접지전극 과도특성

왜 배우는가: 접지전극의 과도특성은 낙뢰나 서지처럼 순간적으로 큰 전류가 흐를 때 접지저항이 정상상태 값과 달라지는 현상이다. 실무에서는 뇌격 시 접지계통의 전위 상승과 기기 보호를 판단하는 기준이 되므로 중요하다. 시험에서는 정상 접지저항과 과도 접지저항의 차이를 묻는 형태로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제129회 1교시 3번, 제95회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

접지전극의 과도특성은 뇌전류 등 펄스·고주파 전류가 흐를 때 접지전극의 임피던스가 정상 접지저항과 달라지는 전기적 특성이다. 접지전극의 과도특성은 뇌전류 같은 펄스·고주파 전류에 대한 과도접지저항(과도 임피던스)으로 평가한다.

핵심 키워드

• 과도접지저항
• 정상 접지저항
• surge impedance(서지 임피던스)
• 인덕턴스 성분
• 대지 이온화
• 매설 방식(매설도체 길이)
• 유효길이
• 임펄스 계수

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 접지극에 번개처럼 아주 빠르게 상승하는 전류가 들어오면 접지극은 단순한 저항이 아니라 인덕턴스와 저항이 섞인 임피던스처럼 동작한다. 그래서 같은 접지극이라도 상용 주파수 전류로 잰 값과 뇌전류로 본 값이 다르다.

정식으로 정의하면, 접지전극의 과도특성은 펄스 전류 또는 고주파 전류 인가 시 접지전극과 대지 사이의 전위 상승과 임피던스가 시간에 따라 변화하는 특성을 말한다. 접지전극은 금속체와 대지를 잇는 단자로서 보통 지중에 매설된 도체이며, 이 도체가 보이는 과도 임피던스가 과도특성의 핵심이다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

• 과도접지저항: 뇌전류 등 펄스 전류에 대해 접지극이 보이는 저항 성분. 고주파 성분을 포함한 값이다.
• 정상 접지저항: 수백 Hz 교류로 측정한 접지저항. 직류 측정값과 큰 차이가 없어 통상 접지저항으로 부른다.
• 서지 임피던스: 전류 파두가 빠를 때 접지극이 나타내는 임피던스로, 저항과 인덕턴스 성분을 함께 가진다.
• 대지 이온화: 큰 전류가 흐를 때 전극 주변 흙이 이온화되어 저항이 낮아지는 비선형 현상이다.
• 유효길이: 매설 도체 중 임펄스 전류에 실제로 전위 저감 효과를 주는 길이다.

3. 등장 배경과 필요성

접지의 기본 목적은 고장 전류를 대지로 흘려보내 기기와 인체를 같은 전위로 유지하는 것이다. 접지 저항의 대부분은 전극 근방 대지 저항에 의해 결정되며, 전류 경로 저항의 50%는 접지 전극 반경의 2배 범위, 90%는 반경의 10배 범위에 분포한다. 이 분포는 정상 상태의 접지 설계 기준이 된다.

그러나 낙뢰와 서지는 전류 상승시간이 매우 짧고 크기도 커서 정상 접지저항만으로는 전위 상승을 예측할 수 없다. 접지 봉이나 접지판에서는 정상 접지저항과 과도접지저항의 차이가 크지 않지만, 매설 전선에 의한 접지에서는 공사 방법에 따라 두 값이 다르게 나타난다. 따라서 과도특성을 별도로 고려해야 한다.

또 이 문제는 뇌서지 보호와 직결된다. 과도 임피던스가 크면 접지극 전위가 높아져 기기 절연이 위협받고, 인접 금속체와의 전위차가 커져 감전 위험이 생긴다. 등전위본딩과 접지 설계를 할 때 과도특성을 함께 보는 이유가 여기에 있다.

4. 구성요소·원리·절차

접지전극 과도특성은 뇌전류처럼 상승시간이 짧은 충격전류가 접지계로 들어올 때, 접지시스템의 임피던스가 정상 상태 접지저항과 달라지는 현상이다. 이 현상을 이해하려면 구성요소와 전류가 대지로 퍼지는 원리를 먼저 알아야 한다.

접지계의 구성요소는 다음과 같다.

표의 구성 중 접지전극이 과도 특성을 좌우한다. 접지도선과 접지전극의 저항은 작아서 무시할 수 있으므로, 접지저항은 전극과 토양의 접촉 저항 및 전극 주변 대지의 저항으로 결정된다. 전류 경로의 저항 분포를 보면 전극 반경의 2배 범위에 전체 경로 저항의 50%가 있고, 반경의 10배 범위에 90%가 있다. 따라서 접지저항의 대부분은 전극 근방 대지의 저항이 결정한다.

과도 특성의 원리는 두 가지다. 첫째, 뇌격전류는 상승시간이 매우 짧은 펄스이므로 접지계는 저항뿐 아니라 인덕턴스와 정전용량 성분의 영향을 받는다. 전류 변화율이 클수록 전극의 유도성 임피던스가 커진다. 둘째, 전류 밀도가 큰 전극 주변에서는 토양이 이온화되어 도전 경로가 넓어지므로 임피던스가 감소하는 비선형 효과가 생긴다. 이 두 효과가 겹쳐 충격임피던스는 정상 상태 값과 크게 달라진다.

접지봉이나 접지판은 정상 접지저항과 과도접지저항의 차이가 크지 않다. 반면 매설지선은 시공 방법에 따라 정상 값과 과도 값이 크게 달라진다. 따라서 매설지선 접지계는 과도 특성을 별도로 검토해야 한다.

과도 응답의 흐름은 다음 도식과 같다.

과도 특성의 정량 지표는 충격계수다. 충격계수는 충격접지저항을 정상 접지저항으로 나눈 값이다.

$\alpha = \frac{R_{imp}}{R_{0}}$

여기서 R_{imp}는 충격전류에 대한 접지저항(Ω), R_{0}는 정상 상태(상용주파수 또는 직류 측정) 접지저항(Ω), \alpha는 무차원 충격계수다. 충격계수가 1보다 작으면 충격 시 접지저항이 낮아진 것이고, 1보다 크면 인덕턴스 영향으로 임피던스가 커진 것이다. 정상 상태 값만으로 설계하면 뇌격 시 전위 상승을 과소평가할 수 있다.

과도 특성 해석 절차는 다음과 같다.

• 접지계의 형상과 매설 깊이, 토양 저항률을 정한다.
• 정상 상태 접지저항 R_{0}를 측정하거나 계산한다.
• 뇌격전류의 파형과 크기를 정하고 충격임피던스 R_{imp}를 구한다.
• 충격계수 \alpha를 구하고, 이를 이용해 접지 전위 상승을 검토한다.
• 접촉·보폭 전압이 허용 범위를 넘으면 매설지선 추가 등으로 보강한다.

5. 관련 법령·기준·표준

접지 관련 현행 기준은 2021-01-01부터 시행된 한국전기설비규정(KEC)이다. 옛 '전기설비기술기준의 판단기준'은 KEC로 대체되었다. 접지시스템은 KEC의 접지 관련 조항에서 규정하고, 피뢰설비는 피뢰 관련 국가표준(KS C IEC 62305 시리즈)에서 접지극의 형태와 시설을 다룬다. 접지극의 시설 기준 중 매설 깊이와 접지저항 기준은 다음 표와 같다.

표의 매설 깊이는 접지극을 동결과 지표 변화의 영향에서 벗어나게 하는 최소 깊이다. 접지저항 측정은 직류 대신 수백 Hz 교류로 하며, 측정값을 통상 접지저항이라 부른다. 충격계수는 기준 조항이 아니라 해석 지표이므로 값보다 정의와 적용 방향을 이해해야 한다.

외국 기준에서는 접지극의 충격 특성을 별도 시험으로 확인하는 방식이 쓰인다. 본 절에서는 개념 차이만 정리하며, 기준별 세부 값은 해당 기준 원문으로 대조해야 한다.

개정 흐름의 핵심은 접지시스템 조항이 KEC로 통합되었다는 점이다. 과도 특성 자체를 규정하는 수치는 기준 체계에 따라 달라지므로, 답안에서는 정상 접지저Rr와 충격 접지저항을 구분해 쓰는 것이 안전하다.

6. 유형과 비교

접지전극은 형상과 매설 방식에 따라 저항 특성과 과도특성이 크게 달라진다. 설계 전에 접지전극 유형별 특성을 구분해 두어야 한다. 대표적인 유형은 봉형, 판형, 매설지선형(방사형), 그리드(격자)형이다.