참조할 수 있지만 목표는 동일합니다. 즉, 낮은 저항, 제어된 기울기, 접착 장비입니다. 실제 차이점은 규모가 큰 미국 송전 변전소가 더 크고 결함 전류가 높으며 더 광범위한 그리드가 필요한 경향이 있다는 것입니다.
유지보수-실제로 실패하는 것
접지 그리드가 묻혀 있습니다. 부식되는 것을 볼 수 없습니다. 연결이 느슨해지는 것을 볼 수 없습니다. 시스템이 아직 손상되지 않았는지 확인하는 유일한 방법은 테스트하는 것입니다.
전위차 테스트는 그리드 저항을 측정합니다. 보행 및 접촉 전위 측정은 전원이 공급되는 작동 중 안전성을 검증합니다. 심한 경우 굴착을 통해 연결을 검사하거나 전자기적 방법을 사용하여 그리드를 매핑할 수도 있습니다. 부식은 적과 다른 금속, 산성 토양, 인근 철도 또는 HVDC 선로의 표류 DC 전류가 모두 부식을 가속화합니다.
내가 고객에게 말하는 내용
미국 변전소를 구입하는 경우 접지 시스템에 대해 다음과 같이 질문하고 싶습니다.
목표 그리드 저항은 무엇이며, 실제 현장 토양 테스트를 기반으로 어떻게 계산되었습니까?
어떤 결함 전류가 가정되었으며, 제거 시간은 얼마나 됩니까?
IEEE 80에 따른 걸음걸이 및 터치 가능성에 대해 설계가 검토되었습니까?
모든 연결부가 발열 용접되어 있습니까, 아니면 기계적 러그가 사용됩니까?
설치 후 검사 및 테스트 계획은 무엇입니까?
왜냐하면 여기에 진실이 있기 때문입니다. 변압기는 반짝이고 새 것으로 도착할 것입니다. 개폐 장치에는 테스트 인증서가 있습니다. 접지 시스템은 흙 속에 묻혀 잊혀질 것입니다. 그러나 결함이 발생하면 매장된 구리만이 안전한 정전과 사망 사이에 서 있는 유일한 요소입니다.
결론
결론적으로, 미국 변전소의 접지 시스템은 전기 인프라의 복잡하고 중요한 구성 요소입니다. 이는 전기 안전을 보장하고 장비를 보호하며 시스템 안정성을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 공급자로서미국 변전소, 나는 엄격한 규제 요구 사항과 각 변전소의 특정 요구 사항을 충족하는 고품질 접지 시스템을 제공하는 것이 중요하다는 것을 이해합니다.
미국 변전소를 찾고 있거나 기존 접지 시스템을 업그레이드해야 하는 경우 당사에 문의하여 상담을 받으시기 바랍니다. 당사의 전문가 팀은 귀하의 요구 사항을 충족하는 안정적인 접지 시스템을 설계하고 설치하는 데 도움을 드릴 수 있습니다. 조달 요구 사항에 대해 논의하고 협상 프로세스를 시작하려면 주저하지 말고 당사에 문의하십시오.
참고자료
- IEEE Std 80-2013, AC 변전소 접지 안전에 대한 IEEE 가이드.
- IEEE Std 81-2012, 접지 시스템의 접지 저항, 접지 임피던스 및 접지 표면 전위 측정을 위한 IEEE 가이드.
- 미국 전기 규정(NFPA 70), 250조 - 접지 및 본딩.
