접지도면 작성 및 접지도체 굵기 산정식

왜 배우는가: 접지도체 굵기는 고장 전류가 흘렀을 때 도체가 과열되지 않는 최소 단면적을 정하는 문제라서, 접지설계와 보호도체 선정의 출발점이다. 건축전기설비 실무에서 접지도면과 접지선 굵기 검토는 준공 검사와 감전 보호 성능을 좌우하며, 기술사 시험에서는 산정식과 기준 표준을 함께 묻는 형태로 반복 출제된다.

출제 이력: 제137회 1교시 6번, 제118회 4교시 3번, 제101회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

접지도체 굵기 산정은 고장 전류가 접지도체에 흘렀을 때 과열 없이 견딜 수 있는 최소 단면적을 계산하여 보호도체와 접지선의 크기를 정하는 절차이다.

접지도체 굵기는 고장 전류와 고장 지속시간으로 정한 최소 단면적 이상으로 선정한다.

핵심 키워드

• 접지도면: 접지극·접지선·등전위본딩 경로를 도면으로 나타낸 문서
• 접지도체: 접지전극과 설비를 잇는 도선으로, 접지선 또는 접지선(grounding conductor)이라고 부른다
• 보호도체(PE): 감전 보호를 위해 설비 노출 도전부를 접지하는 도체
• 고장 전류: 지락이나 단락 시 흐르는 전류, 산정의 입력값이다
• 고장 지속시간: 보호장치가 고장을 차단하기까지의 시간이다
• 허용온도 상수(K): 도체와 절연물의 재질별 열적 한계를 반영한 계수다
• 통합접지: 전기·통신·피뢰 접지를 하나의 등가 접지계통으로 묶는 방식이다

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 접지선은 사고 때 전류가 땅으로 빠져나가는 길이다. 이 길이 가늘면 전류가 흐르면서 도체가 뜨거워져 절연이 녹거나 불이 날 수 있다. 그래서 접지선 굵기는 "사고 전류를 견디는 최소 크기"로 정한다.

정식 정의는 다음과 같다. 접지도체 굵기 산정은 보호도체의 최소 단면적을 고장 전류의 크기, 고장 지속시간, 도체와 절연물의 허용온도 상수로 계산하는 절차다. 접지도면은 이 결과를 반영하여 접지극의 위치, 접지선의 경로와 규격, 등전위본딩 대상, 접지저항 측정점을 표시한 도면이다.

• 단열 조건: 고장 전류가 짧은 시간에 흐를 때 발열이 주위로 빠지지 않고 도체 온도를 올린다고 가정하는 조건이다. 산정식이 이 가정에 기초한다.
• 허용온도 상수(K): 도체 재질(구리, 알루미늄)과 절연물의 종류에 따라 정해지는 값이다. 온도 상한이 높은 절연물일수록 같은 전류에 대해 필요한 단면적이 줄어든다.
• 보호도체와 접지선의 관계: 보호도체는 감전 보호용 도체 전체를 뜻하고, 접지선은 접지극과 설비를 잇는 도체를 뜻한다. 두 도체 모두 같은 산정 원리를 적용한다.

고장 전류·고장 지속시간·허용온도 상수가 산정의 세 가지 입력이다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 접지는 한 설비의 금속 외함을 땅에 묶는 정도였다. 설비 수가 늘고 전력 공급 전압이 높아지면서, 고장 전류가 접지선을 통해 흐르는 경우가 늘었다. 접지선이 가늘면 과열로 절연이 파괴되고, 그 결과 접지 기능이 상실되어 감전 사고로 이어질 수 있다. 이 문제를 막기 위해 접지도체의 굵기를 계산으로 정하는 기준이 필요해졌다.

국제적으로는 IEC 60364 시리즈가 저압 전기설비의 기준을 정리했다. 이 시리즈의 접지 및 보호 관련 부분(Part 4: 안전을 위한 보호)과 접지·보호도체 부분(Part 5-54)이 접지도체 산정의 근거가 된다. 국내에서는 이 국제 기준을 바탕으로 KS C IEC 60364 계열 규격이 제정되어 사용된다.

통합접지가 보편화되면서 굵기 산정의 필요성이 더 커졌다. 전기 접지, 통신 접지, 피뢰설비 접지를 하나로 묶으면 여러 고장 경로가 한 도체군에 모인다. 따라서 통합접지 구간의 보호도체 단면적도 같은 원리로 검토해야 한다. 접지시스템 설계는 이 검토를 포함하며, 등전위 형성으로 접촉전압을 낮추고 기준전위를 확보하는 목적을 가진다.

접지도체 굵기 산정은 감전 보호와 기기 기능 확보를 위한 필수 설계 절차다.

4. 구성요소·원리·절차

접지도면은 접지극, 접지도체, 주접지단자, 보호도체, 등전위본딩 도체의 위치와 연결 관계를 한 장에 나타낸 도면이다. 접지도체 굵기는 고장 전류가 흐를 때 도체가 과열되지 않도록 정하는 값이다. 두 가지 방법을 함께 이해해야 답안을 완성할 수 있다.

접지도면에는 접지극의 종류와 매설 위치, 접지도체의 경로와 굵기, 주접지단자(MET), 보호도체(PE), 등전위본딩 도체를 표시한다. 접지저항 목표값과 측정 점검용 단자 위치도 함께 적는다.

표의 구성요소는 도면에서 모두 식별되어야 한다. 접지극과 접지도체의 연결점을 명확히 나타내는 것이 핵심이다.

접지도체 굵기의 기본 원리는 고장 전류의 열작용이다. 도체에 흐르는 고장 전류가 짧은 시간 동안 가해질 때 도체 온도 상승이 절연물 허용온도 이내에 머물러야 한다. 이때 열에너지는 전류의 제곱과 시간에 비례하므로 I^2 t 값이 중요한 변수가 된다.

KSC IEC 60364-5-54 방식의 계산식은 다음과 같다.

$S = \frac{I \sqrt{t}}{k}$

여기서 S는 보호도체의 최소 단면적(mm²), I는 고장 전류의 실효값(A), t는 자동 차단 시간(s), k는 도체 재질과 절연물 종류에 따른 상수이다. 구리 도체와 PVC 절연의 경우 k는 도체 재질과 절연물 종류별로 기준이 정한 값을 쓴다.

예를 들어 고장 전류 I, 차단 시간 t, 상수 k를 식에 대입하면 최소 단면적 S를 구할 수 있다. 계산 결과는 계산값 이상의 표준 규격으로 정한다.

IEEE Std. 80 계열 방식은 접지극 자체의 열용량에서 출발한다. 고장 전류 I와 시간 t에 대해 최소 면적 A를 구하는 식이 쓰인다.

$A_{\min} = \frac{I\sqrt{t}}{\sqrt{\dfrac{TCAP \times 10^{-4}}{\rho_r \alpha_r}\ln\left(\dfrac{K_0+T_m}{K_0+T_a}\right)}}$

여기서 TCAP는 체적 열용량, \rho_r는 기준온도에서의 도체 비저항, \alpha_r는 저항 온도계수, T_m은 허용 최고온도, T_a는 주위온도, K_0는 0℃ 기준 온도 상수이다. 기호의 단위는 식의 조건에 따라 맞춘다.

절차는 다음과 같다.

• 접지 고장 전류와 고장 제거 시간을 정한다.
• 도체 재질과 절연물의 허용온도를 정하고 상수 k 또는 열 상수를 찾는다.
• 위 식으로 최소 단면적을 계산한다.
• 계산값 이상의 표준 규격을 선정한다.
• 기계적 강도와 부식 여유를 확인하고 도면에 기재한다.

도식은 이 절차를 나타낸다.

접지도체 굵기는 고장 전류의 열작용으로 정하며 계산값 이상을 선정한다

5. 관련 법령·기준·표준

접지도체 굵기 산정은 국내 법령과 설계기준, 국제표준이 함께 적용된다. 법령은 공사 의무를 정하고, 기준은 산정 방법과 수치를 정한다. 국내에서는 전기설비 접지 규정이 기준이 된다.

표의 기준은 적용 대상과 목적이 다르므로 혼용하지 않는다. KEC는 국내 공사의 기준이고 IEC와 IEEE 방식은 산정 방법의 근거이다.

통합접지 시설 기준에서 보호도체 단면적은 계산식으로 구하거나 IEC 표로 구하는 두 방법 중 하나를 선택한다. 두 방법 모두 최소 단면적 기준을 함께 고려한다. 계산식으로 구한 값이 표의 값보다 작아도 최소 단면적 조건을 만족해야 한다.

통합접지의 접지저항 기준값은 10Ω 이하로 제시된 자료가 있다. 특고압 측 1선 지락 사고 시 저압 측 접촉전압이 허용값 이하가 되도록 접지저항을 낮게 유지한다.