접지공사·접지저항 측정

왜 배우는가: 접지저항은 설비 감전 보호와 기능 안정을 좌우하는 측정값이라 현장 준공 검사와 정기 점검에서 반드시 확인한다. 접지공사의 종류와 측정 원리를 함께 알아야 답안에서 목적과 방법을 연결해 쓸 수 있고, 두 회차에 걸쳐 측정방법과 판정 기준이 함께 출제되었다.

출제 이력: 제112회 2교시 2번, 제100회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 접지공사는 전기설비의 금속 부분을 접지극을 통해 대지와 전기적으로 접속하는 공사이며, 접지저항은 접지극과 대지 사이의 합성 저항이다.

핵심 키워드

• 접지공사: 금속 외함·기기와 대지를 잇는 시공 전체
• 접지극: 지중에 묻혀 대지와 직접 접촉하는 전극(봉, 판, 매설지선)
• 접지저항: 접지극에서 대지 원거리까지 전류가 흐르며 생기는 합성 저항
• 대지저항률: 흙 고유의 저항(Ω·m), 측정 결과로 산출한다
• 전위강하법: 보조전극 사이의 전위차와 전류로 접지저항을 구하는 방법
• 보조전극: 전류 보조전극(C)과 전위 보조전극(P)을 말한다
• 통합접지: 보안용·기능용·뇌보호용 접지를 하나의 등전위 시스템으로 묶는 방식
• 콜라우시 브리지법: 브리지 회로로 접지저항을 구하는 측정법

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 기기 안에서 절연이 깨져 금속 외함에 전기가 새어 나올 때 그 전기를 땅으로 흘려보내 사람이 닿아도 감전되지 않게 하는 것이 접지다. 땅으로 흘러가는 길의 저항이 작을수록 보호 효과가 크다. 그 길의 저항이 접지저항이다.

정식 정의는 접지공사를 전기설비의 금속 부분과 대지를 전기적으로 접속하는 공사로 본다. 접지의 목적은 인축의 보호, 전기시설과 건조물의 장해·재해 방지이다. 접지 목적은 보안용(보호용), 기능용, 뇌보호용으로 나눈다.

접지저항은 접지도체와 접지극의 저항, 접지극과 토양 사이의 접촉저항, 접지극 주변 대지의 저항으로 결정된다. 접지도체와 접지극의 저항은 보통 무시할 수 있으므로, 실제로는 접지극 주변 대지저항이 지배한다. 전류 경로 분포를 보면 접지극 반경의 2배 범위에 대지저항의 50%, 반경의 10배 범위에 90%가 분포한다. 따라서 접지극 근방 흙의 상태가 접지저항 값을 가른다.

접지저항 측정에는 직류 대신 수백 Hz 교류를 쓴다. 직류를 쓰면 전기화학 작용으로 전극 주변이 분극되어 측정 오차가 생긴다. 뇌전류처럼 빠른 펄스 전류에 대해서는 정상 접지저항 외에 과도접지저항도 따로 본다.

• 접지저항: 전류가 대지로 빠져나갈 때의 합성 저항
• 대지저항률: 흙의 종류·수분·온도에 따른 고유 저항
• 전위강하: 전류가 흐를 때 대지 위 두 점 사이에 생기는 전압 차
• 보조전극 배치: 측정 대상 접지극과 보조극의 상대 위치

3. 등장 배경과 필요성

전기설비는 오래 쓰면 절연이 떨어진다. 절연저항이 낮아지면 충전부에서 금속 외함으로 누설전류가 흐르고, 이때 사람이 닿으면 감전된다. 접지공사는 누설전류를 대지로 돌려 이 사고를 막는다. 따라서 접지공사가 시공 기준대로 되었는지 저항값으로 확인하는 과정이 필요하다.

접지저항은 시간이 지나면 변한다. 토양의 수분과 온도가 계절에 따라 바뀌고, 접지극이 부식되면 접촉저항이 커진다. 그래서 준공 시 측정값만으로는 부족하고 정기 점검에서 다시 측정해야 한다.

전기·통신·피뢰설비가 늘면서 접지 방식도 바뀌었다. 목적이 다른 접지를 하나의 공용 시스템으로 묶는 통합접지가 등장했다. 통합접지는 건물 내 도전부를 등전위로 만들어 접촉전압을 낮추고, 정보통신설비의 기준전위를 확보한다. 통합접지에서는 접지극이 공용되므로 한 접지극의 저항이 전체 설비에 영향을 준다. 그만큼 측정 결과의 중요성이 커진다.

낙뢰나 서지에 의한 과전압은 접지 계통을 통해 흘러간다. 접지저항이 높으면 과전압이 기기 쪽으로 남아 전자기기 손상과 오동작이 생긴다. 이 때문에 접지저항 측정은 감전 보호뿐 아니라 기능 확보와 뇌 보호 관점에서도 필요하다.

소방설비에서도 접지는 전원 설비와 신호 설비의 안정성에 쓰인다. 접지가 불량하면 감지기 신호나 수신기 동작이 흔들릴 수 있다. 따라서 접지저항 측정은 소방 전기설비의 준공 점검과 정기 점검에서 빠지지 않는 항목이다.

4. 구성요소·원리·절차

접지시스템은 접지극, 접지도체, 접지단자, 대지로 구성된다. 접지극은 대지와 직접 접촉해 고장전류를 흘려보내는 부분이다. 접지도체는 기기 금속외함과 접지단자를 잇는 도체다. 접지단자는 여러 접지도체를 모아 연결하는 점이다.

접지저항은 대부분 접지극 근방 대지의 저항으로 결정된다. 전류 경로의 저항은 접지극 반경의 2배 범위에 약 50%, 10배 범위에 약 90%가 분포한다. 따라서 접지극을 깊이 박거나 토양 저항율이 낮은 곳을 고르면 접지저항이 줄어든다.

표의 구성은 접지 시스템의 기본 골격이다. 접지극과 접지도체의 재질·굵기가 정해져도 대지 저항율이 높으면 접지저항 기준을 만족하기 어렵다.

원리는 다음과 같다. 절연이 저하되어 기기 외함에 누설전류가 생기면 외함 전위가 올라간다. 접지가 되어 있으면 이 전류가 접지저항을 거쳐 대지로 흐르므로 외함에 닿은 사람이 받는 접촉전압이 낮아진다. 접촉전압은 다음 식으로 근사한다.

$V_c = I_g \times R_E$

여기서 V_c는 접촉전압(V), I_g는 지락전류(A), R_E는 접지저항(Ω)이다. 가상의 예로 지락전류 5A, 접지저항 10Ω이면 V_c = 5 \times 10 = 50V가 된다. 결과는 저항을 낮출수록 접촉전압이 줄어든다는 원리와 맞는다.

접지저항 측정은 전위강하법(Fall-of-Potential Method)이 가장 널리 쓰인다. 절차는 다음과 같다.

• 측정 대상 접지극 E에서 충분히 떨어진 곳에 전류 보조극 C를 박는다.
• E와 C를 잇는 직선 위에 전위 보조극 P를 놓는다.
• E와 C 사이에 교류 전류 I를 흘리고 E와 P 사이 전압 V를 측정한다.
• R = V/I로 저항을 구한다. P 위치를 E에서 C 방향으로 옮기며 반복 측정한다.
• 저항값을 P 위치에 따라 그리면 평탄한 구간이 나타난다. C 방향 E-C 거리의 61.8% 지점에 P를 두고 측정한 값을 참값으로 판정한다. 51.8%와 71.8% 지점 값을 추가로 측정해 검증한다.

측정 전류는 전기화학 영향에 의한 오차를 막기 위해 직류가 아닌 수백 Hz 교류를 쓴다. 보조극 C는 접지극의 저항구역과 겹치지 않도록 충분히 떨어뜨린다. 이격거리는 관련 기준을 확인한다.

5. 관련 법령·기준·표준

전기 접지의 기준 체계는 「전기설비기술기준」과 「한국전기설비규정(KEC)」이다. KEC는 2021-01-01 시행되어 구 판단기준을 대체했다.

소방시설의 접지는 「소방시설 설치 및 관리에 관한 법률」과 화재안전기준(NFPC·NFTC) 체계를 따른다.

통합접지는 전기(보안용), 통신(기능용), 피뢰설비(뇌보호용) 접지를 하나의 접지계로 묶는 방식이다. 목적은 건물 내 도전부의 등전위 형성과 기준전위 확보다.

접지저항 값과 접지선 굵기는 함께 적용해야 하며, 두 기준 중 하나만 맞추면 감점 요인이 된다.

접지 종류는 기기의 전압과 설치 위치로 정한다. 저압 기기의 접지저항 기준이 고압 기기보다 완화되어 있는 것은 누설전류의 크기와 접촉 위험이 다르기 때문이다. 제2종 접지는 지락전류를 기준으로 저항값이 달라지므로 계산식을 함께 쓴다.

6. 유형과 비교

접지공사는 접지 대상 기기의 전압 수준과 접지 목적에 따라 종별이 나뉜다. 종별을 고를 때는 다음 순서로 판단한다.

• 대상 기기의 전압 수준(저압, 고압, 특별고압)을 확인한다.
• 접지 목적(보안용, 기능용, 뇌보호용)을 구분한다.
• 종별에 맞는 접지저항 기준을 적용한다.
• 기준에 맞는 접지선 굵기를 정한다.

구 내선규정의 접지공사 종류 표를 기준으로 정리하면 다음과 같다.