2009.4.6

IEEE 665를 기준으로 한 원전접지설계적용

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목차

1. 개요

2. 관련 Code & Std

3. 접지설계기준 및 원전 적용 현황- 주 접지망 설계- 기기 중성점 접지- 구조물 및 보조기기의 접지- 낙뢰보호 설계

4. 질의 및 응답

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1. 개요

▶ 주 접지망

- 발전소의 낙뢰전류 및 지락전류를 대지로 안전하게 유도

- 사고전류에 대한 낮은 임피던스 경로 제공

- 전위경도를 저감시켜 대지표면의 전류 밀도를 인명과 연관된 허용접촉 및

보폭전압에 대하여 안전한 수준으로 유지

▶ 기기의 중성점 접지- 지락사고시 지락전류를 접지계통으로 흐르게 함으로써 전력계통의 이상

전류 및 지락전류를 일정 크기로 제한

- 지락사고시 건전상의 대지 전위상승 억제에 따른 상 도체 및 기기의 절연

레벨 경감 및 신속한 사고 제거

▶ 구조물, 기기의 외함 및 안전접지

- 전기사고에 의한 누설전류 및 외부 전압원의 영향에 의한 이상전류를 접지

계통으로 흐르게 함으로써 감전사고로 부터 인명을 보호

▶ 낙뢰보호

- 보호 대상물에 근접하는 뇌격을 흡입하고 뇌격전류를 대지로 안전하게 방류

하여 인명 및 보호 대상물을 안전하게 보호

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2. 관련 Code & Standard

▶ Main Ground Grid

IEEE-80 Guide for Safety in AC Substation Grounding

▶ Generator and IPB GroundingIEEE-C37.101 Guide for Generator Ground Protection

▶ Neutral, Equipment, Safety GroundIEEE-142 Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power

SystemsIEEE-666 Design Guide for Electric Power Service System for Generating

Stations

▶ Protection and ControlIEEE-1050 Guide for Instrumentation and Control Equipment Grounding in

Generating Stations

▶ Lightning Protection

NFPA-780 Lightning Protection Code

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3. 접지설계기준 및 원전 적용현황주 접지망 설계

인체의 안전측면에서의 위험전압

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3. 접지설계기준 및 원전 적용현황(계속)주 접지망 설계 (계속)

주 접지망 설계절차

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3. 접지설계기준 및 원전 적용현황(계속)주접지망 설계 (계속)

접지저항과 면적, 토양과의 관계

Rg : 접지저항 (Ω)ρ : 대지고유저항(Ω•m)A : 발전소의 면적(m2)

접지도체의 크기

- 발전소의 수명과 물리적인 신뢰성을 위하여 4/0 AWG 이상을 제한함.(원전의 경우, 울타리 주변지역과 같이 전류의 밀도가 높은 부분은 765kV SWYD일 경우는 200mm2, 345kV SWYD일 경우는 150mm2를 적용하며, 그 이외지역은 100mm2(4/0 AWG)로 적용함.

ARg

πρ4

= (IEEE 665-Eq. 1)

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3. 접지설계기준 및 원전 적용현황(계속)주접지망 설계 (계속)

대지유입전류

I = CP x Df x Sf x If (IEEE 665-Eq. 11)

I : 대지유입전류의 대칭분(A)

Sf : 사고전류 분류계수 (한전 설계기준 2602-2000참조, 20% 적용)

If : 지락전류의 대칭분(A) (765kV SWYD 차단정격 50kA 적용)

Cp : 확장계수 (초기설계의 경우 1.25적용하나 원전의 경우 1.1 적용)

Df : 사고발생시간 동안의 지락전류 감쇄정수

Ta = X″/ωR″ (계통의 X″/R″ = 19로 적용) tf : 사고지속시간(sec) (0.15~0.5sec 추천, 지락 차단기 동작 시간 고려

0.4sec 적용)

I = CP x Df x Sf x If = 1.1 x 1.0611 x 20% x 50kA = 11.67kA

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛−+=

−

a

f

Tt

f

af e

tTD

2

11

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3. 접지설계기준 및 원전 적용현황(계속)주 접지망 설계 (계속)

인체 허용접촉전압

( )s

sstoucht

CE 116.05.1100050 ρ××+=

Etouch50 : 인체의 중량이 50kg일때의 허용접촉전압(V)Cs : 표토층의 반사계수 (동일 표토층으로 가정하여 1.0 로 적용)

ρs : 표토층의 고유저항 (Ω•m) (100Ω•m로 가정 적용)ts : 사고전류 지속시간(sec)1000 : 인체의 저항(Ω)1.5 : 2ft 거리에서의 병렬저항

( ) VEtouch 92.210sec4.0

116.01000.15.1100050 =Ω××+=

(IEEE 665-Eq. 7)

09.02

109.01

+×

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−×

−=s

ss h

Cρρ

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3. 접지설계기준 및 원전 적용현황(계속)주 접지망 설계 (계속)

인체 허용보폭전압

Estep50 : 인체의 중량이 50kg일때의 허용보폭전압(V)Cs : 표토층의 반사계수ρs : 표토층의 고유저항 (Ω•m) ts : 사고전류 지속시간(sec)

1000 : 인체의 저항(Ω)

6 : 2ft 거리에서의 직렬저항

( ) VEtouch 46.293sec4.0

116.01000.16100050 =Ω××+=

( )s

ssstept

CE 116.06100050 ρ××+= (IEEE 665-Eq. 8)

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3. 접지설계기준 및 원전 적용현황(계속)주 접지망 설계 (계속)

주 접지망에서의 메쉬전압

rC

imGm LL

KKIE

15.1+×××

=ρ

(IEEE 665-Eq. 13)

ρ : 대지고유저항(Ω•m) IG : 대지유입전류 (A)Km : 메쉬전압계산을 위한 지형보정계수 (IEEE 665-Eq.16에 의하여 0.723로

적용)Ki : 유입전류 증가 보정계수 (IEEE 665-Eq.17에 의하여 6.372로 적용)Lc : 접지도체 총길이(m) (설계 총길이를 33,987m로 가정하여 적용)Lr : 접지봉의 총길이(m) (미적용된 것으로 가정)

Vmm

AmEm 16.160015.1987,33

372.6732.0670,11100=

×+×××⋅Ω

=

계산된 메쉬전압은 허용 접촉전압 (210.92V) 이내이므로 만족함

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3. 접지설계기준 및 원전 적용현황(계속)주 접지망 설계 (계속)

LKKI

E isGs

×××=ρ

(IEEE 665-Eq. 14)

ρ : 대지고유저항(Ω•m)IG : 대지유입전류 (A)Ks : 보폭전압계산을 위한 지형보정계수 (IEEE 665-Eq.15에 의하여 0.268로

적용)Ki : 유입전류 증가 보정계수Lc : 접지도체 총길이(m)Lr : 접지봉의 총길이(m)L : Lc + Lr

Vm

AmE s 64.58987,33

372.6268.0670,11100=

×××⋅Ω=

주 접지망에서의 보폭전압

계산된 보폭전압은 허용 보폭전압 (293.46V) 이내이므로 만족함

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3. 접지설계기준 및 원전 적용현황(계속)주 접지망 설계 (계속)

원전 주 접지망 설계 평면도

대지유입전류 : 11.67kA고장차단시간 : 0.4sec대지고유저항 : 100Ω•m접지도체간격 11m(47 x 35 Line)

접지저항 계산결과 : 0.10873Ω

해석 프로그램 : 캐나다 SES사, CDEGS 프로그램의 MALT Module

Pri. Unit

Sec. Unit

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3. 접지설계기준 및 원전 적용현황(계속)주 접지망 설계 (계속)

접지망 계산결과(Ground Potential Rise)

최대전위상승 : 1,262.5V

대지전위상승전압 3차원도 대지전위상승전압 2차원도

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3. 접지설계기준 및 원전 적용현황(계속)주 접지망 설계 (계속)

접지망 계산결과(Touch Voltage)

접촉전압 2차원도 허용접촉전압 만족여부

허용접촉전압 : 210.92V

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3. 접지설계기준 및 원전 적용현황(계속)주 접지망 설계 (계속)

접지망 계산결과(Step Voltage)

보폭전압 2차원도 허용보폭전압 만족여부최대보폭전압 : 50.447V

허용보폭전압 : 293.46V

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3. 접지설계기준 및 원전 적용현황(계속)

중성점 접지, 기기 및 안전접지

계통의 기준전위확보

지락사고전류의

궤환회로인체의 위험을 회피

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3. 접지설계기준 및 원전 적용현황(계속)기기 중성점 접지

발전기 중성점접지 설계

▶ 고저항접지 (Distribution-Transformer Grounded)- 지락고장시 제한적인 기계적인 피로 및 고장위험 유지

- 과도전압의 제한

- Neutral Resistor Grounded 방식에 비하여 접지를 위한 기자재의 경제성

- 일반적으로 5~10A이내로 지락 사고전류 제한

IEEE 665 추천안원전 설계적용현황

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3. 접지설계기준 및 원전 적용현황(계속)기기 중성점 접지 (계속)

변압기 및 기타계통 중성점 접지설계

▶ 저저항 접지 : 보조변압기, 대기변압기

(지락전류를 400~1500A로 제한)

▶ 직접 접지 : 주변압기, 480V 계통 및

배전변압기등

▶ 비접지 : 발전소의 필수전원 공급계통,

직류전원계통등

보조변압기 중성점 접지설계현황

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3. 접지설계기준 및 원전 적용현황(계속)구조물 및 보조기기의 접지

▶ 건물내의 접지망 구성- 건물내에서의 접지 도체설치 간격 : 10~30m 간격- 건물내의 접지도체와 주 접지망간의 연결 : 최소 2개소이상- 접지도체의 크기 : 사고전류의 크기 고려 (접지도체를 200mm2 나동선 적용)

▶ 울타리의 접지

- 접촉전압으로 부터의 위험 방지 : 울타리 외측 0.5~1.5m 까지 주 접지망연장(울타리 외곽 1.2m까지 적용)

- 울타리 Post에 대하여 다중 접지(울타리 3개 Post마다 접지실시)

▶ 금속외함의 접지

- 지락사고전류를 흘릴수 있는 접지도체 적용

▶ 케이블 Tray

- Tray 간 연속성을 확보하기위하여 Bonding Jumper 적용

- 30m마다 접지함으로서 지락전류의 궤환회로로 적용

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3. 접지설계기준 및 원전 적용현황(계속)낙뢰보호 설계

▶ 낙뢰로 인한 영향 및 결과

- 직접적인 영향 : 화재, 연소, 폭발- 간접적인 영향 : 대전류 발생시 전자계 유도로 인한 기기의 손상 및 오동작- IEEE-665에서는 직접적인 영향에 대한 보호기준만을 제시함.

▶ 낙뢰보호를 위한 고려요소

- 낙뢰의 빈도수- 건물 및 내용물의 가치- 안정성- 폭발에 대한 위험도- 경제성- 건물의 형태(구조, 크기등)

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3. 접지설계기준 및 원전 적용현황(계속)낙뢰보호 설계 (계속)

▶ 낙뢰보호를 위한 보호방법

- 피뢰침에 의한 방법 (원전은 회전구체법을 이용하여 적용)- Mast(금속기둥) 또는 Mast+가공접지선로에 의한 방법- 건물 구조물에 의한 보호 : 건물의 구조가 3/16inch이상의 노출 금속판일 경우- 타건물에 의한 피보호 건물의 보호범위

타건물의 높이가 25ft 이하 : 높이에 대한 수평보호범위를 1 : 2로 적용타건물의 높이가 50ft 이하 : 높이에 대한 수평보호범위를 1 : 1로 적용

▶ 구조물의 형태에 따른 보호방법

● 굴뚝(Chimney and Srack)- 금속체일 경우 : 2개이상의 피로도선으로 대지에 접지(대각선 유지)- 비금속체일 경우 : 피뢰침 높이를 18inch(50cm)이상으로 유지하고 적절한

지지대로 고정Metal Crown의 두께가 3/8inch이상이면 피뢰침 대용으로 사용 가능피뢰도선은 200ft마다 수평도체로 연결

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3. 접지설계기준 및 원전 적용현황(계속)낙뢰보호 설계 (계속)

구조물의 형태에 따른 보호방법(계속)

● 금속탱크

- 전기적으로 연속성이 있는 3/16인치 두께이상인 금속탱크의 경우 피뢰침 불필요

- 탱크의 기초에 2개조이상의 접치도체로 접지망에 연결

● 구조물에 의한 건물보호

- 금속구조물로 이루어진 건물의 경우 피뢰침으로 보호 및 금속구조물과 연결

- 피뢰도선은 건물외부로 별도 적용

● 변전소

- 가공지선 및 MAST에 의하여 보호

● 지하매설 구조물

- 외부로부터의 전압 전달을 방지하기 위하여 건물 인입부에서 접지

● 리액터 건물

- 피뢰침에 의하여 보호

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4. 질의 및 응답

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감사합니다