접지시스템 설계

왜 배우는가: 접지시스템 설계는 감전·뇌서지·지락 사고로부터 인명과 설비를 지키는 기초 작업이며, 대지저항률 측정과 저항 구역 설정, 접지저항 산정이 실무 설계의 출발점이라 기술사 시험에서 반복해 출제된다. 개념의 정의와 배경을 정확히 잡아야 이후 설계 절차와 IEEE Std 80 해석을 이해할 수 있다.

출제 이력: 제136회 4교시 3번, 제102회 2교시 4번, 제94회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장:

접지시스템 설계는 대지와 전기적으로 연결된 접지극·접지도체 망을 구성하여, 고장전류와 이상전압을 대지로 안전하게 흘리고 접촉전압과 보폭전압을 허용치 이내로 제한하도록 하는 공학적 설계 과정이다.

핵심 키워드

• 대지저항률
• 접지저항
• 접촉전압
• 보폭전압
• 저항 구역
• 접지극
• 접지도체
• 허용 접촉전압

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 접지시스템 설계는 땅에 전기를 안전하게 버리는 통로를 설계하는 일이다. 사고 전류가 흐를 때 사람이 서 있는 지표면과 기기 외함 사이에 위험한 전위차가 생기지 않도록 접지극의 위치, 개수, 연결 방식을 정한다.

정식 정의는 접지설계이다. 접지설계는 대지저항률을 측정하여 대지 모델을 세우고, 설비에서 예상되는 고장전류를 기준으로 접지저항과 지표면 전위분포를 계산한 뒤, 접촉전압과 보폭전압이 허용 한계 이하가 되도록 접지망을 설계하는 과정이다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다.

• 대지저항률은 흙의 전기저항을 단위 체적 기준으로 나타낸 값으로 단위는 Ω·m이다. 접지저항을 좌우하는 가장 기본 입력값이다.
• 접지저항은 접지극에서 원거리 기준 대지까지의 전체 저항이다. 전류가 접지극 주위로 퍼지며 생기는 대지 저항의 합이다.
• 접촉전압은 기기 외함과 그 기기를 접촉한 사람이 서 있는 지표면 사이의 전위차이다.
• 보폭전압은 사고 전류가 흐를 때 사람의 두 발 사이, 보통 1m 간격에서 생기는 전위차이다.
• 저항 구역은 대지저항률이 비슷한 층을 구분하여 대지 모델을 만드는 단위이다. 2층 대지 모델에서는 상층과 하층 저항률로 구분한다.

3. 등장 배경과 필요성

전력설비와 건축물의 전기용량이 커지면서 고장전류의 크기도 커졌다. 고장전류가 접지망으로 흐르면 접지망 근방의 지표면 전위가 상승하고, 사람이 그 지점에 있으면 감전 위험이 생긴다. 과거에는 접지저항 값만 낮추면 충분하다고 보았으나, 접지저항이 낮아도 접지망의 형상과 저항률 분포에 따라 접촉전압과 보폭전압이 허용치를 넘을 수 있다는 사실이 확인되었다.

이 때문에 접지설계는 접지저항 값 하나가 아니라 전위분포 전체를 평가하는 방향으로 발전하였다. 국내 설계에서는 접지저항 목표치와 함께 접촉·보폭전압 검토가 필요하며, 국외에서는 IEEE Std 80 같은 해석 기준이 널리 쓰인다.

관련 기준은 「전기설비기술기준」 계열과 한국전기설비규정(KEC)이며, 통신설비에 대해서는 「접지설비·구내통신설비·선로설비 및 통신공동구등에 대한 기술기준」이 통신관련시설 접지저항 기준을 정한다.

4. 구성요소·원리·절차

접지시스템은 접지극, 접지도체, 주접지단자(접지 버스)로 이루어진다. 설계 목적은 고장전류를 대지로 안전하게 흘리고, 접촉전압과 보폭전압을 허용 한도 이내로 낮추는 것이다. 전위 상승과 접촉·보폭전압 계산은 접지저항과 대지저항률에 좌우된다.

접지망은 매설 도체가 만드는 격자로, 격자 간격이 좁을수록 접촉전압이 낮아진다. 접지극은 깊이를 늘리면 저항이 줄지만 증가 폭은 점점 작아진다. 따라서 망상접지와 접지봉을 함께 쓰는 방식이 일반적이다.

설계 절차는 다음과 같다.

• 대지저항률을 측정하고 2층 모델(또는 다층 모델)로 해석한다.
• 접지망 형태와 면적, 격자 간격을 가정한다.
• 접지저항을 계산하고 최대 고장전류를 구한다.
• 접촉전압·보폭전압을 계산하여 허용 전압과 비교한다.
• 초과하면 격자 간격 축소, 접지봉 추가, 자갈 포설 등으로 보강한다.
• 접지도체 열용량과 전위 상승을 검토하고 최종 도면을 작성한다.

접지저항 기본식은 반구형 접지극 모델로 유도한다. 반경 r인 반구형 극에서 전류 I가 흐를 때 반경 r 위치의 전류밀도는 J=\frac{I}{2\pi r^2} (단위 A/m²)이다. 전계는 E=\rho J 이므로 대지저항률 \rho (Ω·m)를 곱하면 된다. 반경 r에서 무한 원점까지 전위를 적분하면 V=\int_r^\infty E\,dr=\frac{\rho I}{2\pi r} 이다. 따라서 접지저항은 R=\frac{V}{I}=\frac{\rho}{2\pi r} (Ω)이다. 결과는 대지저항률에 비례하고 극 반경에 반비례한다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 접지설계는 「한국전기설비규정(KEC)」(2021-01-01 시행)과 「전기설비기술기준」의 접지 관련 규정을 따른다. 방송통신설비는 「접지설비·구내통신설비·선로설비 및 통신공동구등에 대한 기술기준」을 따르며, 통신관련시설 접지저항은 10Ω 이하를 기준으로 한다. 고압·특고압 변전설비의 접지 안전 설계는 IEEE Std 80의 접촉·보폭전압 기준을 널리 참고한다.

위 표는 통신설비 접지 기준이다. 변전실 접지는 접촉전압·보폭전압 허용값을 함께 검토해야 하며, 허용값은 인체 저항과 통전 시간에 따라 산정한다. 개정 연혁으로는 KEC 시행 이후 접지 용어와 구분이 전기설비 기준으로 통일되었다.

6. 유형과 비교

접지시스템은 설치 목적과 대지 조건에 따라 여러 형태로 구성된다. 설계 전 접지극 형식과 접지망 형태를 구분해 비교하면 선정 근거를 명확히 쓸 수 있다.

위 표에서 보듯 변전실 접지는 접지망을 주접지로 두고 봉형 접지극을 보강하는 조합이 일반적이다. 판형은 보조 접지로만 쓰는 경우가 많다.