접지선 굵기 산정

왜 배우는가: 접지선 굵기는 지락이나 단락 때 흐르는 큰 고장전류를 견디도록 정하는 값이라서 실무 설계와 설비 안전에 직접 쓰인다. 기술사 시험에서는 계산 근거와 적용 조건을 함께 묻는 문항으로 반복 출제된다.

출제 이력: 제114회 1교시 4번, 제98회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

접지선 굵기 산정은 고장전류가 접지선에 흘러도 과열되지 않는 최소 단면적을 구하는 계산이다.

• 접지선
• 고장전류
• 열적 허용 단면적
• 최대허용온도
• 주위온도
• 단락용량
• 제1종 접지
• 단열 가정

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 접지선은 누전이나 단락이 났을 때 큰 전류를 대지로 흘려보내는 선이다. 이 전류가 흐르는 동안 접지선이 뜨거워지면 피복이 녹거나 접속부가 손상된다. 그래서 접지선의 굵기는 고장전류가 흐르는 시간 동안 도체 온도가 허용 한도를 넘지 않도록 정한다.

정식 정의는 다음과 같다. 접지선 굵기 산정은 접지도체에 고장전류 I(A)가 통전 시간 t(s) 동안 흐를 때 도체 온도가 최대허용온도를 넘지 않는 최소 단면적 A(mm²)를 구하는 절차다.

• 단열 가정(Adiabatic): 고장이 지속되는 짧은 시간 동안 도체에서 발생한 열이 주위로 빠져나가지 않는다고 보는 가정이다. 고장 시간이 수 초 이내로 짧으므로 이 가정을 쓴다.
• 열적 허용 단면적: 고장전류의 열량을 도체가 온도 상승으로 감당할 수 있는 최소 단면적이다.
• 최대허용온도: 피복 재료와 주변 설비가 견디는 도체의 최고 온도다. 절연전선을 옥내에 쓰는지 여부에 따라 값이 달라진다.
• 주위온도: 고장 전 도체가 놓인 주변 온도다. 최대허용온도와의 차이가 온도 상승 여유가 된다.
• 제1종 접지: 고압·특고압 설비의 접지 가운데 고장 시 큰 전류가 흐르는 접지 계통을 말한다. 특고압 수전 설비에서는 고장전류의 크기가 전원측 단락용량으로 정해진다.

3. 등장 배경과 필요성

전력 계통의 용량이 커지면서 고장 시 흐르는 전류도 커졌다. 같은 굵기의 접지선이 큰 고장전류를 받으면 짧은 시간 안에 과열될 수 있다. 과거에는 설비 종류별로 굵기를 고정해서 쓰는 경우가 많았지만, 수용가마다 단락용량이 달라 고정값으로는 안전을 보장하기 어렵다.

그래서 단락용량과 보호장치의 차단 시간을 바탕으로 굵기를 계산하는 방식이 쓰인다. 단락전류는 단락용량과 전압으로부터 구한다. 3상 기준으로는 I=\frac{P_s}{\sqrt{3}\,V} 를 쓰며, P_s는 단락용량(VA), V는 선간전압(V)이다.

관련 법규도 접지의 목적을 분명히 한다. 전기설비기술기준은 이상 시 전위상승이나 고전압 침입으로 인한 감전과 화재를 막도록 접지를 하고, 접지 전류가 안전하고 확실하게 대지로 흐르도록 시설하라고 규정한다. 접지선 굵기 계산은 이 원칙을 수치로 옮긴 절차다. 한국전기설비규정(KEC)이 2021년부터 시행되면서 접지 설계는 이 체계 안에서 이루어진다.

• 굵기 부족: 과열로 피복이 손상되고 접지 기능을 잃는다.
• 굵기 과다: 설비 비용이 늘고 시공성이 떨어진다.
• 따라서 계산으로 최소 굵기를 정하고, 여유는 설계 기준에 따라 더한다.

4. 구성요소·원리·절차

접지선 굵기는 고장전류가 접지도체를 흐를 때 줄열로 오르는 온도가 허용값을 넘지 않도록 정한다. 접지계통은 접지극, 접지도체, 주접지단자로 이루어지며, 굵기 산정의 대상은 접지도체다.

접지극은 저항으로 전류를 대지에 흘리고, 접지도체는 그 전류를 그대로 받아 나른다. 따라서 굵기는 접지극 저항이 아니라 고장전류의 크기와 차단 시간으로 정한다.

고장전류 I가 시간 t 동안 도체에 흐르면 줄열 H = I^2 R t가 발생해 도체 온도가 오른다. 고장 시간이 짧으면 열이 주위로 빠져나갈 틈이 없다고 보는 단열 가정을 쓴다. 이 가정에서 도체 온도 상승은 I\sqrt{t}에 비례하므로, 필요한 단면적도 같은 형태로 나온다.

$A = \frac{I\sqrt{t}}{k}$

• A: 접지도체 단면적[mm²]
• I: 고장전류(실효값)[A]
• t: 고장 지속시간[s], 보호계전기와 차단기의 동작 시간
• k: 재질의 저항률, 열용량, 허용온도 상승에 따른 상수[A·√s/mm²]

고장전류는 3상 단락용량 S와 선간전압 V로 구한다.

$I = \frac{S}{\sqrt{3}\,V}$

산정 절차는 다음과 같다.

• 3상 단락용량 S와 전압 V로 고장전류 I를 구한다.
• 보호계전기와 차단기의 동작 시간으로 고장 지속시간 t를 정한다.
• 접지도체의 허용온도와 주위온도로 재질 상수 k를 정한다.
• A = I\sqrt{t}/k로 단면적을 구하고 규격 단면적으로 올린다.
• 최소 단면적 기준과 비교해 큰 값을 채택한다.

위 흐름에서 단락용량과 차단 시간은 계통 조건으로 정해지고, 재질 상수는 허용온도로 정해진다. 세 값 중 하나라도 바뀌면 단면적이 달라진다.

5. 관련 법령·기준·표준

접지 설계의 기본은 「전기설비기술기준」 제6조(전기설비의 접지)에 있다. 이 조문은 전기설비의 필요한 곳을 접지하고, 전류가 안전하고 확실하게 대지로 흐를 수 있도록 하라고 규정한다. 접지도체의 굵기는 이 목적을 만족하는지를 수치로 확인하는 과정이다.

수전 전압의 등급도 굵기 산정 조건에 영향을 준다. 「전기설비기술기준」은 특고압을 7kV 초과인 것으로 정한다. 22.9kV 수전 설비는 특고압에 해당하므로 특고압 계통의 고장전류 조건을 적용한다.

표의 값은 계산 조건과 기준의 하한을 함께 보여준다. 고장전류 계산 결과가 최소 단면적보다 작으면 최소 단면적을 채택한다.

구 「전기설비기술기준의 판단기준」은 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)으로 대체됐다. 접지도체 설계는 현행 KEC 체계에 따라야 하며, 옛 판단기준의 번호를 인용하지 않는다.

6. 유형과 비교

접지선 굵기 계산에서 함께 나오는 조건은 고장전류의 크기, 접지선의 허용온도, 전선의 종류다. 세 조건이 바뀌면 같은 고장전류라도 필요한 단면적이 달라진다. 아래 표는 조건별 차이를 정리한 것이다.

허용온도가 높을수록 온도 상승폭이 커지므로 같은 전류에서 필요한 단면적은 작아진다. 반대로 절연물의 열한계가 낮으면 허용온도를 낮게 잡아야 하고, 단면적은 커진다. 따라서 답안에는 허용온도와 주위온도를 함께 밝혀 적는다.