단일 건물

다음 그림들에서 단상 시스템과 삼상 시스템이 모두 묘사 된다. 그림들은 자체 서비스로서 트랜스포머, 메인 회로 차단기 패널과 일반적으로 좀 떨어진 서브 패널을 갖춘 건물을 보여준다.  이 그림들에서 주요 포인트 중에 하나는 메인 패널과 종종 오해되는 서브 패널 사이의 연결이다.

그라운드 도체는 고장 조건을 제외하고 전류가 흐르지 않도록 의도된 반면에 중립 도체는 전류가 흐르도록 의도 된다는 것을 기억하는 것은 중요하다. 아래 그림은 불완전한 설치를 보여준다. 쇼트 회로를 고려할 때, 기본 회로를 상기할 필요가 있다. 모든 쇼트 회로 전류는 트랜스포머로 되돌아 간다. 이 쇼트 회로 경로에 충분한 저항이 있다면 쇼트 회로 전류는 줄어들 것이고 회로 차단기 또는 퓨즈는 전혀 반응하지 않거나 매우 긴 시간 후에나 반응할 것이다. 이것은 화재 또는 감전을 초래한다. 아래 그림에서, 부하 쪽 그라운드 고장은 두 그라운드 막대기(rods) 사이에 땅을 통해서 전류가 흐르는 결과를 가져올 것이다. 이것은 매우 효과적인 리턴 경로가 아니다.

다음 그림은 요구되는 설치를 보여준다. 그라운드 도체가 두 패널 사이에 연결되고 두 패널이 모두 그라운드에 본드 된 것을 살펴본다. 시스템이 단상 시스템이거나 단상 부하가 있으면 중립 도체 또한 실행될 수 있다. 또한 서브 패널에서 중립 단자가 패널로부터 격리되는 것을 주의한다. 이것은 그라운드 도체를 통해서 흐르는 전류로부터 원치 않는 전류를 예방한다.

다중 건물

다중 건물이나 구조 시스템은 대부분의 문제가 발견 되는 곳이다. 특히 오래된 시스템에서 그렇다. 아래 그림은 결함 있는 시스템의 예를 보여준다. 다시, Building 2에서 그라운드 고장은 회로 차단기가 열리고 충분히 빠르게 열리기 위해서 트랜스포머로 돌아갈 낮은 임피던스 경로를 찾아야만 한다.

아래 그림은 먼저 두 건물이 그라운드 될 것을 요구하는 것을 보여준다. 두 번째로, 각 건물의 중립은 건물의 그라운드에 중립이 본드 되어 건물 간에 함께 연결되는 것을 보여준다. 중립 도체는 phase-to-ground 쇼트 하에서 전류를 운반할 수 있다.

아래 그림은 한 단계 더 나가서 각 건물 사이에 그라운드 도체를 제공한다. 이 경우, 두 번째 건물의 중립은 그라운드로부터 격리된다. 삼상 시스템에서, 3상 부하만 있다면, 중립은 요구되지 않는다. 단상 부하가 있다면 그라운드와 중립 도체 모두 요구된다. 자주 간과되는 매우 중요한 점은 이 그라운드 도체가 도관 안에서 위상 도체와 함께 달려야만 한다.

그라운드 그리드가 충분하지 않을 것이다. 그라운드 도체가 위상 도체로부터 멀리 달리면 시스템의 전반적 임피던스에 영향을 줄 것이고 시스템 응답을 느리게 해서 보호 회로가 오프닝을 느리게 하도록 영향을 줄 것이다. 외부 그라운드는 트랜스포머처럼 행동해서 회로에 임피던스를 추가할 것이다. 이것은 테스트를 통해서 증명되었다.

아래 그림은 전체 시설을 커버하는 그라운드 그리드 시스템을 보여준다. 이 시스템은 등 전위 판을 만드는데 매우 중요하다. 그러나 메인과 서브 패널은 여전히 그 사이에 그라운드 도체를 요구한다.

컴퓨터

컴퓨터 시스템과 전자 시스템의 그라운딩은 자체로 하나의 주제이며 여기서 확장하여 다룰 것은 아니다. 몇 가지 점은 매우 주요하게 고려한다. 우선, 적절하게 설치된 컴퓨터 그라운드 시스템은 N.E.C와 완벽히 호환되게 설치될 수 있다. 파워 그라운드에서 완전히 격리된 컴퓨터의 그라운딩 시스템은 불법이며 위험하고 효과가 없다. 다음으로, 신호의 주파수가 중요하다. 60Hz 이상에서 주파수가 증가함에 따라서 도체의 저항은 크게 증가한다.

번개 보호

번개가 유발한 손상은 매우 심각할 수 있다. 번개에 대한 이해의 정도가 크지 않고 더 많은 연구가 필요하다. 번개는 우리 모두가 알듯이 높은 에너지 이다. 번개는 매우 빠른 전류 상승(높은 주파수)을 갖는다.

아래 그림은 폭풍우 동안에 일어나는 것을 묘사한다. 구름은 땅 표면을 따라서 여행을 한다. 공기에 대한 구름 속 수분의 이동 때문에, 전하가 만들어져 쌓인다. 구름의 바닥은 음으로 충전되고 구름 아래 건물이 양으로 충전된다. 구름과 건물 사이의 공기는 하나의 큰 커패시터처럼 행동한다. 커패시터를 가로지르는 전압이 공기의 절연 저항보다 크게 될 때, 번개가 발생하고 높은 전류가 흐르기 시작한다.

번개 보호 시스템은 사실 번개 수집기이다. 번개 보호 시스템은 땅으로 연결된 금속 막대기 이고 건물의 가장 높은 점에 설치된다.

 아래 그림처럼 폭풍우가 접근하면 대전된 구름이 땅을 가로질러 이동한다. 유사하게 양전하 덩어리가 땅을 통해서 이동한다. 건물을 지날 때처럼 두 전하 사이의 간격이 줄어들 때, 번개가 친다. 번개 보호 시스템이 하는 것은 제어되는 방법으로 이 두 전하가 있는 회로를 쇼트 시키는 것이다. 공기 단자(air terminal)라고 불리는 뾰족한 번개 막대기(피뢰침)는 전하를 방출한다. 아이디어는 매우 높은 에너지의 번개가 발생하는 전하가 만들어지기 전에 가능한 한 많은 전하를 소모시키는 것이다.

다른 중요한 사실은 이 이동하는 전하 덩어리의 중요성을 이해하는 것이다. 이 전하 덩어리는 상호연결 된 빌딩 간에 전위 차이를 만든다. 일반적인 조건에서 건물 사이에 최소의 전위 차이가 있다. 그러나 폭풍우 조건에서, 이 차이는 50Kv까지 증가할 수 있다. 이것은 상호연결 된 장비와 도체 절연을 손상할 수 있다. 이런 종류의 문제로부터 보호하기 위해서 모든 건물은 함께 연결되어야 한다.

많은 시설들이 건물들을 상호연결하기 위해서 땅에 의존한다. 그러나 땅의 저항은 크게 변한다. 땅의 저항에서 중요한 요소는 수분이다. 건물 주변의 많은 영역이 포장되어 있다. 아래에 땅은 건조하고 저항은 증가한다. 아래 그림에서 보여주는 상호연결 그라운드 그리드는 땅과 병렬인 그라운드 판을 형성한다. 이 그리드로 땅의 저항은 덜 중요해 진다. 형성되는 것은 등 전윈 판으로 땅의 저항을 줄이고 건물 간의 전위 차이를 최소화 한다.

번개 보호 시스템 설치의 오류는 심각할 수 있고 설치되지 않은 것보다 더 위험할 수 있다.

부적절한 번개 보호 시스템은 치는 번개의 전위차를 증가시킬 수 있고, 재물에 심각한 손상과 사람에게 상처를 줄 수 있다. 적절한 번개 보호 시스템은 축적된 전하를 소모해서 번개를 줄이고 번개 전류의 흐름을 전기 시스템으로부터 멀리 흐르게 제어한다.

정전기 제어

이것은 깊이 있는 연구가 필요한 다른 주제이다. 몇 년 동안 콘크리트 바닥은 콘크리트 속에 와이어 메쉬를 추가함으로써 강화되고 있다. 지난 20년 동안 많은 바닥에 대한 제조 방법 특히 상대적으로 가벼운 부하를 지지하는데 필요한 방법이 변했다. 비용 절감 때문에 와이이 메쉬가 생략되었다. 최근에 이 와이어 메쉬의 두 번째 이득이 발견되었다. 이것의 제거는 문제를 유발할 수 있다.

정전기 문제가 있는 몇 개의 가게를 조사하는 동안에, 이 가게들이 이 와이어 메쉬 없이 만들어 졌고 땅속에 바위가 많은 지역에 설치되었다는 것이 확인 되었다. 기본적으로 가게는 바위 위에 설치되었다.  같은 크기, 같은 디자인, 같은 나이의 많은 가게에 대한 비교를 통해서 와이어 메쉬가 범인인 것이 결정되었다. 바닥 판 아래로 10에서 20피트 땅을 가진 가게는 와이어 메쉬가 없어도 정전기 문제가 없었다. 와이어 메쉬를 가진 바위 위에 있는 가계도 문제가 없었다. 바위 위에 있으면서 와이어 메쉬가 없는 가게들만 문제가 있었다.

모든 콘크리트는 약간의 전기 저항을 갖고 바닥은 그라운드 판이 된다. 와이어 매쉬는 콘크리트의 저항을 줄여서 사람이 가게를 걸으면서 발생되는 전하의 누적을 방전시킨다. 다음 그림은 땅 조건이 나쁜 곳에서 디자인 되어야 할 바닥을 보여준다.

원문: Principles of Electrical Grounding. By John C. Pfeiffer, P.E.

오늘 Ansys Conference에 다녀왔다. 2000년대 초부터 참석을 했으니 10년 넘게 참석하고 있다. 아마 지금까지 대여섯번 이상 참석했을 것 같다. 뭐 매번 비슷한 내용이라 매년 참석하는 것은 별로 영양가가 없는 것 같기도 하다. 10여년 참석하다보니 응용되는 제품의 트렌트가 조금씩 변하는 것을 느낄 수는 있는 것 같다. 한 때는 DDR관련 메모리 응용이 잘나가던 때도 있었는데 요즘은 확실히 모바일(차량/휴대폰) 응용이 대세인 것 같다. 아무래도 툴 회사에서 개최하는 행사이다 보니 자신들의 툴 소개 및 그 툴의 응용 예에 대한 내용이 주를 이룬다.

시작 연설에 이런 내용이 있었다. 2005년에는 22명의 엔지니어 중 1명이 시뮬레이션 툴을 사용했고 2015년 현재 6명의 엔지니어 중 1명이 시뮬레이션 툴을 사용한다고 한다. 그런데 2020년이 되면 모든 엔지니어가 시뮬레이션 툴을 사용할 것이라고 한다. 마치 1980년에대 컴퓨터가 일부 엔지니어들만 사용하던 것에서 현재 모든 엔지니어가 사용하듯이 말이다. 툴 사용이 반드시 필요하다는 것은 100% 맞는 말이다(총 없이 전쟁터에 나갈 수는 없으니까. 그러나 총만 가지고 이길 수는 없다).

그런데 툴을 지칭하는 용어가 사람마다 조금씩 다른 것을 보게 되는데, 어떤 사람은 해석 툴이라고 부르고 다른 어떤 사람은 시뮬레이션 툴이라고 부른다. 어떤 것이 맞는 말일까? 둘 다 맞는 말일까? 나는 항상 용어의 정확한 사용이 모든 시작의 기초라고 생가하기 때문에 가급적 정확한 용어를 사용하기를 원한다. 왜냐하면 용어를 헷갈리면 머릿 속에 자리잡는 개념이 헷갈리기 때문이다.  그런데 현실은 다수의 사람들이 사용하는 용어를 사용할 수 밖에 없는 어려움이 따르기도 한다. 암튼...

해석(analysis)라는 말은 어떤 현상의 의미를 이해하거나 판단하는 것이다. 그리고 시뮬레이션(simulation)은 어떤 상황이나 과정의 행위를 흉내 내는 것이다. 둘은 완전히 다른 의미이다. 따라서 시뮬레이션 툴이라는 것은 어떤 상황을 흉내 내주는 도구를 의미하는 것이고 해석 툴이라는 것은 어떤 현상을 판단해주는 도구라는 의미이다. 시뮬레이션 툴의 대표적인 것은 아마도 SPICE일 것이다. 나는 지금까지 SPICE를 해석툴이라고 부르는 것을 들은 적이 없다. SPICE는 실제 회로에서 일어나는 행위를 유사하게 흉내내 준다. Ansys사의 Designer나  Agilent ADS 등은 SI 분야에서 많이 사용되는 시뮬레이션 도구 이다. 그럼 Ansys의 Siwave나 Cadence의 PowerSI 같은 툴은 무슨 툴일까? 많은 사람들이 해석 툴이라고 부르는 것을 들어 보았다. 그러나 그것은 시뮬레이션에 필요한 모델을 추출해주는 툴에 가깝다. 따라서 그런 툴들은 모델링 툴이라고 부르는 것이 적당할 것으로 생각된다. 아마도 HFSS 같은 툴은 모델링 기능과 시뮬레이션 기능이 복합된 툴로 볼 수 있을 것이다. 나는 사실 아직까지 제대로된 해석 툴은 없다고 생각한다. 해석은 판단을 하는 것이다. 각종 상황을 설정하고 그 상황을 시뮬레이션 해서 얻은 결과를 판단하는 것은 아직까지는 대부분 엔지니어의 몫이다. 따라서 굳이 해석 툴이 뭐냐라고 한다면 엔지니어의 머리 일 것이다. 툴이 그것을 대신하게 된다면 엔지니어는 툴을 운영하는 오퍼레이터가 될 것이다.

툴 사용법을 익히는 것에 집착하는 사람들이 가끔 있는데, 그것은 도구의 사용법애 잡척하는 것이다. 도구를 어떤 상황에 어떻게 쓸것인가 그리고 그 결과를 어떻게 사용할 것인가를 잘 아는 것이 해석의 힘이다. 툴이 강력해 지면 해석이 수월해지는 것은 사실이다. 그러나 더 나은 해석 결과를 얻으려면 머리 속 에서 돌아가는 도구를 좀 더 개발할 필요가 있다고 생각한다. 그것은 기본적인 이론 지식을 머리에 담아두는 것과 다양하고 충분한 실습을 통해 현실 감각을 머릿 속에 담아두는 것이다.

시작 단의 반사파를 예방하기 위해서, 즉 링잉(ringing)을 억제하기 위해서 직렬 저항을 드라이버의 출력 바로 뒤에 삽입한다. 우리는 이것을 시리얼 터미네이션 이라고 부르는데, 그 값은 PCB(인터커넥션)의 특성 임피던스에서 드라이버 출력 임피던스를 뺀 값이다.

드라이버와 직렬 저항을 물리적으로 충분히 가깝게 배치할 경우 그 둘은 하나로 lumped하게 볼 수 있다. 따라서 드라이버의 출력 임피던스와 저항 임피던스가 더해져서 그 값이 인터커녁션(PCB)의 임피던스와 같게 되면 반사가 발생하지 않는다.

그런데, 위 설명은 이상적인 것을 말하고 현실은 다소 다를 수 있다. 먼저 드라이버의 pull-up 특성과 pull-down 특성이 다를 경우를 흔히 볼 수 있는데, 그러면 pull-down 때의 저항 값과 pull-up 때의 저항 값이 달라야 하는데 이는 물리적으로 불가능하므로 둘 사이 값으로 적당히 타협을 보는 것이 일반적일 것이다. 물론 요즘처럼 기가 대역의 신호를 사용하는 경우는 칩 내에 드라이버의 pull-up/pull-down 임피던스를 정확히 50 ohm에 맞추도록 캘리브레이션 하는 기능이 내장되어 있는 경우가 많아, PCB 상에서 저항을 넣지 않아도 되는 경우도 있다.

여기서 고찰해 보고 싶은 것은 드라이버의 출력 임피던스를 정확히 잘 모를 때 혹은 정확히 알고 있더라도 의도적으로 인터커넥트의 임피던스와 맞추지 않고 싶은 경우이다. 자 여기에 출력 임피던스를 잘 모르는 드라이버가 있다고 하자. 직렬 저항 값을 얼마로 선택할 것인가?

여기에는 어느 정도 합리적인 가정이 필요하다(가정을 잘 하는 것도 기술이다). 드라이버의 출력 임피던스를 20~40 ohm 이라고 가정 하자. 인터커넥션의 임피던스를 50ohm으로 설계한다고 하면, 직렬 저항은 30~10 ohm이 되어야 할 것이다. 값의 폭이 넓다. 어떤 값을 선택할 것인가?

아마도 저항 값으로 가정의 중간인 20 ohm을 선택할 수도 있을 것이다. 그런데 여기서 의도적으로 10ohm이나 30 ohm을 선택할 수도 있는데, 어떤 경우에 그럴 수 있는지 살펴 보자.

신호의 동작 주파수가 GHz 대역의 고속 신호인 경우, 고주파 손실 크고 한 주기가 매우 짧기 때문에, 데이터 아이(eye)를 확보하는 것이 매우 중요하다. 따라서 신호 크기를 키운다는 관점에서 인터커넥션보다 드라이버+저항 임피던스가 작은 것이 유리하다. 따라서 의도적으로 저항 값을 10 ohm으로 선택할 수 있다. 이것은 고의적으로 링잉을 다소 만들 수 이지만 eye가 확보된다는 면에서 장점으로 작용한다. 또는 동작 주파수가 고속이 아닐지라도 인터커녁션의 길이가 매우 긴 경우 고주파 손실이 매우 많이 발생하는데 이것을 보상하는 차원에서 드라이버 + 저항 임피던스를 낮게 할 수 있다. 드라이버 단의 링잉 성분은 리시버 단에서 사라져 있을 것이다. 만약에 신호의 동작 주파수가 수십 MHz 대역이면서 신호 채널이 데이지 체인으로 구성된 경우,  임피던스 불연속이 불가피한 경우가 발생할 경우, 신호를 스트로빙 할 수 있는 구간이 매우 넓기 때문에 노이즈를 최대한 억제하는 것이 좋다. 노이즈는 변하는 전류량이 크기에 비례하기 때문에 변하는 전류량을 작게 하는 것이 유리하므로 직렬 저항 값을 30 ohm으로 선택할 수 있다.

직렬 저항 값을 항상 PCB 특성 임피던스에서 드라이버 임피던스를 뺀 것이라는 생각을 접어두고 필요에 따라서 값을 다소 키우거나 줄일 수도 있다는 생각을 할 필요가 있다.