대지저항률 측정

왜 배우는가: 대지저항률은 접지극의 접지저항, 접촉전압, 보폭전압을 계산하는 기초 값이다. 설계 전에 현장 대지저항률을 측정하지 않으면 접지극의 길이와 개수를 정할 수 없어서 실무 설계의 첫 단계가 된다. 시험에서는 측정법과 영향 요인을 함께 묻는 문제가 반복해서 나온다.

출제 이력: 제126회 3교시 1번, 제124회 1교시 6번, 제96회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

대지저항률은 흙과 암반 등 대지가 전류 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 물성값으로, 접지저항 설계의 기초 정수이다.

핵심 키워드

• 대지저항률(ρ, 단위 Ω·m)
• 대지고유저항
• 접지저항
• 웨너 4전극법
• 등간격 전극
• 전위차
• 수분 함량
• 온도

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 땅이 전기를 얼마나 잘 흘리는지를 나타내는 값이다. 같은 전압을 걸어도 잘 흘리는 땅은 저항이 작고, 잘 막는 땅은 저항이 크다. 접지극을 땅에 묻어 접지저항을 낮추려면 주변 땅의 성질을 먼저 알아야 한다.

정식 정의는 단위 길이당 저항을 면적과 길이로 정규화한 물성값이며, 단위는 Ω·m 이다. 접지전극에서 충분히 떨어진 두 점 사이의 옴 저항을 측정해 이 값을 얻는다. 측정으로 얻는 이 값을 흔히 대지고유저항이라 부른다. 대지 자체의 성질이므로 접지극의 모양이나 크기와는 무관하다.

핵심 용어는 다음과 같다.

대지저항률은 땅의 단위 체적당 저항을 뜻하며 기호는 ρ 이다. 접지 설계에서는 이 값을 입력으로 접지저항과 전위 분포를 계산한다.

접지저항은 접지극과 대지 사이의 저항이다. 접지극 형상이 같아도 대지저항률이 크면 접지저항도 커지므로, 접지저항은 대지저항률에 좌우된다.

웨너 4전극법은 등간격으로 4개 전극을 일직선에 박고, 바깥 두 전극에 전류를 흘려 안쪽 두 전극 사이 전위차를 재는 방법이다. 측정한 저항에 전극 간격을 곱해 대지저항률을 구한다.

대지저항률에 영향을 주는 요인은 흙의 종류, 함유 수분, 온도, 용해된 염류, 입자 크기와 조밀도 등이다. 수분과 염류가 많을수록 저항률이 작아진다. 토양은 온도가 낮아질수록 저항률이 커지는 반도체와 비슷한 성질을 보인다. 따라서 같은 장소라도 계절에 따라 측정값이 달라질 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

접지의 목적은 이상전류를 대지로 안전하게 방류하여 인체와 설비를 보호하는 것이다. 이때 방류 능력은 접지극이 닿는 대지의 저항률에 크게 좌우된다. 대지저항률을 모르고 설계하면 접지저항 목표값을 만족하는지 판단할 수 없다.

실제 현장의 땅은 한 가지 성질이 아니라 여러 층으로 이루어진 경우가 많다. 표층과 심층의 저항률이 다르면 평균값 하나로는 전위 분포를 정확히 계산하기 어렵다. 그래서 측정으로 지층 구조를 추정하고, 그 결과를 접지 설계에 반영한다.

또 접촉전압과 보폭전압은 접지극 주변의 전위 경도로 정해지는데, 이 경도가 대지저항률에 비례한다. 따라서 저항률 측정은 접지저항 계산뿐 아니라 인체 안전 검토에도 필요하다. 측정 결과가 부정확하면 접지극을 과소 설계할 위험이 생긴다.

이런 이유로 대지저항률 측정은 접지설계 순서의 초기 단계에 놓인다. 측정법을 이해해야 측정값을 올바르게 해석하고 설계에 쓸 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

대지저항률 측정 장치는 전류를 흘리는 회로와 전위차를 재는 회로로 나뉜다. 네 개의 보조전극을 일직선상에 등간격으로 박는다. 바깥쪽 두 전극(C1, C2)은 전류 보조전극, 안쪽 두 전극(P1, P2)은 전위 보조전극이다.

원리는 다음과 같다. 전류가 C 전극에서 대지로 퍼지면 대지 내부에 전계가 생긴다. 전위차 V 는 전류 밀도와 대지저항률에 비례한다. 따라서 V/I 는 대지저항 R 이 되고, R 에 간격 a 를 곱하면 저항률을 얻는다. 이 관계가 4전극법의 핵심 원리다. 전류를 흘리는 쌍과 전압을 재는 쌍을 분리하므로 전극과 리드선의 접촉저항 영향이 줄어든다.

깊이 b 를 고려한 일반식은 다음과 같다.

$\rho=\frac{4\pi aR}{1+\frac{2a}{\sqrt{a^2+4b^2}}-\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}}}$

여기서 \rho 는 대지저항률(Ω·m), a 는 전극 간격(m), b 는 전극 매설 깊이(m), R 은 측정 저항 V/I(Ω)이다. 간격이 깊이보다 충분히 크면 b \approx 0 으로 근사하여 다음 식을 쓴다.

$\rho = 2\pi a R$

a 가 b 의 20배 이상이면 위 근사를 적용한다. 계산 예: 간격 a=5\,\mathrm{m}, 측정 저항 R=10\,\Omega 이면 \rho = 2\pi \times 5 \times 10 \approx 314\,\Omega\cdot\mathrm{m} 이다. 수도권 점토 지반의 통상 범위 안에 드는 값이므로 상식 범위다.

측정 절차는 다음과 같다.

• 네 전극을 일직선상에 간격 a 로 같은 깊이 b 에 박는다.
• 바깥쪽 C1·C2 에 정전류 I 를 흘리고 전류값을 확인한다.
• 안쪽 P1·P2 사이 전위차 V 를 측정한다.
• R = V/I 를 계산한다.
• 간격 a 를 바꾸어 같은 과정을 반복하고, 측정 결과를 간격별로 정리한다.
• 간격별 \rho 값으로 대지 층상 구조를 해석하여 접지설계에 반영한다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 접지설계는 「전기설비기준」 체계의 한국전기설비규정(KEC, 2021-01-01 시행)에 따른다. 접지저항과 대지저항률의 측정은 KEC 접지시스템 규정과 설계 기준을 함께 적용한다. 측정 세부 방법은 웨너 4전극법과 전위강하법이 기본이다. 기준값은 다음 표와 같다.

표의 토양별 값은 지역과 측정 조건에 따라 달라지므로 설계 판단의 출발점으로만 쓴다. 실제 설계에서는 현장 측정값을 우선한다. 국외 기준인 25Ω 값은 국내 설계 기준과 비교하는 참고로 쓰고, 국내 접지저항 목표는 설계 기준과 계통 조건에 따라 정한다.

KEC 개정으로 접지 관련 체계가 바뀌었으므로, 옛 「전기설비기술기준의 판단기준」의 접지 조항을 인용할 때는 현행 KEC 조항으로 바꾸어 쓴다.

6. 유형과 비교

대지저항률 측정법은 전극 수와 배열에 따라 2전극법, 4전극법(웨너·슐룸베르거), 간이법(봉형 접지극 이용)으로 나뉜다. 세 방법은 측정 원리와 정확도가 다르므로 답안에서는 비교 기준을 먼저 세우고 설명한다.