IEEE Std 80 접지설계

왜 배우는가: 접지설계는 변전소 사고에서 사람의 감전 안전을 직접 결정하는 절차다. 접지저항 값만으로는 안전을 보장할 수 없어 접촉전압과 보폭전압을 함께 검토해야 하며, 이 때문에 IEEE Std 80 의 인체허용전류와 허용전압 개념이 시험에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제137회 3교시 3번, 제131회 3교시 2번, 제122회 3교시 4번, 제116회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

IEEE Std 80 접지설계는 고장전류 시 접촉전압과 보폭전압이 인체허용전압 이내가 되도록 접지망의 크기와 배치를 정하는 절차다.

핵심 키워드

• 접지설계
• 접촉전압
• 보폭전압
• 인체허용전류
• 허용접촉전압
• 허용보폭전압
• 표면층 저항률

접지설계는 접지저항의 크기만 보지 않고 사람이 닿는 위치의 전위차까지 함께 본다. 허용접촉전압과 허용보폭전압은 계산 결과를 비교하는 인체 안전 한계다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 변전소 접지망에 고장전류가 들어오면 주변 땅의 전위가 올라간다. 이를 접지 전위상승(GPR)이라 한다. 이때 사람이 접지된 구조물과 땅을 동시에 닿으면 몸에 전압이 걸린다. 이 전압이 인체허용값을 넘으면 감전사고가 난다. 접지설계는 이 전압을 허용값 아래로 누르는 설계다.

IEEE Std 80은 미국전기전자학회(IEEE)가 제정한 변전소 교류 접지 안전 지침이다. 정식 명칭은 Guide for Safety in AC Substation Grounding이다. 접지망 설계 절차와 인체 안전 한계를 함께 제시한다.

접촉전압은 사람이 접지된 금속체를 잡았을 때, 그 금속체와 발 사이에 걸리는 전압이다. 보폭전압은 두 발 사이, 보폭 약 1m 거리에 걸리는 전압이다. 두 전압은 같은 고장전류에서 생기지만 전류가 흐르는 경로가 다르다. 접촉전압은 손에서 발로, 보폭전압은 한 발에서 다른 발로 흐른다.

인체허용전류는 감전 시 심실세동을 일으키지 않는 전류의 한계다. 체중 50kg 기준의 식은 다음과 같다.

$I_B = \frac{0.116}{\sqrt{t_s}}$

I_B는 인체허용전류[A], t_s는 고장 제거 시간[s]이다. 체중이 다르면 체중별 기준에 따라 계수 값을 따로 쓴다. 통전 시간이 길수록 허용 전류가 작아진다.

허용접촉전압과 허용보폭전압은 인체허용전류에 인체 저항과 발 저항을 곱해 구한다. 인체 저항은 1,000Ω으로 보고, 접촉 시 발 저항은 1.5ρ_s C_s, 보폭 시에는 발 두 개가 직렬로 들어가 6ρ_s C_s로 본다. 식은 다음과 같다.

$E_{touch} = (1000 + 1.5\,C_s\,\rho_s)\,\frac{0.116}{\sqrt{t_s}}$

$E_{step} = (1000 + 6\,C_s\,\rho_s)\,\frac{0.116}{\sqrt{t_s}}$

ρ_s는 표면층 저항률[Ω·m], C_s는 표면층 저감계수다. 표면층 저감계수는 다음과 같다.

$C_s = 1 - \frac{0.09\,(1 - \rho/\rho_s)}{2h_s + 0.09}$

ρ는 대지 저항률[Ω·m], h_s는 표면층 두께[m]다. 자갈 등 고저항 표면층을 깔면 C_s가 1보다 작아지고 허용전압이 올라간다. 대지 저항률과 표면층 저항률이 같으면 C_s는 1이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

접지설계는 예전에는 접지저항 값을 낮추는 데 초점이 있었다. 그러나 접지저항이 낮아도 접지망 주변에서 전위차가 크면 사람은 감전될 수 있다. 접지 저항과 접촉·보폭전압은 서로 다른 문제이므로 전압을 직접 제한하는 기준이 필요해졌다.

변전소는 고장전류가 크고 사람이 접지 구조물에 가까이 가는 장소다. 계통 용량이 커질수록 접지망에 흐르는 고장전류가 늘고, 접지 전위상승도 함께 커진다. 설계자마다 허용 기준이 달라 결과가 달라지는 문제를 줄이려고 IEEE Std 80이 계산 절차와 허용 기준을 정리했다.