전위강하법

왜 배우는가: 전위강하법은 접지저항을 직접 측정하는 대표적 방법으로, 접지시스템 준공 검사와 유지관리에서 가장 널리 쓰인다. 측정값이 보조전극 위치에 따라 달라지는 원리를 이해해야 올바른 측정과 판단이 가능하며, 시험에서도 정의, 전위분포, 61.8% 조건이 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제128회 2교시 6번, 제92회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전위강하법은 접지극에 전류를 흘리고 전위 보조전극의 전위를 측정하여 접지저항을 구하는 방법이다. 접지극과 전류 보조전극 사이에 전류를 흘려 전위 보조전극의 전위차를 측정하고, 그 값으로 접지저항을 구하는 3극 측정법이다.

키워드

• 전위강하법(Fall-of-Potential Method)
• 저항구역(Resistance Area)
• 전류 보조전극(C)
• 전위 보조전극(P)
• 0전위(Zero Potential)
• 61.8% 법칙
• 대지저항률

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 접지극 주변 땅에 전류를 보내고, 땅 위 여러 지점의 전위를 재어 접지극 자신의 저항을 분리해 내는 방법이다. 접지극에 흘린 전류가 땅으로 퍼지면서 전위가 점차 떨어지기 때문에, 떨어지는 모양을 보면 접지저항을 읽을 수 있다.

정식 정의는 다음과 같다. 접지극 E와 전류 보조전극(C) 사이에 교류 전류 I[A]를 흘리고, E와 전위 보조전극(P) 사이의 전압 V[V]를 측정한다. 접지저항은 R = V / I [Ω]로 구한다. 이 방법은 옴의 법칙을 이용한 것이며, 계기가 저항값을 직접 나타내도록 구성할 수 있다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 저항구역: 접지극에서 전류가 흘러 전위가 상승하는 대지 영역이다. 전위 상승이 0이 되는 기준점(원격 지점)까지의 범위다.
• 0전위: 전류 보조전극이 충분히 멀리 있을 때 전위 상승이 사실상 없는 지점이다.
• 전류 보조전극(C): 접지극에 전류를 되돌려 받는 전극이며, 저항구역 밖에 설치한다.
• 전위 보조전극(P): 접지극 주변 전위를 재는 전극이다.

측정 시 보조극 C는 접지극 E의 저항구역 안에 들지 않도록 설치하고, 보조극 P는 0전위 위치에 매설해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

지락 사고가 발생하면 접지극 주변에 전위 상승이 생긴다. 접지저항이 낮을수록 이 상승이 작아져 인체 감전과 설비 손상을 막을 수 있다. 따라서 접지저항을 정확히 확인하는 측정법이 필요하다.

접지극 자체의 저항만 분리하여 재기는 어렵다. 대지는 전극 주변에 넓게 분포한 저항이기 때문이다. 전위강하법은 이 분포를 전위 곡선으로 드러내어, 저항구역의 영향을 제거한 접지저항을 구할 수 있게 한다. 콜라우시 브리지법과 비교하면 측정 절차가 단순하고 널리 쓰인다.

이 측정은 접지극 규모의 6.5배 이상 또는 80m 이상 이격 조건을 기준으로 전류 보조전극을 설치하는 것이 일반적이다.

4. 구성요소·원리·절차

전위강하법은 측정 대상 접지극 E에 전류를 흘리고, 그 전류가 만드는 대지 전위분포를 보조전극으로 읽어 접지저항을 구하는 방법이다. 구성요소는 측정대상 접지극(E), 전류 보조전극(C), 전위 보조전극(P), 그리고 측정기(접지저항계 또는 전압계·전류계)이다.

전위강하법의 원리는 옴의 법칙이다. 전류 I가 대지에 흐르면 E와 P 사이에 전위차 V가 생기고, 두 값의 비가 접지저항이 된다.

$R = \frac{V}{I}$

여기서 R은 접지저항(Ω), V는 E–P 사이 전위차(V), I는 E–C 사이로 흐르는 대지 전류(A)다. 전위 보조전극 P를 E와 C 사이에서 한 점씩 옮기며 R을 구하면, 그 결과가 전위분포곡선이 된다. 이 곡선에서 평평한 구간(저항구역)의 값이 접지저항 참값이다. 측정 후에는 전위 보조전극 P 위치에서의 저항값을 거리에 대해 그래프로 나타내고 판단한다.

측정 절차는 다음과 같다.

• 측정대상 접지극 E에서 충분히 떨어진 곳에 전류 보조전극 C를 설치한다. 접지극 규모의 6.5배 이상 또는 E–C 간 80m 이상 이격을 기준으로 한다.
• E와 C 사이 일직선상에 전위 보조전극 P를 설치한다.
• E–C 사이에 교류 전류를 흘리고 P를 E 쪽에서 C 쪽으로 일정 간격 이동하며 각 위치에서 V와 I를 측정한다.
• 각 위치의 R = V/I를 계산하여 P 위치에 대해 그래프를 그린다.
• 그래프에 평평한 구간이 나타나면 그 값을 접지저항으로 판정한다.
• C를 E에 가깝게 두어 평평한 구간이 없으면 측정 불량으로 보고 C를 더 멀리 옮겨 다시 측정한다.

E–C 간 80m 이상

전위 보조전극 P를 E–C 거리의 61.8%에 두면 측정 오차가 최소가 된다

5. 관련 법령·기준·표준

접지저항 측정 방법 자체는 법령에 직접 규정되어 있지 않다. 측정 대상이 되는 접지저항 기준은 기술기준에서 정한다. 아래 표는 측정 방법과 관련해 확인된 기준과 수치다.

통신관련시설 접지저항 기준은 「접지설비·구내통신설비·선로설비 및 통신공동구등에 대한 기술기준」에서 정한다. 이 기준은 접지저항 값과 접지선 굵기를 규정하며, 측정 방법 자체는 다루지 않는다. 전위강하법의 61.8%와 검증 지점은 측정 교재의 기준이며, 법령 조문으로 확인된 값이 아니다.

건축전기설비 분야의 접지저항 기준(KEC 기준 접지 극 설계)은 본 자료에 조문이 없어 값을 쓰지 않는다. 전위강하법은 그 기준을 확인하는 측정 수단으로 쓰인다.

6. 유형과 비교

접지저항 측정법은 전위강하법 외에 콜라우시 브리지법, 접지저항계(클램프식) 측정법 등이 있다. 측정 원리와 보조전극 배치가 달라 시험 문항에서 자주 짝지어 비교된다.