중성점 접지 및 유효접지

왜 배우는가: 중성점 접지는 1선 지락 시 건전상 전압 상승, 절연 설계, 보호계전기 동작 신뢰성을 좌우하는 전력계통의 기본 설계 요소다. 유효접지·비유효접지 구분과 접지방식 선정은 기술사 시험에서 용어형과 논술형으로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제132회 1교시 9번, 제122회 1교시 12번, 제120회 3교시 6번, 제117회 1교시 2번, 제110회 1교시 4번, 제108회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

중성점 접지는 변압기·발전기 중성점을 대지에 연결하여 1선 지락 시 고장전류와 건전상 대지전위 상승을 제한하는 방식이다.

• 중성점 접지
• 유효접지
• 비유효접지
• 지락전류 제한
• 건전상 전위 상승
• 접지계수
• 영상전류
• 소호리액터 접지

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 전력계통의 가운데 점(중성점)을 땅과 어떻게 이어 둘지 정하는 것이다. 한 상이 땅에 닿는 지락사고가 났을 때, 중성점을 땅에 직접 또는 저항·리액터로 연결하면 고장전류의 크기가 달라지고, 그에 따라 정상인 두 상의 대지전압도 달라진다.

정식으로는 중성점 접지란 전력계통에서 변압기 또는 발전기의 중성점을 대지에 접속하는 방식을 말한다. 접지 임피던스의 종류에 따라 직접접지, 저항접지, 리액터접지, 소호리액터 접지 등으로 나뉜다. 이 접지 방식은 지락전류 제한과 건전상 전위 상승 억제를 목적으로 한다.

유효접지(effectively grounded)는 1선 지락 시 건전상의 대지전위 상승이 상전압의 일정 배율 이하로 억제되도록 중성점 임피던스를 낮게 잡은 접지다. 일반적으로 접지계수가 1.3 이하인 경우를 유효접지로 본다. 이 값은 상전압 기준의 상승률이다.

비유효접지는 중성점 임피던스가 커서 건전상 전위 상승이 크게 나타나는 접지다. 비접지, 소호리액터 접지, 고저항 접지가 여기에 속한다.

영상전류는 세 상 전류의 벡터합으로 나타나는 영상분 전류이며, 지락 사고 검출의 기준이 된다. 1선 지락 때 영상전류는 접지 임피던스를 통해 대지로 흘러 돌아온다.

이 세 개념은 서로 묶여 있다. 중성점 임피던스가 작으면 지락전류는 커지고 건전상 상승은 작아지며, 임피던스가 크면 그 반대가 된다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 송전계통은 중성점을 접지하지 않는 비접지 방식이 많았다. 비접지 방식은 1선 지락 시 고장전류가 작아 당장은 계속 운전이 가능했다. 그러나 전압이 높아지고 선로가 길어지면서 충전전류가 커졌고, 간헐적 아크 지락에 따른 이상전압과 건전상 전위 상승 문제가 나타났다.

계통 전압이 초고압 이상으로 올라가면서 절연 설계의 경제성이 중요해졌다. 중성점을 유효접지하면 건전상 상승이 억제되어 기기의 절연 레벨을 낮출 수 있고, 피뢰기 정격전압도 낮출 수 있다. 이 때문에 초고압 계통은 대부분 유효접지 방식을 택한다.

반면 배전계통과 발전기 계통은 고장전류 제한, 인명 안전, 보호 신뢰도를 함께 고려한다. 그래서 같은 중성점 접지라도 전압 등급과 계통 특성에 따라 접지 방식이 달라진다. 발전기 중성점은 고저항 접지가 일반적이며, 지락전류를 15A 내외로 제한하는 것이 한 예다.