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표제지

목차

Abstract 6

I. 서론 16

1. 연구 필요성 및 목적 16

2. 국내·외 연구동향 19

(1) 국내 연구동향 19

(2) 국외 연구동향 21

3. 연구내용 및 방법 22

II. 이론적 배경 25

1. 수중 전격현상의 특징 25

2. 수중에서의 전격 파라미터 34

2.1. 안전전압 34

2.2. 접촉전압과 보폭전압 36

2.3. 통전전류 37

3. 수중 전위분포 분석 시뮬레이션 40

4. 국내외 수중전기시설의 전기설비 기준 43

III. 전위 감지 및 경보시스템 개발 48

1. 하드웨어 및 소프트웨어 구성 48

1.1. 하드웨어 구성 48

1.2. 소프트웨어 구성 51

2. 전위 감지 및 경보시스템 개발 53

3. 전위 감지 및 경보시스템 작동 실험 57

4. 시스템 동작 검증을 위한 모의실험 및 시뮬레이션 59

(1) 실험환경 및 방법 59

(2) 시뮬레이션 개요 및 방법 62

5. 시스템 측정 데이터 및 시뮬레이션 데이터 비교 분석 63

IV. 수중에서의 전위분포 위험경보지도 도출 86

1. IEC 60479-1을 적용한 수중에서의 전위분포 분석 86

2. 위험경보 지도 도출 127

V. 수중에서의 전위감지 및 경보 시스템 성능평가 139

1. 성능평가 환경 및 방법 139

2. 성능평가 결과 144

VI. 결론 154

참고문헌 156

국문요약 161

List of Tables

Table 1. Safety voltage by country 35

Table 2. Allowable touch voltage 36

Table 3. Definition on the time/current area 39

Table 4. Performance of FLUX 42

Table 5. Limit of voltage for KEC, IEC and NEC 44

Table 6. Apply of residual current protective devices 45

Table 7. Grounding regulations for KEC, IEC and NEC 46

Table 8. Protection of water influx 47

Table 9. Comparison data between simulation and experiment... 70

Table 10. Comparison data between simulation and experiment... 78

Table 11. Comparison data between simulation and experiment... 85

Table 12. Leakage and earthing points to Case 89

Table 13. Symptoms according to the size of the body current 128

Table 14. Pattern matching data for Cases 140

Table 15. Measurement data of performance evaluation(Case 1) 144

Table 16. Measurement data of performance evaluation(Case 2) 146

Table 17. Measurement data of performance evaluation(Case 3) 148

Table 18. Measurement data of performance evaluation(Case 4) 150

Table 19. Measurement data of performance evaluation(Case 5) 152

List of Figures

Fig. 1. Underwater current source(when... 26

Fig. 2. Electric shock equivalent circuit 30

Fig. 3. Impact of current and time on human body 38

Fig. 4. Basic concept of FLUX 3D 41

Fig. 5. Voltage sensor 49

Fig. 6. Design of the selected DAQ(USB-6009) 50

Fig. 7. Design for map of dangerous region 52

Fig. 8. Electric potential detection and alarm system 53

Fig. 9. Main screen of monitoring program 54

Fig. 10. Block diagram of electric potential detection and alarm system 55

Fig. 11. Input/Output of monitoring software 56

Fig. 12. Operation experiment of system 57

Fig. 13. Experiment setup 60

Fig. 14. Path setting(0.5m intervals) 60

Fig. 15. Leakage and earthing points to Case 61

Fig. 16. Electric potential distribution by experiment (Case 1) 65

Fig. 17. Electric potential distribution by simulation (Case 1) 65

Fig. 18. Comparison between simulation and experiment... 66

Fig. 19. Comparison between simulation and experiment... 66

Fig. 20. Comparison between simulation and experiment... 67

Fig. 21. Comparison between simulation and experiment... 67

Fig. 22. Comparison between simulation and experiment... 68

Fig. 23. Comparison between simulation and experiment... 68

Fig. 24. Comparison between simulation and experiment... 69

Fig. 25. Electric potential distribution by experiment(Case 2) 73

Fig. 26. Electric potential distribution by simulation(Case 2) 73

Fig. 27. Comparison between simulation and experiment... 74

Fig. 28. Comparison between simulation and experiment... 74

Fig. 29. Comparison between simulation and experiment... 75

Fig. 30. Comparison between simulation and experiment... 75

Fig. 31. Comparison between simulation and experiment... 76

Fig. 32. Comparison between simulation and experiment... 76

Fig. 33. Comparison between simulation and experiment... 77

Fig. 34. Electric potential distribution by experiment(Case 3) 80

Fig. 35. Electric potential distribution by simulation(Case 3) 80

Fig. 36. Comparison between simulation and experiment... 81

Fig. 37. Comparison between simulation and experiment... 81

Fig. 38. Comparison between simulation and experiment... 82

Fig. 39. Comparison between simulation and experiment... 82

Fig. 40. Comparison between simulation and experiment... 83

Fig. 41. Comparison between simulation and experiment... 83

Fig. 42. Comparison between simulation and experiment... 84

Fig. 43. Dielectric constants of concrete 88

Fig. 44. Path setting(10 m x 10 m) 88

Fig. 45. Electric potential distribution by simulation (10x10 Case 1) 91

Fig. 46. Potential distribution by walking stride (Case 1) 97

Fig. 47. Current by walking stride (Case 1) 97

Fig. 48. Effects of current on human being and livestock (Path 1~10) 98

Fig. 49. Effects of current on human being and livestock (Path 11~12) 98

Fig. 50. Electric potential distribution by simulation (10x10 Case 2) 100

Fig. 51. Potential distribution by walking stride (Case2) 107

Fig. 52. Current by walking stride (Case2) 107

Fig. 53. Effects of current on human being and livestock (Path 1~10) 108

Fig. 54. Effects of current on human being and livestock (Path 11~20) 108

Fig. 55. Electric potential distribution by simulation (10x10 Case 3) 110

Fig. 56. Potential distribution by walking stride (Case3) 117

Fig. 57. Current by walking stride (Case3) 117

Fig. 58. Effects of current on human being and livestock (Path 1~10) 118

Fig. 59. Effects of current on human being and livestock (Path 11~20) 118

Fig. 60. Electric potential distribution by simulation (10x10 Case 4) 120

Fig. 61. Electric potential distribution by simulation (10x10 Case 5) 123

Fig. 62. Potential distribution by walking stride (Case5) 124

Fig. 63. Current by walking stride (Case5) 124

Fig. 64. Electric potential vs. distance at 220 V 125

Fig. 65. Effects of current on human being and livestock (Path 1~10) 126

Fig. 66. Effects of current on human being and livestock (Path 11~20) 126

Fig. 67. Map for dangerous region (Case 1) 130

Fig. 68. Map for dangerous region (Case 2) 132

Fig. 69. Map for dangerous region (Case 3) 134

Fig. 70. Map for dangerous region (Case 4) 136

Fig. 71. Map for dangerous region (Case 5) 138

Fig. 72. Lightings and size of fountain 141

Fig. 73. Installation location of electric potential detection... 142

Fig. 74. Block diagram of applied map for dangerous region 143

Fig. 75. performance evaluation of map for dangerous region (Case 1) 145

Fig. 76. performance evaluation of map for dangerous region (Case 2) 147

Fig. 77. performance evaluation of map for dangerous region (Case 3) 149

Fig. 78. performance evaluation of map for dangerous region (Case 4) 151

Fig. 79. performance evaluation of map for dangerous region (Case 5) 153

초록보기

 본 연구에서는 수중 전기설비에서의 고장전위 감지 및 경보시스템 Prototype 개발하였다. 이를 위하여 개발된 시스템의 검증을 위해 모의 실험 장치를 구축하여 실험값과 시뮬레이션 값을 비교 분석하였으며, 수중에서의 보폭전압 및 전류값 등을 분석하여 IEC 60479-1 적용을 통해 감전 위험을 경보할 수 있는 위험지도를 도출하였다. 최종적으로 센서 설치지점 설계를 통한 현장에 적용 성능평가를 실시하였다. 자세한 내용은 다음과 같다.

개발된 시스템의 검증을 위해 모의 실험장치를 구축하여 실험값과 시뮬레이션 값을 비교 분석을 하였다. 대표적인 수중 전기설비인 조명과 수중모터의 누전점과 접지점 설정에 따른 Case 1∼5에 대하여 누전점으로부터 거리와 일정한 깊에서의 전위분포를 인체의 보폭기준을 바탕으로 하였다. 특히 수중에서의 감전특성에 영향을 주는 가장 큰 요소인 누전점과 접지점에서의 전위분포 특성을 중점적으로 분석하였다. Case 1은 조명 1개 누전점, 조명 1개와 모 터 1개 접지점으로 하였으며, Case 2는 조명 1개, 모터 1개를 누전점으로 하였고 조명 1개를 접지하였다. Case 3은 가운데 위치한 모터를 Source로 설정하고 조명 2개를 접지하였다. Case 4는 조명 1개를 누전점으로 하였고 접지점을 설정하지 않았다. Case 5는 무한원점에 접지점이 있다고 가정하고 중앙에 위치한 모터를 누전점으로 설정하였다. Case l∼Case 3의 경우 공통적으로 누전점에서 접지점으로 전위가 급격하게 감소됨을 확인함으로서 누전점과 접지점 사이의 공간이 감전의 위험성이 높음을 확인하였다. Case 4의 경우 수중조명등을 누전점으로 하고 접지가 없는 경우를 가정하여 수중의 전위분포를 측정한 결과 전위차의 변화를 확인할 수 없었으며 전원전압인 220 V가 수중 전체에 형성되었다. 이런 경우 수중의 전체 지점에서 전위차가 발생되진 않는다고 해서 안전하다는 의미는 아니며 이 경우에도 수중에 있는 사람이 금속재나 기타 접지점을 형성하는 회로와 접촉한다면 220 V가 인체에 인가됨에 따라 전위차에 따른 감전회로가 구성되어 전격재해를 당하는 매우 위험한 상황이라 볼 수 있다. Case 5는 누전점을 원점으로 하는 동심원의 형태를 나타냄을 확인하였으며 이론식을 적용하여 누전점으로부터 최소 이격거리를 산출하였다.

수중에서의 보폭전압 및 전류값 등을 분석하여 IEC 60479-1 적용을 통해 감전 위험을 경보할 수 있는 위험지도는 실제 수중시설을 대상으로 실시한 시뮬레이션 결과를 토대로 수중에서의 전위 분포 측정 및 통전전류를 계산값을 반영하였으며, 감전의 안전한계에 대한 검토 결과를 바탕으로 발표된 IEC 60479-1의 전류가 인체에 미치는 영향을 기준을 적용하여 위험 경보지도를 도출하였다. 최종적으로 실제 수중시설을 대상으로 개발된 전위감지 및 경보시스템을 설치하여 개발된 소프트웨어에 위험지도를 적용하였고, 실제 현장에서 누전발생시의 Case 1∼5에 대한 성능평가를 실시하였다.

본 연구의 경보시스템은 수중시설의 어떠한 장소에서도 적용할 수 있는 7개의 패턴지점을 설계하였고, 7개의 전위패턴 분석을 통하여 누전시의 위험지점을 확인할 수 있다. 또한 개발된 시스템은 분수대 및 수경시설 등 상시 감시를 필요로 하는 다양한 수중시설에 적용이 용이하도록 설계하였다.

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