전위강하법

왜 배우는가: 전위강하법은 접지저항을 현장에서 가장 널리 측정하는 방법이라서 실무와 시험 모두에서 반복해 출제된다. 측정 원리, 보조전극 배치, 61.8% 위치와 같은 핵심 조건을 정확히 알아야 접지 공사 검사와 설계 검토에 답할 수 있다.

출제 이력: 제115회 1교시 1번, 제97회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전위강하법은 접지극에 전류를 흘려 보조전극 사이 전위차를 측정해 접지저항을 구하는 3점(또는 3극) 측정법이다.

• 접지저항(Earth Resistance): 접지극과 대지 사이의 전기저항
• 전류 보조전극(C): 접지극에서 멀리 떨어져 전류를 귀환시키는 전극
• 전위 보조전극(P): 전위를 측정하는 전극
• 저항구역: 접지극 주변에서 전류 밀도가 높아 전위가 크게 변하는 영역
• 61.8% 법칙: 전위 보조전극을 접지극과 전류 보조전극 사이 거리의 61.8% 지점에 두는 원칙
• 보조전극 이격거리: 접지극 규모의 6.5배 이상 또는 80m 이상
• 대지저항률: 대지 고유의 저항 특성(Ω·m)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 접지극에 전기를 흘려 땅속에서 전압이 얼마나 떨어지는지 재고, 그 값으로 접지저항을 계산하는 방법이다. 전압계와 전류계처럼 옴의 법칙을 쓰는 원리다.

정식으로는 접지극 E에 전류 보조전극 C를 떨어뜨려 두고, 두 전극 사이에 교류 전류 I(A)를 흘린다. 이때 E와 전위 보조전극 P 사이의 전압을 V(V)로 측정하면 접지저항은 R = V / I(Ω)가 된다. 교류를 쓰는 이유는 직류 측정 시 전기화학적 분극으로 오차가 생기기 때문이다.

전위 분포(Potential Distribution)는 접지극에서 멀어질수록 완만해진다. 전위 보조전극 P의 위치를 바꾸며 저항을 여러 번 재면, 저항값이 일정한 평탄구간이 나타난다. 이 평탄구간의 값이 접지저항의 참값이다.

보조전극 배치는 측정 정확도를 좌우한다. C가 저항구역 안에 들면 P의 전위가 대지 전위와 분리되지 않아 곡선에 평탄부가 생기지 않는다. 그래서 C는 접지극에서 충분히 먼 곳에 세워야 한다.

61.8% 지점은 P를 E와 C 사이 거리의 61.8% 위치에 두라는 조건이다. 이 위치에서 측정값이 접지저항 참값에 가장 가까워진다. 실무에서는 51.8%와 71.8% 지점도 추가로 재어 세 값의 평균을 취해 검증한다.

3. 등장 배경과 필요성

접지는 고장전류와 뇌전류를 대지로 흘려보내 인명과 설비를 보호하는 설비다. 접지저항이 설계값보다 크면 접촉전압과 보폭전압이 커져 감전 사고 위험이 높아진다. 따라서 시공 후 접지저항을 정확히 확인하는 측정법이 필요해졌다.

초기에는 2전극법이나 간이 측정법이 쓰였다. 그러나 2전극법은 정확도가 낮고 국부적인 대지저항만 재기 때문에 접지망처럼 큰 접지 시스템에는 적합하지 않았다. 이 한계를 보완하기 위해 전위 분포를 이용하는 3점 측정 원리가 정착했다.

전위강하법은 현장에서 간단한 장비와 두 개의 보조전극만으로 측정할 수 있다. 그래서 접지 공사의 준공 검사, 정기 점검, 접지 저감 공사 전후 비교에 가장 널리 쓰인다. 대지저항률 측정(Wenner 4전극법)과 함께 접지 설계의 입력값을 얻는 기초 자료가 되기도 한다.

4. 구성요소·원리·절차

전위강하법(Fall of Potential Method)은 접지극 E, 전류 보조전극 C, 전위 보조전극 P 세 점을 이용해 접지저항을 구하는 방법이다. 측정 회로의 핵심 요소는 다음과 같다.

전류 보조전극 C는 접지극 E의 저항구역 밖에 두어야 한다. C가 가까우면 전위 곡선에 수평부가 나타나지 않는다. 그래서 C는 접지극 규모의 6.5배 이상, 또는 E와 80m 이상 이격하는 것이 기준으로 쓰인다.

원리는 옴의 법칙이다. 대지에 흐르는 전류를 I[A], E–P 사이 전압을 V[V]라 하면 접지저항은 다음과 같다.

$R = \frac{V}{I}\ [\Omega]$

P를 E와 C 사이 여러 위치에 옮기며 R 을 구한다

절차는 다음과 같다.

• E에서 일정 거리에 C를 박고, E·C 사이에 교류 전류 I를 흘린다.
• E와 C 사이 직선상에서 P를 일정 간격으로 옮겨 가며 E–P 전압 V를 측정한다.
• 각 위치에서 R = V/I 를 계산한다.
• 거리 대비 저항을 그래프로 그린다.
• 그래프에 나타난 수평부(평탄부) 의 값을 접지저항으로 읽는다.
• P를 C 방향 61.8% 지점에 두고 측정해 확인하고, 51.8%·71.8% 지점 값을 추가로 측정해 평균으로 검증한다.

전위 곡선은 E 근처에서 급하게 상승한 뒤 평탄해지고, C 근처에서 다시 상승한다. 평탄부의 값이 대지 저항의 참값에 가깝다. 61.8% 지점에서 측정하는 이유는 저항구역이 겹치지 않는 조건에서 오차가 최소가 되기 때문이다.

전위 곡선의 모양을 대략 그려 두면 답안 설명이 쉬워진다.

5. 관련 법령·기준·표준

전위강하법 자체를 정한 법령 조항은 확인되지 않는다. 다만 통신설비 접지 기준은 다음과 같이 정해져 있다. 「접지설비·구내통신설비·선로설비 및 통신공동구등에 대한 기술기준」 제5조 제2항은 통신관련시설의 접지저항을 10Ω 이하를 기준으로 하고, 일부 경우 100Ω 이하로 할 수 있다고 정한다.

접지체 매설 깊이는 상단이 지표로부터 관련 기준이 정한 깊이 이상이어야 하고 동결심도보다 깊어야 한다. 대지저항률 측정은 4전극법(Wenner)이 널리 쓰이며, 전위강하법은 그 뒤 접지저항을 구하는 단계에서 사용된다.

통신 접지저항 기준 10Ω 과 측정 방법은 서로 다른 기준으로 본다

개정 연혁은 확인된 자료가 없으므로 기술하지 않는다.

6. 유형과 비교

전위강하법은 접지저항을 측정하는 방식 가운데 가장 널리 쓰이는 방법이다. 접지 방식과 측정 환경에 따라 여러 변형이 있으며, 대표적으로 3점법(접지극·전류 보조전극·전위 보조전극을 쓰는 방식)과 전위 보조전극 위치를 바꾸며 측정하는 방식으로 나뉜다. 또 접지 대상과 보조전극의 배치에 따라 직선 배치형과 면적 배치형으로 구분한다.

위 표는 세 방식의 측정 구조 차이를 보여준다. 전위강하법은 보조전극 배치 공간이 필요하지만 측정 원리가 명확하고 결과가 직접 나온다는 점이 장점이다.