1. 접지의 개요
1) 접지란
접지란 어떻게 쉽게 설명할 수 있을까?
종전의 접지기술은 전기안전 측면이 많았었다.
그러나 최근의 접지기술의 흐름을 보면 안전을 위한 접지는 물론 기준접지, 등전위 접지, 전위차, 대지전위상승(GPR), 전자파 장애(EMI), 전자파 적합성(EMC) 등의 용어가 많이 등장하고 있다.(이 곳에서는 지면 한계상 모든 부분을 상세히 설명할 수 없고, 다만 일반적인 내용을 중심으로 설명하겠음)
우선 접지에 대한 간단한 정의부터 보면, 안전(安全)과 안정(安定)을 목적으로 하는 것이 대부분이고, 가장 쉽게 설명하면 "대지에 전기적 단자를 시설하는 것"으로 영국에서는 EARTH, 미국에서는 GROUND라 하며, 우리나라에서는 접지라 하고있다.
접지설계는 변전소나 산업용 플랜트에서 실시하고 있는 대규모 접지설계와, 건축물 등에 적용하는 접지로 대별 할 수 있다.
접지는 피유도체를 대지와 똑같은 전위로 하는 것으로서, 대지의 표준 전위는 영전위기 때문에 그 물체의 전위를 대지와 같은 전위로 하며 최소의 전위차를 얻기 위하여 접지를 하는 것이다.
2) 각국의 접지규정
우선 각국의 접지 규정을 간략히 살펴보면 다음과 같다.
① 국내규정
국내 접지방식은 미국식과 일본방식을 혼용하여 사용하고 있으며, 이 근거는 일본 전기설비기술기준과 거의 유사하게 적용하고 있다.
그러나 일본의 경우는 1997년에 전기설비기술기준을 개정하면서 국제규격인 IEC에 맞도록 대폭 개정한점도 주목해야 한다.(즉 예전의 제1종 접지공사를 A종, 제2종 접지는 B종, 특별제3종 접지는 C종, 제3종 접지공사는 D종을 개정하였음)
국내의 경우 전기설비기술기준과 내선규정, 배전규정 등에 접지에 대한 규정이 되어 있으나 아직 IEC규정에는 따르지 못하고 있는 실정이다.
② 미국의 접지규정
미국의 접지규정은 크게 5가지 정도로 구분하여 설명할 수 있다.
→ National Electrical Safety Code
NESC에서는 접촉전압, 보폭전압, Mesh 전압등에 대해서만 규정되어 있다.
→ National Electrical Code
NEC는 제250조에 규정되어 있으며,
→ IEEE Std-142-(1998)
현재 가장 많이 적용하고 있는 접지규정이라 할 수 있다.
→ IEEE Std_142_(1991)
대용량 변전소, 송전선 또는 발·변전소의 접지 저항이 1Ω 이하로, 대용량설비의 접지저항치는 1~5Ω 이 적당하다고 요구 하고 있다.
IEEE Std_367_(1996)
대지전위상승에 대한 기술을 상세히 설명하고 있다.
③ 프랑스의 접지관련규정
RCC-E 규정은 발전소 접지저항을 1Ω이하로 유지하도록 규정하고 있음.
④ 캐나다의 접지규정
CSA C22.1_1994에서 규정하고 있다.
향후 각국의 접지규정과 적용에 대하여 자세히 설명할 기회가 있을 것으로 생각하며, 이 곳에서는 개념정도만 소개하였습니다.
3) 접지의 종류의 목적에 따라 분류
접지종류를 분류하기에는 혼란스럽지만 짧은 원고 내용상 다음과 같이 구분하였음.
① 보안용 접지 : 감전 및 화재방지
② 계통접지 : 저,고압 혼촉에 의한 재해방지
③ 기능용 접지 : 저오통신 및 전자계산기의 안정된 동작확보
④ 잡음 대책용 접지
⑤ 뇌해 방지용 접지
⑥ 정전기 방지용 접지
⑦ 방식용 접지
⑧ 의료용 접지
2. 접지방식의 종류
1) 단독접지
이상적인 독립접지란 2개의 접지극이 있을 경우 한쪽 접지전극에 접지전류가 흘러도 다른쪽 접지극에는 전혀 전위상승이 일어나지 않는 것을 말한다.
그러나 대도시에 좁은 건축공간에서 이상적인 접지를 하기 위해 무한거리로 접지를 실시 할 수 없어서 문제가 된다.
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그림1. 2개의 접지전극 간의 상호 간섭 |
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그림 2. 독립접지 전극 간의 간섭 |
표 1. 독립접지 이격거리(m)
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어떤접지전류 |
전위상승 허용값 ΔV |
||
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2.5V |
25V |
50V |
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10 |
63 |
6 |
3 |
|
50 |
318 |
32 |
16 |
|
100 |
637 |
64 |
32 |
타접지극 전위상승에 영향을 주는 이격거리 결정은
- 접지전류의 최대값
- 전위상승의 허용값
- 그 지점의 대지저항률에 따라 결정된다.
3) 공용접지
공용접지란 여러 다른시설인 전기설비, 통신시스템, 제어설비 및 피뢰설비와 같이 전체설비를 하나의 접지전극에 공통으로 접속하여 사용하는 접지방식을 말한다.
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○표 접지를 요하는 기계, 기구 |
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그림 3. 접지방식의 형태 |
① 각각 다른 목적이나 종류의 접지를 상호 연접시키는 접지
② 신뢰도 및 경제성이 우수하다.(단독접지에 비해)
③ 접지선이 짧아지고 접지계통이 단순하므로 보수점검이 용이하다.
④ 공용접지의 문제점
- 공용으로 하는 하나의 전극에 접지전류 발생시 공용으로 하는 타 접지극의 전위상승파급이 발생한다.
- 대책으로는 접지저항을 낮게 할 수 있는 방법을 구사 → 건축구조체 접지 활용
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그림 4. 공용접지의 전위상승 |
그림 4-1 IEC 규정에 의한 공용접지 구성 예
4) 전자계산기의 기준전위 확보 및 잡음방지용접지
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그림 5. 접지시스템 |
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그림 6. 기준접지에 의한 접지 임피던스의 저감 |
3. 저압계통의 접지종류(IEC규정)
저압계통의 접지방식은 지락보호시스템, 감전보호 측면의 기기접지와 EMC & EMI 측면의 접지방식 등을 종합적으로 검토해야 한다.
IEC에서는 변압기 중성점 접지, 중성선과 보호도체의 사용여부에 따라 계통접지방식을 구분하고 있으나 국내는 계통접지방식에 상관없이 기기 접지방식을 혼용하고 있으며, 이에 대한 기술이 미흡한 실정이다.
3.1 저압계통의 접지 종류
① 제 1문자는 전력계통과 대지의 관계
T : 한 점을 대지에 직접 접속
I : 모든 충전부를 대지(접지)로부터 절연시키거나 임피던스를 삽입하여 한 점을 접속
② 제 2문자는 설비의 노출 유도성 부분과 대지와의 관계
T : 전력계통의 접지와는 관계가 없으며 노출 도전성 부분을 대지로 직접 접속
N : 노출 도전성 부분을 전력계통의 접지점(교류계통에서는 통상적으로 중성점 또는 중성점이 없을 경우는 한상)에 직접 접속
③ 그 다음 문자(문자가 있을 경우)중성선 및 보호도체와의 조치
S : 보호도체의 기능을 중성선 또는 접지측 도체와 다른 도체에서 실시
C : 중성선 및 보호도체의 기능을 한 개의 도체로 겸용
3.1.1 TN 계통
TN 전력계통은 한 점을 직접 접지하고 설비의 노출 도전성 부분을 보호도체를 이용하여 그 점으로 접속시킨다.
TN 계통은 중성선 및 보호도체의 조치에 따라 다음 3가지 종류로 나눌 수 있다.
① TN-S : 계통전체에 대해 보호도체를 분리시킨다. 이 방식은 EMI 측면에서 바람직한 방식이다.
② TN-C-S : 계통의 일부분에서 중성선과 보호도체의 기능을 동일 도체로 겸용한다.
③ TN-C : 계통 전체에 대한 중성선과 보호도체의 기능을 동일 도체로 겸용한다.
이 방식은 누전차단기를 사용하기가 곤란하다.
그림 7) TN-S 계통
그림 8) TN-C-S 계통
그림 9) TN-C 계통
3.1.2 TT 계통
이 방식은 일본 또는 우리나라와 같이 전력계통의 한 점을 직접접지하고 설비의 노출 전도성 부분을 전력계통의 접지극과 전기적으로 독립한 접지극으로 접속시킨다.
이 방식은 저압으로 수전받는 일반용 전기설비의 경우 전력회사의 계통접지 방식과 수용가 구내의 기기접지와 접지극을 분리하는 방식으로 국내에 적용되고 있다.
따라서 지락사고시 과전류 차단기로 5초 이내에 고장점 제거가 곤란한 경우가 발생할 수 있으므로 누전차단기를 사용해서 지락점을 제거한다.
그러나 고압으로 수전받는 자가용전기설비의 경우에는 신중한 검토가 필요하다.
예를들어 구내에서 1선지락 사고가 발생하면 지락전류는 대지를 통해 분류하므로 주변의 자동화 시스템에 영향을 주어 그 피해가 크게된다. 또한 계통접지와 기기접지를 TT 계통으로 할 경우 접지극간의 전위차가 발생하므로 자동화 시스템의 트러블의 원이이 되기도 한다.
그림 10) TT 계통
3.1.3 IT 계통
이 방식은 충전부 전체를 대지로부터 절연시키거나 한 점을 임피던스를 삽입하여 대지에 접속시키고 전기설비의 노출도전성 부분을 단독 혹은 일괄로 접지 시키거나 또는 계통의 접지로 접속시킨다.
예를 들어 이 방식은 저압 계통에서 대지 정전용량을 고려하여 지락전류를 1~5A 정도로 제한할 때 적용할 수 있으나, 지락전류 검출방법에 주의가 요구되며, 배선용차단기에 의한 지락보호 협조가 용이하지 못하므로, 저압 계통에 확대하기 보다는 지락차단으로 인해 그 피해가 커서 일시적인 운전을 요구하는 시스템에 한정하여 적용하는 것이 유리하다. 따라서 지락사고시 고장지속감시장치등이 필요하다.
그림 11) IT 계통
4. 접지저항 저감법
1) 개요
접지저항 저감법은 물리적 저감방법과 화학적 저감방법이 있다.
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2) 물리적 저감방법
① 접지극의 병렬 접속 및 치수 확대
㉠ 연결개수 및 면적을 증가시켜 접지저항치를 낮추는 방법
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그림 12. 접지판면적과 접지저항과의 관계 |
㉡ 병렬접속시 주의사항
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n : 집합계수(전극간격이 멀수록 1에 가까워 진다) |
표 2. 접지극 연결 개수에 따른 저항 변화
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구 분 |
접지저항 값 |
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2개 연결 3개 연결 4개 연결 5개 연결 |
1개 연결시 저항값의 55[%] 1개 연결시 저항값의 40[%] 1개 연결시 저항값의 30[%] 1개 연결시 저항값의 25[%] |
② 매설깊이를 깊게 한다.
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그림 13. 매설깊이와 접지저항값의 관계 |
③ 봉상접지시 유의사항
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그림 14. 지층 모델 |
대지저항률이 ρ₁>ρ₂>ρ₃일 경우 심파공법이 유리, ρ₁<ρ₂<ρ₃일 경우 병렬공법이 유리
④ 매설지선 공법
송전선의 철탑, 소규모 발전기 또는 피뢰기 등의 낮은 저항 값을 필요로 하는 장소에서 채용되는 공법
⑤ Mesh 공법
고장전류가 큰 곳이나 대지가 넓은 신설 플랜트에 설치
3) 화학적 저감방법
① 접지극이 매설되는 토양의 대지저항률을 보위적으로 낮추기 위해서 사용하는 재료를 접지저항 저감제라 한다.
② 저감제의 조건
㉠ 저감효과가 크고 저감효과가 영속적일 것
㉡ 접지극의 부석이 안될 것
㉢ 공해가 없을 것
㉣ 경제적이고 공법이 용이할 것
4) 저감제 종류
화이트아스론 티코겔
5) 저감제 시공방법
① 타입법
막대모양 접지전극에 대한 것으로 타입할 구멍에 저감재를 유입하는 방법인데 토질에 따라서는 보링하는 경우도 있으며 이때에는 전극의 틈새에 저감재를 주입한다.
② 보링법
막대모양 접지전극 대신에 선모양, 띠모양 접지 전극을 포설하는 경우로 보링공법으로 구멍을 뚫어 전극을 설치한 후 그 속에 저감재를 주입시킨다.
③ 수반법
접지전극 부근의 대지에 저감재를 뿌리는 방법이다.
④ 구법
접지전극 주변에 고리모양의 홈을 파서 그 속에 저감재를 유입시키는 방법이다.
⑤ 체류조법의 (a)
접지전극의 주위에 저감재를 넣어 되메우기를 하는데 구덩이의 바닥면, 벽면은 밀도가 큰 진흙 등으로 어느 정도의 방수를 하여 물의 칩입을 막는 동시에 저감재라 흩어지는 것을 막는 역할도 한다.
⑥ 체류저법의 (b)
제류조법의 (a)의 시공방법과 동일하며 그물 모양 접지전극의 경우에 시공한다.
따라서 시공방법의 장·단점은 저감재의 종류나 접지전극의 종류, 공사지점의 토질에 따라 다양하고 또 작업성이나 효과의 측면도 고려하여야 하므로 한마디로 어느 시공방법이 좋다고 말할 수는 없다.
5. 접지저항 측정법
1) 전위강하법(Ⅰ)
① 정의
하나의 전극에 있어 이것에 접지전류 I[A]를 유입하면 접지전극의 전위가 주변의 대지에 비해 V[V]만큼 높아지는데 이때 전위상승값 접지전류의 비 V/I[Ω]을 그 접지전극의 접지저항으로 한다.
② 구성 및 측정방법
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그림 15. 전압강하법의 구성 |
전위강하법의 구성은 그림 10과 같으며 그림에서 E는 측정의 대상이 되고 있는 접지전극이고, C, P는 측정용의 보조전극으로 E로부터 적당한 거리에 박는데, C가 전류보조극, P가 전위보조극이다.
측정에 있어서는 E, C간에 전원을 이어서 대지에 전류를 흘리는데 이 전류에는 교류를 쓴다. 그 이유는 직류를 쓰면 전기화학작용이 생기기 때문이다.
또, 교류의 주파수로는 전력계통으로부터의 유도신호를 분리하기 쉽도록 상용 이외의 주파수를 쓰고 있으나 교류의 주파수로서 너무 높은 것을 쓰면 리드선의 인덕턴스나 정전용량이 살아나 좋지 않으므로 1[kHz] 이하가 좋다. 전위 보조극 P에 의해 EP간의 전위강하(전위차)를 측정하는데 대지에 흘린 전위를 I[A], EP간의 전위차를 V[V]라 한 경우 V/I[Ω]을 접지저항의 측정값으로 한다.
2) 전위강하법(Ⅱ)
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그림 16. 전위강하법(Ⅱ) |
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그림 17. 전위강하법 Ⅱ의 데이터 처리방법 |
이 방법은 대규모 접지체(예로, 메시(mesh)전극, 건축구조체 등)의 측정에 많이 쓰이며, 접지저항이 아주 낮아 유도의 영향을 받기 쉽기 때문에 20∼30[A]의 측정 전류를 흘릴 필요가 있다. 이 방법에서 문제가 되는 것은 전위극의 이격거리인데 전위극을 멀리 떨어진 곳에 박으려는 생각은 대상접지극의 전위상승이 무한 원점에 대한 전위라는 접지저항의 정의를 충실히 지키려는 의도에서 나온 것이다.
그러나 현실적으로는 이상적인 무한 원점이란 있을 수 없으며 그래서 가능한 한 멀리 전위극을 막으려 하는데 전극의 방향은 전류회로에서 직각방향으로 하는 것이 바람직하다.
그 이유는 20∼30[A]나 흐르고 있는 전선에 병행해서 전위측정선을 포설하면 유도의 문제가 나오기 때문에 그것을 피하기 위해서이다.
그러나 직각방향으로 해도 유도장해를 완전히 무시할 수 있다고는 할 수 없다. 그래서 고안된 것이 그림 12의 방법이다.
즉, 그림 11에서는 극성전환 스위치를 쓰면 전압의 측정값으로서 Vs₁, Vs₂를 얻는데, 이들은 벡터도로 나타내면 그림 11과 같이 되고 측정회로의 전원을 끊었을 때에 진공관 전압계에 나타나는 전압은 대지의 부유전위인데 이것을 V0으로 하면 그림 12의 벡터와 같이 그릴 수 있다.
이들 측정값을 처리함으로써 대상으로 하는 측정접지전극의 이상적인 전위를 얻을 수 있고(전위는 그림 12에 나타낸 계산식으로 구할 수 있다)접지저항은 회로전류와 측정전압을 데이터 처리한 전위에 의해 얻을 수 있다.
3) Hook-on식 접지저항계
① 특징
- 22.9[kV-Y] 다중접지 배전선로에서 중성선을 연접하여 시설된 접지선의 접지저항치를 측정시 중성서에서 분리하지 않고 측정이 가능하며,
- 측정용 보조전극을 설치할 필요가 없다.
- 도시의 배전선로 접지저항 측정이 용이
- 측정에 소요되는 시간도 전위차계 방식보다 짧다.
- 단점 : CT가 설치되어 있어 약간 무건운 점이다.
② 원리
Rx : 피측정용 접지저항
R : 츨력조정용 저항
R0 : 연접 접지저항
4) Wenner의 4극전법
① 원리
4개의 전극(C₁, P₁, P₂, C₂)을 일직선 동간격으로 설치하여 C₁, C₂에 교류전류를 보내어 P₁, P₂간의 전압측정
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에서 ρ=2πaR[Ωm] |
(ρ : 흙의 저항률, a : 전극간의 거리, R : 저항값)
매설깊이 d는 d≥a/20이어야 한다.
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그림 18. Wenner의 4전극법 원리도 |
[참조]<!-- //포스팅 -->
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접지선의 굵기
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