중성점 접지저항기(NGR)

왜 배우는가: 중성점 접지저항기(NGR)는 고압 배전계통에서 지락전류를 제한해 기기 손상과 이상전압을 줄이는 핵심 장치다. 시험에서는 NGR 값 계산, 역할, 적용 조건을 함께 묻는 문항이 반복해서 나온다.

출제 이력: 제126회 1교시 10번, 제95회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

중성점 접지저항기(NGR)는 변압기 중성점과 대지 사이에 저항을 넣어 1선 지락 시 지락전류를 설계값 이하로 제한하는 장치다.

핵심 키워드

• 중성점 접지
• 지락전류 제한
• 저저항접지
• 고저항접지
• 유효접지
• 대지전위 상승
• 이상전압 억제
• 지락 보호 계전기

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 NGR은 변압기 중성점에 넣는 저항이다. 땅으로 흐르는 고장 전류의 크기를 정해 주는 장치라고 보면 된다.

정식으로는 중성점과 대지 사이에 저항을 삽입하여 1선 지락 사고 시 흐르는 전류를 제한하는 접지방식을 저저항접지라 한다. 이때 사용하는 저항기가 NGR이다. 저항값이 크면 고저항접지, 작으면 저저항접지로 구분한다. 직접접지는 저항이 없는 경우이고, 저항을 넣어 전류를 제한하는 방식이 저저항접지다.

핵심 용어 풀이

• 지락전류(I_g): 전로의 한 상이 대지와 접촉할 때 흐르는 전류다. NGR을 쓰면 지락전류는 상전압과 저항으로 정해진다.
• 유효접지: 1선 지락 시 건전상의 대지전위 상승이 1.3배 이하로 억제된 상태다. 직접접지와 저저항접지가 이 조건을 만족하도록 설계한다.

지락전류 계산식은 다음과 같다. $I_g = \frac{V/\sqrt{3}}{R_N}, \quad R_N = \frac{V/\sqrt{3}}{I_g}$ 여기서 V는 계통 선간전압(V), R_N은 NGR 저항(Ω), I_g는 1선 지락전류(A)다.

예를 들어 계통전압 6.6kV에서 지락전류를 100A로 제한하려면 상전압은 6600/√3 ≈ 3810V다. 따라서 R_N = 3810V / 100A ≈ 38.1Ω이 된다. 결과는 수십 Ω 범위로 상식과 맞다. 같은 계통을 직접접지하면 지락전류는 수 kA 수준까지 커질 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

직접접지 계통은 중성점이 대지에 직접 연결되어 1선 지락 시 지락전류가 매우 크다. 큰 전류는 변압기와 케이블의 열적·기계적 손상을 일으키고, 인접 통신선에 유도장해를 준다. 또 전압강하로 건전한 부하의 운전에도 영향을 준다.

반대로 비접지 계통은 지락전류가 작아 보호가 쉬워 보이지만, 간헐 아크 지락 때 건전상 전압이 크게 올라가는 문제가 있다. 선간전압 수준까지 상승한 과전압이 절연을 손상시키고 2차 사고로 이어질 수 있다. 이 두 방식의 한계를 줄이기 위해 중성점에 적정 저항을 넣는 방식이 도입됐다.

NGR의 필요성은 세 가지로 정리된다. 첫째, 지락전류를 제한하여 기기와 케이블의 손상을 줄인다. 둘째, 지락 시 대지전위 상승과 간헐 아크에 의한 이상전압을 억제한다. 셋째, 지락전류가 보호계전기가 확실히 감지할 만큼 충분히 흐르도록 하여 고장 제거를 확실하게 한다.

이 세 가지 목표는 서로 상충한다. 전류를 줄이면 손상은 줄지만 계전기 감도가 떨어진다. 그래서 NGR 값은 계전기 동작 전류와 기기 허용 전류를 함께 보고 정한다. 이 균형이 NGR 적용 문항의 핵심 논리다.

4. 구성요소·원리·절차

중성점 접지저항기(NGR)는 변압기 중성점과 대지 사이에 삽입하는 저항기다. 저항을 통해 흐르는 지락전류를 제한하는 것이 목적이다. 구성은 저항체, 중성점 접지 변압기 또는 중성점 연결 도체, 저항기 감시 및 보호계전 회로로 이루어진다.

저항접지(Resistance Grounding) 는 중성점을 저항으로 접지하는 방식이다. 1선 지락 시 중성점 전위가 상전압으로 상승하는 것을 저항이 억제하여 지락전류를 제한한다.

NGR은 지락전류를 제한하고 건전상의 대지전위 상승과 이상전압을 억제하는 장치다.

지락 시 흐르는 전류는 다음 식으로 구한다.

$I_g = \frac{V_p}{R_N}$

여기서 I_g는 지락전류[A], V_p는 상전압[V], R_N은 중성점 저항[Ω]이다. 선간전압 V로 쓰면 V_p = V/\sqrt{3} 이다.

1선 지락 시 동작 절차는 다음과 같다.

• 1선 지락 발생으로 중성점 전류가 NGR을 통해 대지로 흐른다.
• NGR 양단에 전압이 생기고 중성점 전류가 제한된다.
• 영상전류 검출 회로(지락 계전기)가 지락을 감지한다.
• 계전기가 차단기를 트립시켜 고장 구간을 분리한다.
• 감시회로가 저항기 접지 단선 여부를 확인하고 이상 시 경보한다.

지락전류 제한(Fault Current Limiting) 은 NGR의 가장 중요한 기능이다. 지락전류가 제한되면 설비 손상과 아크 확대를 줄일 수 있다. 동시에 계전기가 확실히 동작할 만큼의 전류는 흐르도록 저항값을 선정해야 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

NGR 관련 기준은 전기설비기준과 접지 공사 기준에 나뉜다. 한국전기설비규정(KEC)은 2021-01-01부터 적용되며, 접지 공사 종별과 접지저항 값을 정한다. 중성점 접지 방식의 선정과 지락 보호는 전기설비기술기준과 KEC의 접지 및 보호 조항에 따른다.

직접접지와 저항접지의 기준 값은 다음 표와 같다.

계산 예로 계통전압 6.6kV를 저항접지할 때 지락전류 100A를 얻으려면 다음과 같이 구한다.

$V_p = \frac{6600}{\sqrt{3}} \approx 3810\text{ V}$

$R_N = \frac{V_p}{I_g} = \frac{3810}{100} \approx 38.1\ \Omega$

결과 38.1Ω은 수십 Ω 규모로 상식 범위에 있다. 이 값은 지락전류 제한 목표에서 계산한 것이며 접지 공사 저항과는 구분한다.

지락전류 100A 기준의 저항은 약 38Ω이다. 실제 선정은 계통 용량과 계전기 정정에 맞춘다.

6. 유형과 비교

중성점 접지 방식은 중성점을 대지에 연결하는 방법에 따라 직접접지, 저항접지, 소호리액터접지, 비접지로 나뉜다. NGR을 쓰는 방식은 저항접지이며, 직접접지와 비접지의 중간 성격을 가진다.