GIS 접지

왜 배우는가: GIS(가스절연개폐장치)는 변전소 공간을 줄이면서도 접지 설계가 까다로운 설비다. 외함(金屬 케이싱)에 유도되는 전압과 고장 전류 귀로 경로를 어떻게 정하느냐에 따라 감전과 기기 손상이 갈린다. 1점식과 다점식의 차이를 묻는 문항이 반복 출제되므로 원리와 장단점을 함께 이해해야 한다.

출제 이력: 제113회 2교시 5번, 제98회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

GIS 접지는 SF6 가스로 절연된 금속 외함을 접지망에 연결하여 외함 전위 상승과 접촉전압을 억제하는 접지 방식이다.

• GIS 접지
• 외함 접지
• 외함 유도전압
• 1점식 접지
• 다점식 접지
• 접촉전압
• 등전위 본딩

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 GIS의 금속 외함을 어디에서 땅과 이어 줄지 정하는 일이다. 외함은 도체와 함께 금속 케이스에 싸여 있어, 내부 도체에 흐르는 전류가 외함에 유도된다. 이 유도전류가 외함을 통해 흘러나가지 못하면 외함 전위가 올라가고, 사람이 닿으면 접촉전압이 생긴다.

정식으로 정의하면, GIS 접지는 가스절연 개폐장치의 금속 외함, 접지 도체, 기초 접지망을 연결해 정상 운전 시 외함 유도전류의 귀로를 만들고 고장 시 전위 상승을 억제하는 접지 체계다. 외함 유도전류는 도체 전류와 크기가 같고 방향이 반대인 전류로, 외함을 따라 흐르며 손실을 만든다.

핵심 용어는 다음과 같다. 접지 귀로는 고장 전류나 유도전류가 대지로 돌아가는 경로다. 1점 접지(single point grounding)는 기준점 하나에서만 외함을 접지하는 방식이다. 다점 접지(multipoint grounding)는 여러 지점에서 외함을 접지하는 방식이다. 접지 도체 임피던스는 도체 길이와 주파수에 따라 커지는 저항·리액턴스 합이다.

국제 자료에서도 단일점 접지는 외함, 시스템, 대지 사이에 등전위 영역을 만드는 기준점으로 설명되며, 설치가 쉬워 선호되는 방법으로 소개된다. 다중 경로를 만드는 방식은 신호 기준 격자처럼 여러 접지 도체를 촘촘히 연결하는 형태로 설명된다.

3. 등장 배경과 필요성

GIS는 1960년대 중반에 개발됐다. 버스, 단로기, 차단기, 피뢰기, 변압기 등을 금속 외함에 모아 공간을 크게 줄였다. 옥외형 AIS에 비해 부지 면적이 10~20% 수준이라는 설명이 있어, 도심 변전소와 발전소 근처 설치가 늘었다.

공간이 좁아질수록 외함과 접지 설계의 비중이 커진다. 외함이 길게 이어져 있으면 고장 전류가 외함을 따라 흘러 여러 지점에 전위차를 만든다. 이때 작업자가 기기 사이를 이동하면 접촉전압과 보폭전압이 생길 수 있다. 따라서 외함 접지 방식을 정하는 것이 감전 방지와 기기 보호의 출발점이 된다.

또한 운전전압이 높아지고 계통이 확대되면서 GIS 고장률이 높아졌다는 학술 보고가 있다. 외함 접지가 불량하면 절연 파괴와 고장 확대로 이어질 수 있어, 접지 설계는 신뢰도 문제로도 다뤄진다.

다음은 GIS 접지의 구성 흐름이다.

이 흐름에서 보듯 GIS 접지의 출발점은 외함 유도전류를 안전하게 처리하는 것이다.

4. 구성요소·원리·절차

GIS 접지는 금속 외함(enclosure)에 흐르는 유도전류와 고장전류가 사람에게 접촉전압을 만들지 않도록 외함을 대지에 연결하는 설계이다. 외함 접지방식은 크게 1점 접지와 다점 접지로 나뉜다. 두 방식은 접지선 길이, 외함 전위, 유도전류 분포가 다르므로 구성요소를 먼저 이해해야 한다.

표의 각 구성요소는 접지 계통의 전위 균일화를 목표로 한다. 외함 연결선과 접지 모선의 단면적은 고장전류의 크기와 통전 시간으로 정하며, 개별 수치는 설계 기준에 따른다.

1점 접지는 모든 외함의 접지 연결점을 한 곳에 모으는 방식이다. 외함 전류가 한 경로로만 흐르므로 외함 사이에 전위차가 생기기 쉽다. 외함 끝단에서 접지점까지 거리가 길어지면 외함 전위가 상승하고, 이때 외함 단자에서 접촉전압이 커질 수 있다. 따라서 1점 접지는 외함이 짧고 전위 상승이 작은 소형 설비에 적합하다.

다점 접지는 각 외함을 가까운 접지 모선에 여러 곳 연결하는 방식이다. 외함 사이의 전위차가 줄고 고장전류가 여러 경로로 분산된다. 대신 외함 사이에 순환전류(circulating current)가 흐를 수 있어 손실과 발열이 늘어난다. 이 순환전류는 외함 연결 길이와 접지 임피던스의 차이에서 생긴다.

원리는 다음과 같다. 고장전류 I_f가 접지점으로 흐르면 접지 임피던스 Z_g에 의해 외함 전위 V_s = I_f \times Z_g가 생긴다. 1점 접지에서는 외함 길이 L이 길어 Z_g의 편차가 커진다. 다점 접지에서는 접지점 수 n이 늘어 Z_g가 낮아지고 전위 상승이 1/n 수준으로 줄어든다.

절차는 다음 순서로 진행한다.

• 외함 길이와 배치를 확인하고 접지 방식(1점 또는 다점)을 정한다.
• 고장전류 크기와 통전 시간으로 접지 모선과 연결선의 단면적을 산정한다.
• 외함 전위 상승을 계산하여 접촉전압과 보폭전압이 허용 범위에 드는지 검토한다.
• 접지극 위치와 접지저항을 정하고 외함을 모선에 연결한다.
• 시공 후 접지저항과 외함 간 전위차를 측정하여 설계값과 대조한다.

1점 접지는 외함 전위차가 커지기 쉽고, 다점 접지는 순환전류가 생기는 것이 핵심 차이다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 전기설비의 접촉전압 허용 기준은 「감전재해 예방을 위한 기술상의 지침」에 있다. 이 고시는 정상운전 시와 고장 시 감전재해 방지대책을 정한다. 고장 시 자동차단 방식에서는 접촉전압별 최대 차단시간을 제시한다. GIS 외함은 고장 시 접촉전압이 이 표를 넘지 않도록 설계한다.

위 표는 접촉전압이 높을수록 허용 차단시간이 짧아진다는 점을 보여준다. 외함 전위가 커지면 차단시간을 줄여야 하므로 1점 접지 설계에서 특히 주의한다.

절연저항 기준은 절연장소 방식에 적용한다. 정격전압별 절연저항 최소값은 다음과 같다.

외함 접지의 설계 기준은 고장전류 산정과 접지저항 계산에 따른다. 접지 시스템의 상세 설계 기법은 IEEE Std 80 같은 국제 기준에서 확인할 수 있다. 국내 GIS 설계는 한국전력 규격과 IEC 62271-203 계열 기준을 함께 적용한다.