접지저항 저감방법

왜 배우는가: 접지저항은 대지저항률에 좌우되므로 같은 접지극도 현장 토양에 따라 결과가 크게 달라진다. 접지저항 저감은 목표 접지저항을 맞추는 설계·시공의 핵심 작업이며, 물리적 방법과 화학적 방법을 구분해 묻는 문제가 반복해서 나온다.

출제 이력: 제126회 1교시 2번, 제89회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

접지저항 저감방법은 대지저항률을 낮추거나 접지 유효면적을 넓혀 접지저항을 줄이는 방법이다.

핵심 키워드

• 접지저항: 접지전극과 대지 사이의 전기저항이며, 지락전류가 땅으로 흐를 때 전위 상승의 원인이 된다.
• 대지저항률: 토양의 종류·수분·온도 등에 따라 정해지는 저항률(Ω·m)이며 접지저항을 좌우한다.
• 물리적 저감방법: 접지극의 길이·개수·배치·매설 깊이 등 기하 조건을 바꿔 접지저항을 줄이는 방법이다.
• 화학적 저감방법: 접지극 주변 토양에 저감제를 채워 저항률을 낮추고 그 상태를 유지하는 방법이다.
• 저감제: 벤토나이트, 마콘사이트 등 수분을 머금어 토양 저항률을 낮추는 분말이다.
• 심타공법: 접지극을 깊이 박아 수분이 많은 지층에 닿게 하는 물리적 방법이다.
• 전위상승: 접지저항을 통해 전류가 흐를 때 접지극 주변의 전위가 올라가는 현상이다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 접지는 사고 전류를 땅으로 빼내는 통로이고, 접지저항은 그 통로가 땅과 닿는 부분에서 생기는 저항이다. 땅이 전류를 잘 흘리지 못하면 저항이 커지고 전위가 올라가 사람과 기기에 장해를 준다. 그래서 저감방법은 땅의 저항률을 낮추거나 접지극이 땅과 닿는 면적을 키우는 것을 목표로 한다.

정식으로는 접지전극과 대지 사이의 저항을 접지저항이라 하며, 그 값은 대지저항률과 전극의 형상으로 정해진다. 봉상 접지극의 근사식은 다음과 같다.

$R=\frac{\rho}{2\pi L}\left(\ln\frac{4L}{d}-1\right)$

여기서 R은 접지저항(Ω), ρ는 대지저항률(Ω·m), L은 접지봉 길이(m), d는 접지봉 지름(m)이다. 접지저항은 ρ에 비례하므로 저항률을 낮추면 바로 줄어든다. L이 커지면 저항은 줄지만 감소폭은 점점 작아진다.

저감방법은 크게 두 가지로 나뉜다. 물리적 방법은 전극의 길이·수·배치와 매설 깊이 같은 기하 조건을 바꾼다. 화학적 방법은 토양의 저항률 자체를 낮춘다. 두 방법은 현장에서 함께 쓰는 경우가 많다.

물리적 방법은 기하 조건을 바꾸고, 화학적 방법은 저항률 자체를 낮춘다.

대지저항률은 토양에 따라 크게 다르다. 늪지 및 진흙은 80~200Ω·m, 점토질·모래질은 150~300Ω·m 수준이지만, 사암 및 암반지대는 10,000~100,000Ω·m에 이른다. 이 차이 때문에 암반 지역에서는 같은 접지극을 써도 접지저항이 크게 달라진다. 수분도 중요하다. 함수율 25% 이상에서는 저항률 변화가 작지만, 그보다 건조하면 저항률이 뚜렷하게 증가한다.

화학적 방법에서 벤토나이트는 일반 장소에, 마콘사이트는 건조하고 저항률이 매우 높은 장소에 쓰인다. 마콘사이트는 저항이 낮아 효과가 크지만 비용이 높아 사용이 제한된다. 저감제를 쓰면 소금으로 인한 전극 부식도 줄일 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

접지극은 지락전류, 누설전류, 낙뢰 서지 등을 대지로 흘려보내는 역할을 한다. 접지저항이 크면 이 전류가 흐를 때 접지극 주변 전위가 크게 올라간다. 그 결과 인체 감전, 전기기기 오동작, 설비 파손이 생길 수 있다. 접지공사의 목적인 인축 보호와 설비 장해 방지가 제대로 이루어지려면 접지저항을 목표치 이하로 낮춰야 한다.

문제는 현장 조건이다. 대지저항률이 높은 암반지대, 산악지대, 건조지역에서는 전극을 늘려도 목표 접지저항에 도달하지 못하는 경우가 생긴다. 이때 설계자는 저감방법을 적용해 목표치를 맞춘다. 통합접지 시스템에서는 통합접지 접지저항 10Ω 이하가 기준으로 제시되어 있다.

접지저항은 계절에 따라서도 변한다. 비가 온 뒤에는 저항이 낮아지고, 맑은 날씨가 계속되면 점점 높아진다. 그래서 접지극은 수분이 있는 지하 깊이까지 매설하는 것이 바람직하다. 같은 이유로 화학적 저감제는 수분을 오래 보유해 저항률을 안정적으로 유지하는 데 쓰인다. 지상 구덩이에 물을 자주 뿌리는 관리 부담도 줄어든다.

저감 효과는 시공 후 측정으로 확인한다. 대지저항률은 Wenner 4전극법으로 측정하는 방법이 가장 많이 쓰인다. 측정 결과는 접지설계에 반영되어 전극의 형상과 저감방법을 정하는 근거가 된다. 따라서 저감방법을 이해하려면 측정과 설계의 연결도 함께 알아야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

접지저항은 접지극 자체의 도체 저항, 접지극 표면과 토양 사이의 접촉저항, 접지극 주변 토양의 대지저항을 합한 값이다. 저감은 이 세 항 중 가장 큰 기여를 줄이는 일이다. 대부분의 경우 대지저항이 지배적이므로 대지저항률을 낮추거나 접지극의 접촉 면적을 넓히는 방법이 효과가 크다.

표에서 보듯 접지선의 도체 저항은 대체로 작아서 굵기를 키워도 저감 효과는 제한적이다. 접지극 주변 토양이 전체 저항의 대부분을 차지한다.

접지극에서 나온 전류는 반경 방향으로 퍼진다. 접지극에 가까운 토양일수록 저항에 크게 기여한다. 봉형 접지극의 저항은 다음 근사식으로 구한다.

$R=\frac{\rho}{2\pi L}\ln\frac{4L}{d}$

ρ는 대지저항률[Ω·m], L은 접지극 매설 길이[m], d는 접지극 지름[m]이다. 저항은 ρ에 비례한다. 따라서 저감재로 ρ를 낮추면 효과가 직접적으로 나타난다. L을 늘리면 저항은 줄지만 로그 항 때문에 감소율이 점차 작아진다.

계산 예제: ρ=100Ω·m, L=2.4m, d=0.016m인 봉 1개의 접지저항을 구한다.

• 4L/d = 4×2.4/0.016 = 600
• ln600 ≈ 6.40
• 2πL = 2π×2.4 ≈ 15.08m
• R = 100/15.08 × 6.40 ≈ 42.4Ω

결과는 수십 Ω 수준이므로 상식 범위다. 봉 1개로는 목표 10Ω 이하를 맞추기 어렵다. 따라서 접지극을 병렬로 늘리는 물리적 저감이 필요하다는 결론이 나온다.

접지저항 저감의 핵심은 대지저항률을 낮추거나 접촉 면적을 넓히는 것이다

물리적 저감은 접지극의 형상과 개수로 대지와의 접촉을 늘리는 방법이다.

• 접지극 길이 증가(심타·보링): 수분이 많은 깊은 층이나 저저항층에 닿게 한다.
• 접지극 병렬 다중화: 여러 봉을 간격을 두고 병렬로 접속해 합성 저항을 낮춘다.
• 판형·메시형 접지극: 매설 면적을 넓혀 접촉 면적을 키운다.
• 접지선 굵기 증대와 접속부 관리: 도체 저항과 접속 저항을 줄인다.
• 수분 보존: 건기에는 물을 공급해 ρ가 올라가는 것을 억제한다.

화학적 저감은 접지극 주변 토양에 저저항 물질을 채워 ρ를 낮추는 방법이다. 벤토나이트 분말은 일반 장소에 쓰고, 마콘사이트 분말은 토양 저항률이 매우 높은 건조 지역에 쓴다. 마콘사이트는 저항이 낮아 효과가 크지만 비용이 높아 사용이 제한된다. 염류를 쓰는 방법은 접지극과 토양을 부식시키므로 장기 사용에 불리하다. 화학적 저감은 수분이 자연적으로 적은 지역에서 유지보수 횟수를 줄이는 데 유리하다.

화학적 저감 시공 절차는 다음과 같다.

• 접지극 주변을 굴착한다. 시공 예로 굴착 후 중앙에 구멍을 뚫는다.
• 저감 분말을 물과 혼합해 구멍에 채운다.
• 물을 부어 충분히 흡수시킨다.
• 접지극을 구멍 중앙에 수직으로 넣고 단자부를 위로 향하게 한다.
• 저감재를 추가로 채워 고정한 뒤 접지저항을 측정한다.

물리적 저감과 화학적 저감은 비용, 시공성, 유지관리, 부지 조건에서 차이가 난다. 답안에서는 두 방법을 비교 항목별로 나누어 설명한다.

표의 비교에서 보듯 두 방법은 대체 관계보다 보완 관계다. 실제 설계에서는 물리적 저감을 먼저 적용하고, 목표값에 미달하면 화학적 저감을 더하는 순서가 일반적이다.