접지저항 측정원리

왜 배우는가: 접지저항은 피뢰·접지 설계와 준공 검사에서 가장 자주 측정되는 항목이며, 대지저항률이 결과를 좌우하기 때문에 측정 원리와 대지저항률의 개념을 함께 이해해야 답안을 정확히 쓸 수 있다. 4교시 논술과 2교시 문제에서 반복해 출제되는 핵심 주제다.

출제 이력: 제137회 4교시 4번, 제110회 4교시 4번, 제108회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

접지저항(Grounding Resistance)은 접지극에서 대지 원격 지점까지 흐르는 전류 경로의 저항으로, 접지극 자체의 저항과 접지극 주변 대지의 저항률에 따라 결정되는 값이다.

접지저항은 접지극과 대지 사이의 전기적 저항으로, 대지저항률과 접지극의 형상·치수에 따라 정해진다.

• 접지저항
• 대지저항률
• 전위강하법(Fall-of-Potential Method)
• Wenner 4전극법
• 접지극 매설 깊이
• 계절변동계수
• 전극 간격(a)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 접지저항은 땅으로 전류를 흘려보낼 때 땅이 얼마나 방해하는지를 나타내는 값이다. 땅이 전기를 잘 통하면 접지저항이 작고, 잘 통하지 않으면 크다.

정식으로는 접지극에 전류를 흘렸을 때 접지극의 전위 상승을 흘린 전류로 나눈 값으로 정의한다. 식으로는 $R_g = \frac{V_g}{I_g}$ 로 쓰며, V_g는 접지극의 대지전위 상승(V), I_g는 접지극으로 흘린 전류(A), R_g는 접지저항(Ω)이다.

대지저항률(Soil Resistivity) 은 단위 체적의 대지가 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내며, 단위는 Ω·m다. 접지저항의 크기를 결정하는 기본 물성값이다. 접지극의 치수가 같더라도 대지저항률이 10배 커지면 접지저항도 대략 10배에 가깝게 커진다. 따라서 설계에서는 대지저항률을 먼저 측정하고 접지극 형상을 정한다.

전위강하법(Fall-of-Potential Method) 은 접지극에 전류를 흘리고, 전류 보조전극과 전위 보조전극을 일정 간격으로 세워 전위 분포를 측정하여 접지저항을 구하는 방법이다. 측정 원리가 명확하여 가장 널리 쓰이는 접지저항 측정법이다.

Wenner 4전극법(Wenner Four-Electrode Method) 은 같은 간격 a로 네 개의 전극을 일직선상에 박고, 바깥 두 전극으로 전류를 주입하고 안쪽 두 전극 사이 전위차를 측정하여 대지저항률을 구하는 방법이다. 대지저항률 측정의 표준 방법으로 쓰인다.

3. 등장 배경과 필요성

접지는 사고 시 고장전류를 대지로 흘려보내고, 사람이 접촉했을 때 접촉전압과 보폭전압을 허용 한도 이하로 낮추기 위해 시설한다. 이 기능이 제대로 되려면 접지저항이 설계값 이하여야 한다.

접지저항은 시공 직후에는 맞더라도 대지의 수분과 온도가 변하면서 시간에 따라 달라진다. 그래서 설계 단계에서는 대지저항률을 측정하고 계절에 따른 변동을 고려해야 한다. 측정 없이 접지극 수만 늘리는 설계는 실제 저항을 맞추지 못하는 경우가 많다.

국내 기술기준은 통신관련시설의 접지저항을 10Ω 이하로 두는 등 설비별로 기준 저항값을 정하고 있으며, 전기설비 접지는 한국전기설비규정(KEC)에 따른다. 기준값을 만족하려면 측정으로 현재 저항을 확인하고, 저감 방법을 적용할지 판단해야 한다.

대지저항률의 영향 요인은 토양의 종류, 함유 수분, 온도, 계절, 화학 성분, 암석 종류 등이다. 같은 장소라도 계절에 따라 값이 달라지므로 측정 시기와 계절변동 보정이 필요하다.


4. 구성요소·원리·절차

전위강하법은 접지극에 전류를 흘렸을 때 대지에 생기는 전위분포를 측정해 접지저항을 구하는 방법이다. 측정에 쓰는 구성요소는 다음과 같다.

표의 구성요소는 모두 대지에 매설하거나 접속해 하나의 회로를 이룬다. 전류전극은 충분히 멀리 두어야 전위분포 간섭이 작다. 전압전극의 위치를 바꾸며 얻은 전압 값으로 저항을 판단한다.

전위강하(Fall of Potential) 원리는 다음과 같다. 접지극 E와 전류전극 C 사이에 전류 I를 흘리면 E 주변에 전위 상승이 생긴다. 이때 E와 P 사이 전압을 V라 하면 접지저항은 R = V / I 로 구한다. 전압전극 P를 E에서 C 쪽으로 이동하면 전위가 점점 변하여 하나의 곡선을 그린다. 이 곡선에서 평탄하게 안정된 구간의 전위를 읽어 저항으로 환산한다. 정확한 판독을 위해 62% 지점을 P 위치로 잡는 방식이 널리 쓰인다.

전위강하법은 전류전극과 전압전극의 거리에 따른 전위 변화를 이용해 접지저항을 구하는 방법이다.

측정 절차는 다음과 같다.

• 피측정 접지극 E에서 충분히 떨어진 곳에 전류전극 C를 설치한다.
• 측정 전류를 E와 C 사이에 인가한다.
• 전압전극 P를 E에서 C 방향으로 여러 거리에 놓고 전압을 측정한다.
• 거리와 전압의 관계 곡선을 작성한다.
• 곡선이 평탄해지는 구간, 특히 62% 지점의 전압으로 저항을 산출한다.
• 전극 거리를 바꾸어 재측정하고 결과가 일치하는지 확인한다.

대지저항률 측정에는 Wenner 4전극법을 쓴다. 전극 간격 a, 측정 저항 R로 대지저항률 ρ는 다음과 같다.

$\rho = 2\pi a R$

여기서 ρ는 대지저항률[Ω·m], a는 전극 간격[m], R은 측정된 저항[Ω]이다.

5. 관련 법령·기준·표준

접지저항 기준은 적용 설비에 따라 다르다. 방송통신설비의 접지는 「접지설비·구내통신설비·선로설비 및 통신공동구등에 대한 기술기준」(고시)에서 정한다. 전기설비의 접지는 2021-01-01부터 시행된 한국전기설비규정(KEC)을 따른다. 구 '전기설비기술기준의 판단기준'은 대체됐다. 아래 표는 방송통신 고시의 접지 기준값이다.

표의 값은 접지저항이 클수록 완화되는 구조다. 기준 저항에 맞추기 어려운 특수 지형에서는 100Ω 이하까지 허용된다. 측정값이 기준을 넘으면 접지극 추가나 저감 공사를 한다.

개정 연혁으로는 화재안전 기준처럼 명칭이 바뀐 사례는 확인되지 않았다. 측정 결과 보고와 유지관리는 고시 제5조⑥에 따라 접지저项을 기준치로 유지하도록 관리해야 한다.

6. 유형과 비교

접지저항 측정과 대지저항률 측정은 목적과 방법이 다르므로 함께 정리해 둔다. 아래 표는 측정 방법의 대표 유형을 비교한 것이다.