접지공사

왜 배우는가: 접지공사는 감전과 화재를 막는 기본 설비이며, 접지저항 기준과 종류 구분은 전기안전기술사 시험에서 반복적으로 출제된다. 제2종 접지저항식(150/I, 300/I, 600/I)의 의미를 알아야 계산 문제와 설명 문제에 함께 답할 수 있다.

출제 이력: 제93회 3교시 4번, 제87회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

첫 줄 정의: 접지공사는 전기설비의 필요한 부분을 대지와 전기적으로 접속하여 이상 시 전위 상승과 고장 전류를 대지로 안전하게 흘리는 공사이다.

핵심 키워드

• 접지공사
• 접지극
• 접지도체
• 접지저항
• 1선지락전류
• 전위 상승
• 제1종 접지공사
• 제2종 접지공사
• 제3종 접지공사
• 특별 제3종 접지공사

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 접지공사는 사고 때 전기가 사람 대신 땅으로 빠져나가도록 길을 만들어 두는 공사다. 기계기구의 외함에 전압이 걸리더라도 외함과 대지 사이 저항이 작으면 외함 전압이 낮게 머물러 사람이 닿아도 위험이 줄어든다.

정식으로 정의하면 접지공사는 전기설비의 필요한 금속부 또는 계통의 중성점을 접지도체로 접지극에 연결하여 대지와 도통시키는 공사이다. 접지극은 대지에 매설한 도체이고, 접지도체는 접지극과 설비를 잇는 도체이다.

접지의 성능은 접지저항으로 나타낸다. 접지저항은 접지극과 대지 사이의 저항이며 단위는 Ω이다. 접지저항이 작을수록 고장 전류가 대지로 쉽게 흐르고 외함의 대지 전위 상승이 작아진다.

한 선이 대지에 닿아 흐르는 고장 전류를 1선지락전류라 하며 기호 I, 단위는 A이다. 제2종 접지공사의 허용 접지저항은 이 전류의 크기로 정해진다.

판단기준(구 명칭)은 접지공사를 네 종류로 구분하고, 현행 한국전기설비규정(KEC)으로 대체되었다. 종류별 기준은 다음과 같다.

• 제1종 접지공사: 고압·특고압 기계기구의 외함 등에 적용하며 접지저항은 관련 기준이 정한 값 이하이다.
• 제2종 접지공사: 고압 또는 특고압 전로와 저압 전로가 혼촉할 때 저압 측을 보호하는 접지이다. 접지저항은 1선지락전류에 따라 관련 기준이 정한 값 이하이다. 고압·특고압 전로에 자동 차단장치가 있으면 R \le 300/I Ω 이하, 1초 이내에 자동 차단하면 R \le 600/I Ω 이하로 완화한다.
• 제3종 접지공사: 400V 미만 저압 기계기구의 외함 등에 적용하며 접지저항은 100Ω 이하이다.
• 특별 제3종 접지공사: 사람이 쉽게 접촉하는 저압 기계기구의 외함 등에 적용하며 접지저항은 관련 기준이 정한 값 이하이다(저압 전로에 0.5초 이내 자동 차단장치를 시설하는 경우에는 누전차단기 정격감도전류에 따른 특례값 이하로 할 수 있다).

제2종의 식에서 R은 접지저항[Ω], I는 1선지락전류[A]이다. 식의 분자 150, 300, 600은 허용 전위 상승의 크기[V]에 해당한다. R과 I를 곱하면 지락 때 접지극에 걸리는 전위 상승 E = R \times I가 되므로 R \le 150/I이면 E \le 150V가 된다.

분자가 커지는 이유는 자동 차단으로 고장 지속 시간이 짧아지기 때문이다. 고장이 짧게 끝나면 사람이 받는 위험이 줄어 허용 전위 상승을 더 높게 잡을 수 있다. 따라서 자동 차단장치가 있으면 300, 1초 이내 차단이면 600을 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

접지공사가 필요한 가장 큰 이유는 고압 전로와 저압 전로가 서로 닿는 혼촉 사고이다. 변압기 내부에서 고압 권선과 저압 권선이 붙으면 고압이 저압 설비로 들어와 저압 기기 외함과 사람에게 위험을 준다. 이때 접지가 있으면 그 전류가 대지로 흘러 전압 상승이 제한된다.

전기설비기술기준 제6조 제1항은 이상 시 전위 상승과 고전압 침입 등에 의한 감전과 화재를 막도록 필요한 곳에 접지를 하도록 규정한다. 같은 조 제2항은 접지할 때 전류가 안전하고 확실하게 대지로 흐르도록 하라고 정한다. 접지는 선택 사항이 아니라 설비 안전의 기본 조건이다.

전력계통이 고압화되고 지락 전류가 커지면서 접지의 중요성은 더 커졌다. 같은 설비라도 계통의 중성점 접지 방식과 지락 전류 크기에 따라 필요한 접지저항이 달라지므로, 접지공사는 계통 조건과 함께 검토해야 한다.

기준 체계도 바뀌었다. 구 판단기준의 접지공사 구분은 한국전기설비규정(KEC)이 2021년 1월 1일부터 시행되면서 접지시스템 규정으로 대체되었다. 답안에서는 구 명칭을 한 번 밝히고 현행 KEC 접지시스템 체계를 함께 쓰는 것이 안전하다.

접지공사의 목적은 세 가지로 정리된다. 첫째는 감전 방지, 둘째는 고장 전류의 안전한 대지 귀로, 셋째는 뇌와 혼촉에 따른 이상 전압의 억제이다. 이 세 목적이 접지저항 기준과 접지 종류 구분의 근거가 된다.

4. 구성요소·원리·절차

접지공사는 전기설비의 금속제 외함이나 중성점을 대지와 낮은 저항으로 잇는 공사다. 구성요소는 접지극, 접지도체, 접지 대상 기기의 세 가지다. 접지극은 대지와 직접 접촉해 전류를 흘리고, 접지도체는 기기와 접지극을 연결한다.

접지의 원리는 전위 상승의 억제다. 누전이나 혼촉으로 외함에 고장전류가 들어오면 접지저항을 통해 전류가 대지로 빠진다. 이때 외함의 대지 전위 상승이 접지저항 × 고장전류 로 제한되어 사람이 접촉해도 위험한 전압이 걸리지 않는다. 또 고장전류가 보호장치를 동작시키는 크기로 흘러야 하므로 접지저항은 낮아야 한다.

접지극의 저항은 대지저항률에 비례하고 접지극 치수에 반비례한다. 봉형 접지극의 근사식은 다음과 같다.

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

여기서 R은 접지저항(Ω), \rho는 대지저항률(Ω·m), L은 접지극 길이(m), d는 접지극 지름(m)이다. 접지극을 길게 하면 저항이 줄지만 증가율이 점차 둔해지므로, 저항이 높으면 접지극 수를 늘리거나 다른 저감 방법을 함께 쓴다.

절차는 다음과 같다.

• 접지 대상 기기를 고른다(노출 금속부, 고압·특고압 기기의 외함, 중성점).
• 접지 종별을 정한다(제1종, 제2종, 제3종, 특별 제3종).
• 제2종은 변압기 고압·특고압측의 1선 지락전류 I(A)를 산정한다.
• 종별에 따른 목표 접지저항을 정한다.
• 대지저항률을 측정하고 접지극 형식과 치수를 설계한다.
• 시공 후 접지저항을 측정해 목표치 이하임을 확인한다.

5. 관련 법령·기준·표준

접지공사의 종별과 접지저항 기준은 과거 「전기설비기술기준의 판단기준」 제18조에 있었다. 2021-01-01부터 이 기준은 한국전기설비규정(KEC)으로 대체되었다. 그러나 종별 명칭과 계산식은 실무와 수험에서 여전히 널리 쓰이므로 아래 표로 정리한다. 전기설비기술기준(고시)의 제6조는 필요한 곳에 접지를 하고 전류가 안전하고 확실하게 대지로 흐르도록 하라고 규정한다.

제1종과 특별 제3종은 고정된 값이다. 반면 제2종은 지락전류에 따라 값이 정해진다. 1선 지락전류가 클수록 허용 접지저항은 작아진다. 자동 차단 시간이 짧으면 허용값을 높이는 완화 규정이 있다. 이 완화 값은 고장 제거 시간을 반영한 것이다.

제2종 완화 계수는 차단 시간에 따라 관련 기준이 정한 값 이하로 쓰인다. 이 계수는 고압·특고압 혼촉 시 저압 기기를 보호하는 조건을 반영한다. 계산할 때는 I를 A 단위로 대입하고, 결과는 Ω으로 정리한다.