보폭전압·접촉전압

왜 배우는가: 보폭전압과 접촉전압은 변전소·발전소 접지 설계에서 인체 감전 안전을 직접 판정하는 기준이라 실무 설계 검토의 출발점이다. 기술사 시험에서도 허용 전압 식, 메쉬전압·보폭전압 식, 저감 대책을 묶어 반복해서 묻는 핵심 주제다.

출제 이력: 제139회 4교시 3번, 제117회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

접촉전압은 사람이 접지된 설비를 만질 때 손과 발 사이에 걸리는 전압, 보폭전압은 두 발 사이에 걸리는 전압이다.

• 접촉전압
• 보폭전압
• 허용 접촉전압
• 허용 보폭전압
• 메쉬전압
• 지표면 저항률
• 표면층 저항
• 지락전류

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 고장전류가 접지망으로 흘러 땅의 전위가 올라갈 때 사람이 그 전위차를 몸으로 받는 것이 문제다. 손으로 접지된 금속 외함을 잡으면 손과 발 사이 전압이 걸리고, 두 발을 벌리고 서 있으면 발과 발 사이 전압이 걸린다. 이 두 전압이 인체에 위험한 전류를 흘리는지가 접지 설계의 판단 기준이다.

정식 정의로는 접촉전압(Touch Voltage)은 접촉 가능한 금속체와 그 금속체에서 1 m 떨어진 지표면 사이의 전위차이며, 고장 시 인체가 접촉하는 경우에 해당한다. 보폭전압(Step Voltage)은 사람이 양발을 1 m 간격으로 벌렸을 때 두 발 위치 사이의 지표면 전위차다. 두 값 모두 인체에 흐르는 전류를 허용 수준 이하로 억제해야 하므로 허용 접촉전압과 허용 보폭전압으로 나누어 정한다.

허용값은 지락 지속시간 동안 인체가 견디는 전류에서 출발한다. 인체 허용전류는 관련 기준이 정한 식으로 구하며, t_s는 고장전류 차단시간(s)이다. 차단시간이 짧을수록 허용전류가 커지므로 보호계전기의 동작 속도가 허용 전압 산정에 직접 영향을 준다.

메쉬전압(Mesh Voltage)은 접지망 한 칸(메쉬) 중앙처럼 전위가 가장 높게 나타나는 지점의 접촉 전압이다. 그래서 메쉬 내부 사람이 접촉할 때의 위험을 대표한다. 보폭전압은 메쉬 외곽이나 울타리 주변처럼 지표 전위 기울기가 큰 곳에서 최댓값을 가진다.

3. 등장 배경과 필요성

전력설비에서 지락이 발생하면 접지극을 통해 대지로 큰 전류가 흘러 주변 지표면 전위가 상승한다. 이를 지전위상승(GPR, Ground Potential Rise)이라 부른다. 변전소처럼 고장전류가 큰 곳에서는 접지저항이 낮아도 GPR이 수천 볼트에 이를 수 있어, 접지 시설 자체가 인체 감전 원인이 될 수 있다.

초기에는 접지저항만 낮추면 안전하다고 보았으나, 저항이 낮아도 메쉬 간격과 표면 조건에 따라 인체에 위험한 전위차가 생긴다는 사실이 확인되었다. 이후 인체 통과 전류를 기준으로 허용 접촉전압과 허용 보폭전압을 정하고, 실제 접지망의 메쉬전압과 보폭전압을 계산해 비교하는 방식이 정착되었다. 국내 설계에서도 이 체계를 따라 접지 설계 시 허용값 이하임을 검증하는 절차를 둔다.

이 개념이 중요한 이유는 접지저항 값만으로는 안전이 보장되지 않기 때문이다. 접지망 형상, 토양 저항률, 차단시간, 표면층 저항을 함께 고려해야 감전 사고를 막을 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

보폭전압과 접촉전압의 평가는 지락전류가 접지망으로 유입되어 대지로 흐르는 과정을 단계별로 나누어 본다. 먼저 접지계통의 전체 구성요소를 파악하고, 그 다음 메쉬 내부와 외곽에서 발생하는 전위차를 계산한다.

이 표는 접지계통의 구성 요소를 정리한 것이다. 대지와 표면층의 저항률이 전위 분포의 크기를 가장 크게 좌우한다는 점이 설계의 출발점이다.

• 원리: 접지망에 지락전류 I_G가 유입되면 접지망 전위가 상승(GPR)하고, 메쉬 사이 지표면에는 전위 기울기가 생긴다.
• 메쉬전압은 메쉬 내부 접지도체와 지표면 사이 최대 전압, 보폭전압은 지표면 두 점 사이 최대 전압이다.
• 전위 분포는 메쉬 중앙에서 최대가 되기 쉬우며, 외곽 도체 가까이에서는 전위 기울기가 급격하다.

접지 설계 절차는 다음과 같다.

• 대지 저항률을 측정하고 2층 또는 다층 토양 모델로 정리한다.
• 최대 지락전류 I_G와 고장 차단시간 t_s를 산정한다.
• 메쉬 간격, 도체 굵기, 접지봉 수량을 가정하여 초기 설계안을 만든다.
• 메쉬전압 E_m과 보폭전압 E_s를 계산한다.
• 허용 접촉전압·보폭전압과 비교한다. 초과 시 메쉬를 조밀하게 하거나 표면층을 보강하고 재계산한다.
• 접지망 외부로 전달되는 전위(울타리, 통신선, 배관)를 별도로 검토한다.

전압 계산식은 다음과 같다.

$E_m=\frac{\rho K_m K_i I_G}{L_M},\qquad E_s=\frac{\rho K_s K_i I_G}{L_S}$

여기서 \rho는 대지 저항률(Ω·m), I_G는 접지망 유입 지락전류(A), K_m·K_s는 메쉬·보폭 형상계수, K_i는 불균일 보정계수, L_M·L_S는 유효 도체 길이(m)다. 형상계수는 메쉬 간격과 접지봉 배치로 결정되므로 간격을 줄이면 E_m이 작아진다.

5. 관련 법령·기준·표준

접지설계의 기준은 국내 전기설비 기준과 국제 안전기준(IEEE Std 80 계열)을 함께 본다. 국내 법령 조문 번호는 이 절에서 확인된 범위만 쓰고, 세부 조문은 기준 이름으로 지칭한다. 국제 기준은 허용 전압 산정 원리와 설계 절차의 기준으로 참고한다.

표의 값 중 IEEE Std 80 허용전류식은 인체 조건을 정해 쓰는 산정식이다. 허용 접촉전압과 보폭전압은 다음 식으로 계산한다.

$E_{touch}=(R_B+kC_s\rho_s)I_B,\qquad E_{step}=(R_B+6C_s\rho_s)I_B$

인체저항 R_B는 1000Ω, 표면층 보정계수 C_s는 표면층 두께와 저항률로 정한다. 접촉식의 계수 k는 표면층 조건에 따라 기준이 정한 값이다. 표면층 저항률 \rho_s가 클수록 허용전압이 커진다. 보폭식의 계수 6이 접촉식 계수 k보다 큰 기준이므로 같은 조건에서 보폭 허용전압이 더 크다.

• 설계 판정은 E_m \le E_{touch}, E_s \le E_{step}으로 한다.
• 개정 연혁은 국내 기준의 현행 명칭을 기준으로 하며, 구 명칭은 필요할 때만 덧붙인다.