접촉전압·보폭전압 보호

왜 배우는가: 접촉전압과 보폭전압은 지락사고나 뇌격 시 대지전위 상승으로 사람이 받는 전압이며, 접지설계의 안전성을 판단하는 기준이다. 시험에서는 허용 접촉·보폭전압의 산출, 저감대책, 계산 문제로 매회 반복해 출제된다.

출제 이력: 제126회 1교시 10번, 제120회 1교시 8번, 제120회 4교시 4번, 제116회 3교시 4번, 제113회 1교시 3번, 제111회 1교시 6번, 제110회 1교시 3번, 제95회 1교시 11번, 제90회 1교시 8번, 제89회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

접촉전압과 보폭전압은 접지극 주변 대지전위 상승으로 사람의 신체에 가해지는 전압으로, 허용값 이내로 제한하는 것이 접지설계의 핵심이다.

접촉전압은 기기 외함과 대지 사이에서 사람이 받는 전압이고, 보폭전압은 양발 사이(약 1m)에 걸리는 전위차다.

• 접촉전압
• 보폭전압
• 대지전위 상승
• 허용접촉전압
• 허용보폭전압
• 인체저항
• 지락전류
• 대지저항률

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 전기가 땅으로 흘러 들어갈 때 땅 위의 전위가 높아지고, 그 위에 서 있는 사람이 전위 차이를 느끼는 현상이다. 접지극에 가까울수록 전위가 높고, 멀어질수록 낮아진다. 그래서 사람이 두 발을 벌리거나 기기를 만지면 전압차가 생긴다.

접촉전압(Touch Voltage)은 전기기기의 외함이나 구조물과 그 부근 지표면 사이에서 사람이 손과 발로 동시에 접촉했을 때 인체에 인가되는 전압이다. 고장전압 중 인체에 걸리는 부분을 의미하며, 저압 전로에서 절연 열화로 누전이 일어날 때 주로 문제가 된다.

보폭전압(Step Voltage)은 사람의 두 발 사이, 통상 보폭 약 1m 사이에 걸리는 전위차다. 접지극을 통해 대지로 전류가 흐를 때 지표면에 형성되는 전위분포 때문에 발생한다. 접지극 바로 옆에서 가장 크고, 멀어질수록 작아진다.

대지전위 상승(Ground Potential Rise, GPR)은 접지극에 전류가 유입될 때 접지극 전위가 원격 기준 대지(무한원점)에 대해 올라가는 값이다. 접촉전압과 보폭전압은 모두 이 대지전위 상승에서 파생된다.

허용접촉전압과 허용보폭전압은 사람이 감전되어도 심실세동 등 위험한 생리적 영향이 나타나지 않도록 정한 전압 한계다. 인체에 흐르는 허용 전류, 인체저항, 통전시간, 대지표면층 저항률로 결정된다.

3. 등장 배경과 필요성

전력계통이 고압·특고압으로 커지고 지락사고 전류가 커지면서, 접지극 주변 대지전위 상승이 사람에게 위험한 전압을 줄 수 있게 되었다. 특히 변전소와 발전소, 고압 설비 주변에서 지락이 발생하면 짧은 거리에서도 전위차가 커진다.

저압 계통에서는 누전 사고 시 기기 외함에 전압이 나타나고, 사람이 접촉할 때 접촉전압이 문제가 된다. 이때 접지저항이 낮아도 대지전위 상승 자체를 막기는 어렵기 때문에, 차단기로 고장 지속시간을 짧게 하여 인체 노출을 줄이는 방식이 함께 쓰인다.

뇌격 시에도 피뢰설비 접지극과 인하도선 주변에서 큰 전류가 흐르므로 접촉전압과 보폭전압이 발생한다. 이는 낙뢰 보호에서도 인축 상해를 막기 위한 설계 요건이 된다.

통합접지나 등전위본딩이 요구되는 것도 같은 이유다. 모든 도전부를 같은 전위로 묶으면 사람이 동시에 접촉하는 두 점 사이의 전위차가 줄어든다. 이 원리는 접촉전압 저감의 기본이 된다.