변전소 Mesh 접지설계

왜 배우는가: 변전소는 고장전류가 크게 흐르는 곳이어서 접지망 주변의 전위가 높아지고, 작업자와 주민이 그 전위에 노출될 수 있다. 접지설계의 안전성은 보폭전압과 접촉전압을 허용값 아래로 누르는 능력으로 평가되므로 기술사 시험에서 계산과 대책을 함께 묻는 단골 주제다.

출제 이력: 제134회 2교시 4번, 제98회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

변전소 Mesh 접지설계는 고장전류가 접지망으로 유입될 때 보폭전압과 접촉전압이 허용값 이하가 되도록 망상 접지도체의 간격·깊이·접지봉을 정하는 설계다.

• Mesh 접지
• 대지저항률
• 대지전위상승(GPR)
• 보폭전압
• 접촉전압
• 허용 접촉전압
• 허용 보폭전압
• 표면층 저항률

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 변전소에 사고가 나면 큰 전류가 접지선을 타고 땅으로 빠져나간다. 이때 접지극 주변 땅의 전위가 원격지보다 높아지고, 땅 위에 서 있는 사람은 그 전위차를 몸으로 받는다. Mesh 접지는 이 전위 분포를 평평하게 만들기 위해 도체를 격자 모양으로 깔아 두는 방식이다.

정식 정의로는 Mesh 접지가 수평 접지도체를 격자(망상)로 매설하고, 필요한 곳에 수직 접지봉을 연결한 접지극 구조를 말한다. 접지도체가 여러 경로로 연결되어 있어 한 지점에 전류가 몰리지 않고, 접지저항과 전위경도가 함께 줄어든다.

보폭전압(Step voltage)은 사람이 두 발을 약 1m 벌리고 서 있을 때 두 발 사이에 걸리는 전압이다. 전위경도가 급한 곳일수록 크다. 발 사이 거리는 IEEE Std 80의 보폭 정의를 따른다.

접촉전압(Touch voltage)은 접지된 금속 구조물을 손으로 잡았을 때, 그 구조물과 발 위치 사이에 걸리는 전압이다. 접지 장비의 외함이나 철주가 접지망과 직접 연결되어 있으면 접촉전압이 커진다.

대지전위상승(GPR, Ground Potential Rise)은 접지망에 고장전류 Ig가 흐를 때 접지망 전위가 원격 기준점에 대해 올라간 값이며, 접지저항 Rg와 전류의 곱으로 구한다. GPR이 크면 접지망 밖으로 전위가 전달되는 위험도 커진다.

표면층 저항률은 접지망 위에 깔린 자갈·아스팔트 같은 층의 저항률이다. 사람 발과 땅 사이의 접촉 저항을 높여 허용 전압을 키우는 역할을 한다. 표면층 두께와 저항률이 설계의 주요 변수다.

3. 등장 배경과 필요성

변전소는 전압이 높고 고장전류가 큰 설비가 모여 있어 접지 설계의 중요도가 높다. 계통 용량이 커지면서 고장전류가 늘었고, 같은 접지저항이라도 GPR은 전류에 비례해 커진다. 그래서 단순히 접지저항 값만 낮추는 설계로는 안전성을 확보하기 어렵다.

접지 사고의 위험은 세 가지 경로로 나타난다. 첫째, 접지망 위에 있는 사람이 보폭전압과 접촉전압을 받는 경우다. 둘째, 접지망의 높은 전위가 통신선, 철도 레일, 울타리, 금속 배관을 통해 변전소 밖으로 전달되는 경우다. 셋째, 전위가 높아져 기기 절연이나 제어회로가 손상되는 경우다. 이 가운데 인체 안전 문제가 가장 우선이다.

대지저항률이 높은 지역에서는 접지봉 하나로 접지저항을 낮추기 어렵다. 이 때문에 수평 도체를 넓게 깔고 접지봉을 보강하는 망상 구조가 필요해진다. 부지 면적이 좁은 도심 변전소에서는 접지망을 깊게 매설하거나 접지 매트를 추가하는 방식도 함께 고려한다.

국내 설계는 한국전기설비규정(KEC)의 접지시스템 기준과 IEEE Std 80(AC 변전소 접지 안전 지침)을 함께 참고한다. 허용 보폭전압과 허용 접촉전압은 인체 저항, 체중, 고장 제거시간을 넣어 계산하며, 이 값이 설계 목표가 된다. 기준으로 체중 70kg 기준 식을 많이 쓴다.

4. 구성요소·원리·절차

변전소 Mesh 접지망은 접지극, 접지선(수평도체), 접지봉 세 요소로 이루어진다. 수평 도체가 사각형 격자(Mesh)를 만들고, 격자 내부 곳곳에 접지봉을 박아 대지와의 접촉 면적과 병렬 경로를 늘린다. 고장 전류는 격자를 통해 대지로 흘러 나가므로, 구성요소 배치 자체가 전위 분포를 결정한다.

표의 구성요소는 모두 접지저항과 전위 분포에 직접 관여한다. 격자 간격이 좁을수록 접촉전압은 낮아지지만, 자재량과 시공비가 늘어난다. 따라서 대지저항률 측정값을 기준으로 격자 간격과 봉 수를 함께 정한다.

접지 격자의 전위 상승은 고장전류 I_g와 접지저항 R_g의 곱으로 결정된다.

원리는 옴의 법칙을 대지에 적용하는 것이다. 고장전류 I_g가 격자로 유입되면 격자 전위는 GPR = I_g \times R_g로 상승한다. 전위는 전류가 들어가는 점에서 가장 높고, 거리에 따라 감소한다. 이 전위 경사가 사람 신체에 걸리는 보폭전압과 접촉전압의 원인이다.

절차는 다음과 같다.

• 대지저항률 측정 및 2층 또는 다층 모델 산정
• 고장전류 크기와 지속시간 결정(계통 단락용량, 분담률 적용)
• 허용 보폭·접촉전압 산정(체중 기준, 지표면 자갈 저항 고려)
• 초기 격자 설계(간격, 매설 깊이, 도체 굵기)
• 접지저항 R_g와 격자 전위 상승 계산
• 격자 내 메쉬전압 E_m, 보폭전압 E_s 계산 후 허용값과 비교
• 초과 시 격자 조밀화, 접지봉 추가, 자갈 포설 등 보강 후 재계산

계산 식은 다음과 같다. 대지 상층 저항률 \rho [Ω·m], 격자 면적 A [㎡], 매설 도체 총길이 L_T [m]를 사용하는 단순식은 다음과 같다.

$R_g = \rho\left(\frac{1}{4r} + \frac{1}{L_T}\right)$

여기서 r은 등가 반경 [m]이다. 예를 들어 \rho = 100\,\Omega\cdot m, L_T = 600\,m, r = 10\,m이면 R_g = 100 \times (1/40 + 1/600) \approx 2.67\,\Omega이다. 고장전류가 10kA라면 GPR은 약 26.7kV이다. 결과는 345kV 변전소의 격자 전위 상승 규모로서 상식 범위 안이다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 설계는 전기설비기술기준과 한국전기설비규정(KEC)의 접지 조항을 근거로 한다. 2021-01-01부터 KEC가 적용되며, 옛 '전기설비기술기준의 판단기준'은 대체됐다. 변전소 접지 설계의 안전 산정 방법은 IEEE Std 80(AC 변전소 접지 안전 가이드)과 IEEE Std 367(전력 고장 시 GPR·유도전압 측정)을 널리 참고한다. 두 표준은 보폭·접촉 허용 전압 산정의 기본 틀이다.

기준 수치는 다음과 같이 정리한다.

허용 보폭·접촉전압은 체중과 고장 제거 시간 t_s의 함수다. 체중 기준 허용 보폭전압은 표면층 저항률과 고장 제거시간의 함수로 설계 표준이 정한 식으로 쓴다. 여기서 C_s는 표면층 감소계수, \rho_s는 표면층 저항률 [Ω·m]이다. 이 식의 계수는 설계 표준에 따른 값이다.

개정 연혁으로는 IEEE Std 80의 개정 판이 주기적으로 나온다. 국내에서는 KEC 도입이 접지 조항 체계를 바꾼 주요 변화다.

6. 유형과 비교

변전소 접지망은 설계 방식에 따라 격자형(Mesh) 접지, 격자와 접지봉을 병행한 접지, 접지봉 단독 방식으로 나뉜다. 변전소 접지에서는 보폭전압과 접촉전압을 억제하는 능력이 방식 선택의 핵심이다.