망상접지극 설계

왜 배우는가: 망상접지극은 변전소·대규모 건축물의 접지 성능과 인체 안전을 결정하는 기본 설계 대상이다. 접촉전압과 보폭전압을 허용치 이하로 억제하는 설계 논리를 이해해야 설계 계산과 개선 방안을 답안에 정확히 적을 수 있다. 기술사 시험에서 설계 단계와 수정 요소를 묻는 문항으로 반복 출제되었다.

출제 이력: 제126회 4교시 4번, 제103회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

망상접지극 설계는 수평 도체(메시)와 접지봉을 격자로 배치해 지락 시 접촉전압과 보폭전압을 허용치 이하로 억제하고 접지저항을 목표값 이하로 만드는 설계 작업이다.

• 망상접지극
• 접촉전압
• 보폭전압
• 접지저항
• 대지저항률
• 접지도체 굵기
• IEEE Std 80

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 전기설비에서 지락이 나면 전류가 접지극을 통해 땅으로 흘러 들어가고 그 주변 땅의 전위가 올라간다. 이때 사람이 기기를 만지거나 두 발이 벌어진 상태에서 그 전위차를 받으면 감전된다. 망상접지극은 이 전위 상승을 땅속에서 고르게 분산시키도록 수평 도체를 격자 모양으로 깔고 접지봉을 보강하는 방식이다.

정식으로는 접지시스템(Grounding System)이 대지와 전기적으로 접속되어 고장 전류를 대지로 흘리는 도체 배열을 말한다. 망상접지극은 그중 수평 도체가 격자(메시)를 이루는 형태다. 격자 간격이 좁을수록 메시 내부의 전위 기울기가 완만해져 접촉전압과 보폭전압이 낮아진다.

접지저항(Ground Resistance)은 접지극에서 원격 기준 대지까지의 저항이다. 설계 목표는 접지저항을 낮추는 것 자체보다 접지 전위상승(GPR, Ground Potential Rise)을 허용 접촉전압 안으로 가두는 것이다. 접지저항이 낮아도 고장 전류가 크면 GPR이 커지므로, 두 값을 함께 봐야 한다.

접촉전압(Touch Voltage)은 지락 시 접지된 구조물과 사람이 손으로 닿는 지점 사이에 걸리는 전위차다. 보폭전압(Step Voltage)은 사람의 두 발 사이, 약 1m 간격에 걸리는 전위차다. 두 값 모두 인체 저항과 체중 조건을 가정해 허용치를 정한다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 접지는 접지저항만 낮추면 충분하다고 보았다. 그러나 대용량 변전소가 늘고 고장 전류가 커지면서 접지저항이 작아도 GPR이 높아져 주변 금속체와 사람에게 위험한 전위가 전달되는 사고가 문제가 되었다. 그래서 전위분포 자체를 설계 대상으로 삼는 방식이 필요해졌다.

이 배경에서 IEEE Std 80 같은 안전 기준이 접촉전압·보폭전압의 허용 한계와 계산 방법을 체계화했다. 망상접지극 설계는 이 기준에 따라 메시 간격, 도체 굵기, 접지봉 위치를 정하고, 계산된 접촉·보폭전압이 허용치를 넘으면 설계를 수정하는 반복 절차로 발전했다.

또한 건축물 내부에서는 기기 등전위 연결, 접지극 면적 확보, 도체 연속성 확보가 요구된다. 망상접지극은 이런 요구를 한 번에 만족시키는 기본 구조다. 시험에서 이 개념을 묻는 이유는 설계 단계와 수정 요소를 체계적으로 설명하는 능력을 보기 위해서다.

[도식 생략]

4. 구성요소·원리·절차

망상접지극은 수평도체(메시 도체)와 수직 접지봉을 격자 형태로 연결한 접지시스템이다. 구성요소는 다음과 같다.

원리는 접지전극에서 대지로 흐르는 고장전류가 메시 전체에 분산되는 것이다. 메시 간격을 좁히면 전위 기울기가 완만해져 접촉전압과 보폭전압이 줄어든다. 접지저항은 전극 크기와 대지저항률로 결정되며, 대지저항률이 낮을수록 같은 면적에서 저항이 작아진다.

설계 절차는 다음과 같다.

• 대지저항률 측정으로 토양 모델(균일 또는 2층)을 정한다.
• 고장전류 크기와 고장 지속시간을 정한다.
• 허용 접촉전압과 허용 보폭전압을 체중과 지속시간으로 계산한다.
• 메시 간격과 도체 굵기, 매설깊이를 가정해 접지저항과 GPR(접지 전위상승)을 계산한다.
• 메시 전압(접촉)과 보폭전압을 계산해 허용값과 비교한다.
• 초과하면 메시를 조밀하게 하거나 접지봉을 추가해 재계산한다.

핵심 공식은 IEEE Std 80의 허용 전압식이다.

$E_{touch} = \frac{(1000 + 1.5C_s\rho_s)\,0.116}{\sqrt{t_s}}\quad E_{step} = \frac{(1000 + 6C_s\rho_s)\,0.116}{\sqrt{t_s}}$

여기서 \rho_s는 표층 저항률(Ω·m), C_s는 표층 감소계수, t_s는 고장 제거시간(s)이다. 상수는 체중 등 허용 조건에 따라 정해지는 값이다.

메시 간격과 접지봉 배치로 접촉·보폭전압을 허용값 이하로 낮춘다

5. 관련 법령·기준·표준

망상접지 설계의 기준은 IEEE Std 80(변전소 옥외 교류 접지의 안전 지침)이다. 국내 전기설비는 한국전기설비규정(KEC)의 접지 규정을 함께 따른다. IEEE Std 80은 접촉전압·보폭전압의 허용 한계와 메시 전압 계산 방법을 제시한다. IEEE Std 367은 발전소 GPR과 유도전압 산정 방법을 다룬다. 두 표준은 IEEE Std 80의 검토 단계에서 함께 쓰인다.

기준 수치는 다음 표에 정리한다.

개정 연혁은 다음과 같다. IEEE Std 80은 여러 차례 개정되며 계산 절차가 정비됐다. IEEE Std 80의 최신 개정 흐름이 이어진다. 국내 적용에서는 전기설비기준 체계가 한국전기설비규정으로 정비된 뒤 접지 규정을 따른다.

허용 접촉전압은 고장 제거시간의 제곱근에 반비례한다.

6. 유형과 비교

망상접지극은 설계 목적과 구조에 따라 여러 형태로 나뉜다. 가장 기본이 되는 구분은 접지극의 배치 방식과 그 위에 더하는 보조 접지극의 유무다. 설계자는 부지 면적, 대지저항률, 고장전류 크기를 기준으로 형태를 고른다.