접지설계 순서 및 접촉·보폭전압 저감

왜 배우는가: 접지설계 순서와 접촉·보폭전압 저감은 고압·특고압 수변전설비의 감전 안전을 좌우하는 기본 설계 절차이며, 기술사 시험에서 2교시 논술과 3교시 응용 문제로 반복 출제되어 IEEE Std 80의 설계 흐름을 체계적으로 익혀야 한다. 실무에서는 변전소·수변전실의 접지망 설계와 설계 검토 근거로 쓰인다.

출제 이력: 제139회 2교시 2번, 제130회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

접지설계는 고장전류 시 대지전위상승과 접촉·보폭전압을 허용한도 이하로 제한하도록 접지망을 계획·계산·보완하는 절차이다.

• 접지설계
• 대지전위상승(GPR)
• 접촉전압
• 보폭전압
• 허용접촉전압
• 접지망
• 표면층 저항
• 전이전압

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 사람이 전기 사고 현장에 서 있을 때 땅과 몸 사이에 걸리는 전압이 위험한지 미리 계산해 보고, 위험하면 접지망을 고쳐 설계하는 일이다. 접지는 사고전류를 땅으로 흘려보내는 통로이지만, 그 전류가 땅 속에 퍼지면서 주변 땅의 전위를 올린다.

정식 정의는 다음과 같다. 접지설계는 지락 등 고장전류가 접지망을 통해 대지로 유입될 때 발생하는 접지망 전위와 주변 대지의 전위분포를 구하고, 이것으로부터 접촉전압과 보폭전압을 산정하여 IEEE Std 80의 허용전압과 비교하는 설계 과정이다.

• 대지전위상승(GPR): 접지망에 고장전류가 흐를 때 접지망 전위가 원격 기준 대지에 대해 상승한 값이다. GPR = 접지망 전위와 원격 대지 사이 전위차이며, 접지저항에 고장전류를 곱한 값과 같다.
• 접촉전압: 사람이 접지된 구조물(금속 외함, 철구조물 등)을 만질 때, 손과 발이 닿은 지점 사이에 걸리는 전위차이다.
• 보폭전압: 사람이 두 발을 약 1m 벌린 상태에서 두 발 사이에 걸리는 전위차이다.
• 허용접촉전압·허용보폭전압: 인체 저항과 고장 지속시간을 기준으로 정한 인체 허용 한도다. 체중 50kg 또는 70kg 기준으로 나누어 계산한다.
• 표면층 저항: 접지망 위에 깔린 자갈 등 고저항 층으로, 발과 대지 사이의 접촉 저항을 높여 허용전압을 올리는 효과가 있다.

3. 등장 배경과 필요성

고압·특고압 계통에서는 고장전류가 수 kA에 이르므로 접지저항이 낮더라도 접지망 주변의 전위구배가 커질 수 있다. 저압 계통의 접지저항 기준만으로는 이 현상을 평가할 수 없어서, 변전소 등 대용량 접지망의 안전을 평가하는 기준이 필요해졌다. 그 대표적 기준이 IEEE Std 80(교류 변전소 접지 안전 지침)이다.

• 접지저항이 작아도 접지망 가장자리와 출입구에서 보폭·접촉전압이 허용값을 넘을 수 있다.
• 고장 시 울타리, 배관, 통신선 등 접지망 밖의 금속체로 전위가 전달되는 전이전압 문제도 함께 고려해야 한다.
• 따라서 설계는 접지저항 한 값이 아니라 전위분포, 허용전압, 고장 제거시간을 함께 검토하는 방향으로 발전했다.
• 수변전설비가 소형화되고 도심 건물 내부에 설치되는 추세에서도, 접지망 면적이 작으면 전위구배가 커지므로 설계 검토의 필요성은 커진다.
• 기술사 시험에서는 이 배경을 근거로 설계 순서와 저감 대책을 묻는 문제가 반복된다.

4. 구성요소·원리·절차

접지설계는 고장전류가 대지로 흐를 때 생기는 대지전위상승(GPR, Ground Potential Rise)과 접촉전압, 보폭전압을 계산해 허용 한도 이하로 제한하는 절차다. 설계 결과는 접지망의 형상과 도체 간격, 접지봉 배치로 결정된다.

접지시스템의 구성요소는 다음과 같다.

접지망 설계의 원리는 전류가 접지망에 분산되어 대지로 나가면서 전위구배가 완만해지는 것이다. 접지망 면적이 넓고 도체 간격이 촘촘할수록 표면 전위구배가 작아져 접촉·보폭전압이 줄어든다. 표면층 저항은 인체가 받는 전류를 제한해 허용 전압을 높이는 효과가 있다.

IEEE Std 80 기준의 설계 절차는 다음과 같다.

• 현장자료 조사: 토양 고유저항(필요 시 다층 토양모델), 지형, 매설물, 설비 배치를 파악한다.
• 고장조건 결정: 최대 지락전류, 접지망 유입 전류의 분담, 보호계전기와 차단기의 고장 제거시간을 정한다.
• 허용전압 산정: 고장 지속시간과 인체 조건, 표면층 저항을 반영해 허용 접촉전압과 허용 보폭전압을 설정한다.
• 접지도체 선정: 열적 내량과 기계적 강도로 단면적을 정하고 접속부 부식 대책을 검토한다.
• 초기 접지망 설계: 도체 간격, 매설 깊이, 외곽 형상, 접지봉 배치를 계획한다.
• 계산 및 판정: 접지저항, GPR, 망전압(메시 전압)과 보폭전압을 계산해 허용값과 비교한다.
• 보완 및 확정: 초과 시 망 간격 축소, 외곽 확장, 접지봉 추가로 반복 조정하고 전이전압과 시공·시험 계획을 확인한다.

계산은 다음 관계로 정리한다. 접지저항 R_g는 GPR =I_g \times R_g로 구하며, I_g는 접지망으로 흐르는 고장전류(A), R_g는 접지망 저항(Ω)이다. 계산된 망전압이 허용 접촉전압을 넘으면 도체 간격을 줄이거나 접지봉을 추가해 재계산한다.

[도식: 현장자료·고장조건 → 허용전압·도체 선정 → 초기 접지망 → 전압 계산·허용값 비교 → 보완 반복 → 최종 설계]

5. 관련 법령·기준·표준

접지설계의 핵심 기준은 IEEE Std 80(교류 변전소 접지 안전 가이드)이다. 이 기준은 옥외 교류 변전소의 접지와 절연을 인체 안전 관점에서 규정하며, 국내 고압·특고압 설계에서도 널리 참조된다. 접지 전위상승과 유도전압 계산은 IEEE Std 367과 함께 쓰인다. 국내 법적 접지 기준은 「전기설비기술기준」과 한국전기설비규정(KEC)에서 접지공사 종류와 접지저항을 정하며, 고압·특고압 접지공사 세부 조건은 해당 조문을 확인해 적용한다.

기준값 표는 다음과 같다.

위 표에서 허용 접촉·보폭전압은 인체 허용전류 식에 고장 지속시간과 표면층 저항을 대입해 구한다. 값 자체보다 식의 구조와 변수가 채점 근거가 된다.

6. 유형과 비교

접지설계에서 접촉전압과 보폭전압은 전위분포가 다르기 때문에 같은 방법으로 해석하지 않는다. 답안에서는 두 전압의 정의 차이와 저감 방향의 차이를 먼저 구분해 쓰는 것이 기본이다. 아래 표는 두 전압의 발생 경로와 계산상 위치를 비교한다.