접지설계

왜 배우는가: 접지설계는 발·변전소 사고 시 인축 감전과 설비 손상을 막는 기본 설계이며, 접지 목적과 설계 절차는 1교시 용어형부터 4교시 논술형까지 여러 번 반복해 출제된다. 접지저항·대지저항률·보폭전압·접촉전압의 관계를 먼저 정리해야 나머지 절차를 이해할 수 있다.

출제 이력: 제129회 4교시 6번, 제126회 3교시 3번, 제121회 3교시 5번, 제120회 4교시 3번, 제111회 1교시 6번, 제102회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

접지설계는 토양 특성과 최대 고장전류를 바탕으로 접지저항 목표값과 접지 방식을 정하고, 전위경도와 인접 설비 영향까지 검토해 접지망을 구성하는 일련의 과정이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 접지저항
• 대지저항률
• 최대 고장전류
• 접촉전압
• 보폭전압
• 전위경도
• 메시 접지(Mesh Grounding)
• 4전극법

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 접지설계는 사고 전류를 땅으로 안전하게 흘려보내도록 접지 시설을 짜는 일이다. 사람이 땅 위에 서 있을 때 전위차를 견디도록 만드는 것이 핵심 목표다.

정식 정의는 다음과 같다. 접지설계는 현장 토양의 대지저항률을 측정하고, 계통의 최대 고장전류를 구한 뒤, 허용 접지저항을 정하고 접지 방식과 접지망 형상을 결정하는 과정이다. 설계 결과로 접촉전압과 보폭전압이 허용 범위 안에 들어오는지 검증한다.

접지저항은 접지전극이 대지와 맺는 전기적 저항이다. 접지저항은 대지저항률에 비례하고 접지 형상과 크기에 따라 변한다. 따라서 대지저항률 측정이 설계의 출발점이 된다.

대지저항률은 흙의 종류, 수분량, 온도, 용해 물질의 농도, 토양 입자의 크기와 조밀도에 따라 달라진다. 일반적으로 측정에는 Wenner 4전극법이 가장 많이 쓰인다.

접촉전압은 사람이 충전된 설비를 만졌을 때 손과 발 사이에 걸리는 전압이다. 보폭전압은 사람이 두 발을 벌리고 있을 때 두 발 사이에 걸리는 전압이다. 두 전압은 인체 감전 위험을 판단하는 기본 지표다.

전위경도는 단위 거리당 대지 표면 전위의 변화량이다. 전위경도가 급하면 보폭전압이 커진다. 변전소 외곽에서 전위경도가 급해지므로 외곽 보폭전압이 특히 문제가 된다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통의 규모가 커지고 고장전류가 증가하면서 접지 설계의 중요성이 커졌다. 고장 시 대지로 흐르는 전류가 크면 접지 전위 상승이 커지고, 주변 통신선이나 금속 배관에도 전위가 전달될 수 있다.

과거에는 단순한 접지봉 하나로 접지를 하는 경우가 많았다. 그러나 변전소처럼 여러 설비가 밀집한 곳에서는 개별 접지극만으로 전위경도를 줄이기 어렵다. 그래서 접지극을 격자 형태로 연결한 메시 접지망이 일반화되었다.

국제적으로는 IEEE Std 80(교류 변전소 접지 안전 지침)과 IEEE Std 81(대지 저항, 접지 임피던스, 지표 전위 측정 지침)이 설계와 측정의 기준으로 널리 쓰인다. 국내에서도 접지 방식과 접지저항 기준은 전기설비 기술기준 체계에 따라 정해진다.