접지전극 설계

왜 배우는가: 접지전극 설계는 건축물 전기설비의 감전 보호와 뇌서지·지락 전류 처리를 좌우하는 기본 설계다. 대지저항률 측정, 접지공법 선정, 접촉전압과 보폭전압 검토가 한 흐름으로 묶여 시험에서 반복적으로 묻는다.

출제 이력: 제128회 2교시 5번, 제115회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

접지전극 설계는 대지 조건을 반영해 목표 접지저항을 만족하는 전극을 정하는 일이다.

• 접지전극
• 대지저항률
• 접지저항
• 접촉전압
• 보폭전압
• 접지공법
• 통합접지

2. 개념 풀이

쉬운 말로 줄이면 사고 전류를 땅으로 안전하게 흘려 보내는 통로를 설계하는 일이다. 전기설비가 고장 나면 전류가 기기 외함이나 배선에서 대지로 빠져나간다. 이때 전극 주변 땅의 전위가 올라가므로, 사람이 닿지 않도록 전극의 크기와 수를 정하는 것이 접지전극 설계다.

정식 정의는 다음과 같다. 접지전극은 대지와 직접 접속되어 지락 전류와 서지 전류를 대지로 방출하는 도체다. 설계는 목표 접지저항과 허용 접촉·보폭전압을 동시에 만족하도록 전극의 형상, 길이, 매설 깊이, 수량, 배치를 정하는 절차다. 접지저항 목표는 설비 종류와 계통(TN·TT·IT)에 따라 달라지므로 계통 조건을 먼저 확정한다.

핵심 용어는 세 가지다. 대지저항률은 흙 자체의 고유 저항으로 단위는 Ω·m다. 흙의 종류, 수분, 온도, 용해 물질, 입자의 조밀도에 따라 달라진다. 이 값이 크면 같은 전극 길이에서도 접지저항이 커진다.

접지저항은 전극과 대지 사이의 저항이며, 대지저항률과 전극 형상·길이·매설 깊이에 의해 정해진다. 설계 목표는 이 값을 요구 기준 이하로 낮추는 것이다.

대지저항률은 Wenner 4전극법으로 측정한다. 간격 a(m)으로 네 전극을 일직선상에 매설하고 측정 저항 R(Ω)을 구한다. 전극 깊이 b가 a에 비해 충분히 작으면(보통 a를 b의 20배 이상으로 둔다) 대지저항률은 다음 식으로 구한다.

$\rho = 2\pi a R$

ρ: 대지저항률(Ω·m), a: 전극 간격(m), R: 측정 저항(Ω). 측정 결과가 층 구조를 보여 주면 상층과 하층 저항률을 나누어 전극 길이를 정한다.

접지공법은 전극의 형태와 시공 방법으로 나눈다. 접지봉 매설법은 수직으로 봉을 박아 깊이에 따라 저항을 낮추는 방식이다. 접지판 매설법은 좁은 면적에서 원하는 저항을 얻기 유리하다. 메쉬 공법, 방사상 메쉬 공법, 화학적 저감법은 대지저항률이 높거나 면적이 좁을 때 쓴다. 공법 선택은 대지저항률과 부지 면적에 따라 달라진다.

3. 등장 배경과 필요성

접지전극 설계가 필요한 이유는 고장 전류가 대지로 흐를 때 생기는 전위 상승 때문이다. 지락 고장이 나면 고장 전압이 설비 주변 지표면에 나타나고, 사람이 기기와 땅 사이에 닿으면 접촉전압이 인가된다. 두 발이 땅에 놓인 상태에서는 전극 주변 전위분포 때문에 보폭전압이 생긴다. 접지 설계의 목적은 이 두 전압을 허용값 이내로 낮추는 것이다.

접지의 목적은 안전과 기능으로 나눈다. 안전 측면에서는 뇌서지와 개폐서지를 대지로 방출하고, 인축의 감전을 막고, 전로의 대지 전압 상승을 억제한다. 기능 측면에서는 보호계전기와 차단기가 확실히 동작하도록 고장 전류 경로를 확보하고, 정보·통신 설비의 기준 전위를 안정시킨다.

접지공사는 목적에 따라 단독접지와 공용(등전위)접지로 나뉜다. 단독접지는 설비별로 접지극을 따로 두는 방식이고, 공용접지는 모든 접지를 병렬로 연결해 고장 시 전위 상승을 억제한다. 설계 초기에 이 구분을 정하지 않으면 전극 수량과 본딩 경로가 달라져 뒤에서 수정하기 어렵다.

건축물에서는 전기설비, 피뢰설비, 통신설비가 각각 따로 접지되면 접지극 사이에 전위차가 생긴다. 이를 줄이려고 여러 접지를 하나로 묶는 통합접지가 도입되었다. 통합접지시스템의 접지저항은 10Ω 이하가 되도록 시공한다는 기준이 있으며, 이는 특고압측 1선 지락 시 저압측 접촉전압을 허용값 이하로 유지하기 위한 조건이다.

접지설계는 2021-01-01부터 적용된 한국전기설비규정(KEC) 체계로 정리된다. 기존 독립접지는 설비마다 접지극을 두어 간섭과 중복 시공이 생기기 쉬웠다. 그래서 설계 단계에서 접지 종류를 먼저 정하고 전극 형상을 결정하는 순서가 중요해졌다. 실무에서 접지저항이 목표를 넘으면 전극 수를 늘리거나 매설 깊이를 키우는 방법을 쓴다.

4. 구성요소·원리·절차

접지전극 설계는 접지극, 접지도체, 접지단자(접지선)의 세 요소로 이루어진다. 접지극은 대지와 직접 접촉하여 전류를 흘려 보내는 부분이고, 접지도체는 기기 외함과 접지극을 잇는 부분이다. 접지단자는 두 요소를 연결하고 점검할 수 있게 하는 지점이다. 설계의 핵심은 접지저항을 목표값 이하로 낮추고, 접촉전압과 보폭전압을 허용 범위 안에 두는 것이다.

표는 접지극과 접지도체의 역할을 나눈 것이다. 접지극은 저항 크기를 결정하고, 접지도체는 고장전류를 견디는 굵기를 결정한다. 두 요소를 따로 검토해야 설계 누락이 없다.

원리는 다음과 같다. 지락고장이 나면 고장전류가 접지극을 통해 대지로 흐른다. 이때 접지극 주변 지표면에 전위 분포가 생긴다. 이 전위 분포 때문에 사람이 접촉하면 접촉전압이, 두 발 사이에 걸리면 보폭전압이 생긴다. 접지극의 저항이 작을수록 대지 전위 상승이 작아지므로 안전성이 높아진다.

접지극 저항의 기본 원리는 대지저항률 ρ과 접지극 치수에 따라 저항이 정해지는 것이다. 수직 접지봉 1본의 근사식은 다음과 같다.

$R = \frac{\rho}{2\pi L}\left(\ln\frac{4L}{d}-1\right)$

여기서 R은 접지저항(Ω), \rho는 대지저항률(Ω·m), L은 접지봉 길이(m), d는 접지봉 지름(m)이다. 식에서 저항률이 크면 저항이 커지고, 길이를 늘리면 저항이 줄어든다. 지름은 영향이 작으므로 길이 증가가 더 효과적이다.

설계 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 설계 목적과 적용 대상을 정한다. 전기설비, 피뢰설비, 통신설비 중 어느 접지를 포함할지 정한다.
• 대지저항률을 측정하고 층구조를 해석한다. Wenner 4전극법을 주로 쓴다.
• 목표 접지저항을 정한다. 접지 종류별 기준값을 적용한다.
• 접지극 형식과 시공법을 선정한다. 접지봉, 접지판, 메쉬 등을 비교한다.
• 접지극 수량과 배치를 정하고 접지저항을 계산한다.
• 접촉전압과 보폭전압을 계산하여 허용값 이하인지 검토한다.
• 접지도체 굵기와 접지단자 위치를 정하고 도면에 표시한다.
• 준공 후 접지저항을 측정하여 설계값과 비교한다.

5. 관련 법령·기준·표준

접지공사의 기준은 접지 종류에 따라 접지저항 값이 정해진다. 우리나라 전기설비 기준에서 주요 접지 종류별 접지저항 기준은 다음 표와 같다. 표의 값은 기존 접지공사 분류 체계를 기준으로 정리한 것이다.

표는 종별 접지저항 기준을 한눈에 보기 위한 것이다. 제2종 접지저항은 지락전류에 따라 달라지므로 값을 고정하지 않는다. 통합접지시스템은 여러 접지를 하나로 묶으므로 가장 낮은 기준을 적용한다.

관련 기준은 「전기설비기술기준」과 한국전기설비규정(KEC)이다. 한국전기설비규정은 2021-01-01부터 적용되며, 구 '전기설비기술기준의 판단기준'을 대체했다. 접지도체의 굵기와 보호도체의 단면적은 KEC의 접지 관련 조항에서 정한다. 피뢰설비 접지는 「건축물의 피뢰설비 기준」과 국가화재안전기준 계열 기준을 따른다. 통합접지의 보호도체 최소 단면적은 관련 국제 표준의 기준을 참고할 수 있다.

개정 연혁은 다음과 같다. 2021-01-01에 한국전기설비규정이 시행되어 판단기준 체계가 바뀌었다. 접지저항 기준값 자체는 종별 체계가 유지되어 왔으나, 조문 번호와 명칭이 KEC 체계로 옮겨졌다. 통합접지는 제도 도입 이후 기준이 보완되어 현재는 공용 접지 개념으로 정리된다.