접지설비(接地設備)

접지설비(接地設備)

1. 접지 (Earthing ; Grounding)

회로의 일부 또는 기기의 가대, 외함 등을 대지와 동전 위로 유지되도록 지중에 매설할 매설도체와 이를 연결하는 것을 말한다. 접지에는 전로의 충전부분에 접지하는 것과 상시는 충전되어 있지 않으나 절연열화등 사고시에 충전될 우려가 있는 부분에 감전방지의 목적으로 접지하는 것이 있다.
전자는 특고압기기의 중성점에 하는 접지공사 및 제2종 접지공사이고 후자는 제1종 접지공사, 제3종 접지공사 및특별 제3종 접지공사 등이다.

(1) 기계절연물의 열화, 손상 등으로 인한 누전에 의한 감전방지용(기기접지)

(2) 고저압 혼촉에 의한 고전압전류의 인축에 대한 위험 전기를 대지로 방출하는 감전 방지용(계통접지)

(3) 뇌에 의한 재해방지용(차폐접지)

(4) 송전선, 배전선, 고전압모선등 지락고장시에 있어서의 계전기 동작시의 신속 확실화(접지효과)

(5) 기기와 송배전선의 이상 고전압 발생시의 대지전위 상승을 억제하여 기기를 보호한다. 특고압기기의 중성점 접지에는 직접접지, 저항접지 및 리액터접저 등이 있는데 이것은 계전기 동작이나 절연강도의 경감및 절연전류의 억제를 목적으로 하고 있다.

1) 제1종접지는 고압 및 특별고압의 기기 및 피뢰기나 방전장치에 사용되는데 고장전류가 크기 때문에 접지저항치를 낮게 잡을 필요가 있을 뿐아니라 접지선의 종류와 사람이 접촉될 우려가 있는 경우의 공사는 제2종 접지공사와 마찬가지의 특별한 주의가 필요 하다.
2) 제2종 접지공사는 고압 또는 특별고압의 전로와 저압전 로를 결합하는 변압기의 2차측의 중성점에 접지하는 것으로 고압 또는 특고압 전로와 저압전로가 혼촉할 경우에 저압전로를 원칙적으로 대지전압 150V이하로 억제하기 위한 것이다.
3) 제3종 접지공사는 주로 400V이하인 저압기기의 접지공 사이며 특별 제3종 접지공사는 제1종 접저공사와 제3종 접지공사의 중간적 접지방법으로서 주로 400V로 초과하는 저압기기 및 400V이하의 저압기기중 조건이 열악한 부분에 사용되는 접지공사이다.

접지공사의 종류

접지공사의 종 류	접지저항치(Ω)	접지선의 최소굵기
제 1 종 접 지 공 사	10 이하	직경 2.6㎜
제 2 종 접 지 공 사	* 150 /I 이하	** 직경 4.0㎜
제 3 종 접 지 공 사	*** 100이하	〃 1.6〃
특별제3 종 접 지 공 사	*** 10이하	〃 1.6〃

* I 는 1선 지락전류(지락시에 2초이내에 고압전로를 자동 차단하는 장치 시설시 300/I이하)

** 고압변압기의 경우는 직경 2.6㎜

*** 지락시에 0.5초이내에 자동차단하는 장치시설 (정격 감도전류 300mA인 경우)시 500

2 접지의 종류

1) 접지방식에 의한 분류
(1) 독립(단독)접지 접지봉 또는 접지봉과 접지선에 의한 독립된 접지 방식으로서 접지조건이 양호한 지역의 기기의 외함, 울타리, 피뢰도선 등에 적용된다.
(2) 공동접지(연접접지) 독립접지로서는 접저저항치를 충분히 낮게 잡을 수없는 경우에 개별로 접지공사 된 접지선을 공동으로 접속하는 접지방식이다. 연접접지에는 접지봉에 의한 것과 접지판에 의한 것이 있는데 그 특징은 다음과 같다.
- 어느 개소에서 단선되어도 기기에 대한 접지설비에 신뢰성이 있다.
- 토양저항이 높은 장소에서는 독립접지의 경우에 비해 합성 저항치를 낮게 할 수 있다.
- 접지극이 경암반등인 장소에서 적당한 매설깊이를 취할 수 없는 경우 접지모선에서 분기하여 접지할수 있으므로 접지극의 수를 줄일 수 있어 경제적이다.
여러개의 단독접지를 방사상으로 연접하는 특수한 경우도 있으며, 이러한 방식의 적용여부는 정확한 기술검토가 선행되어야 할 것이다.
(3) 망(Mesh)접지 연접접지의 일종으로 접지모선 끼리를 상호 접속하여 이것을 Mesh상으로 한 것으로 보다 낮은 접지 저항치를 얻을 수 있고 접촉전압, 보폭전압저감에도 유리하므로 변전소 등 넓은 면적의 접지에 많이

채택되고 있다.

접지저항 측면에서 Mesh간격은 어느 정도 이하로 좁아지면 더 이상 효과가 없으므로 대지고유저항이 높은 지역에서는 다른 접지방식과 병용한다. 매설 깊이는 지역별로 빙결깊이를 고려하여야 한다.

2) 접지전극 형태에 의한 분류
(1) 봉상 전극 동피복강봉 또는 동봉이 주로 쓰이며, 지름 14㎜, 길이1～1.5M의 것이 주로 쓰인다.
특수한 것으로 스테인레스 피복강봉, 탄소피복 강봉이 있다.
(2) 판상전극 정사각형의 동판으로서 두께는 1.5㎜～2.0㎜의 것이 주로 쓰이며, 접지봉의 경우 보다는 접지면적이 크므로 매설시 접지면과의 접촉에 유의하여야 한다.
(3) 선상전극 도체선을 그대로 접지체로 이용하는 경우로서 송전 철탑의 접지에 적용되는 매설지선을 예로들 수 있다.
(4) 보링전극 접지저항 또는 접촉전압을 저감시키기 위하여 전극을 수직으로 보링하여 매설하는 방법으로서 경제적 측면을 고려하여야 한다.

3. 접지저항 (Earthing Resistance)

하나의 접지극을 통하여 접지전류I(A)가 대지내로 흘렀 을때 무한원점에 대해 접지극이 E(V)의 전위상승을 일으 킨다. 이 경우 E/I가 접지저항이다.
그러나 실제는 무한원점에 대한 전위측정은 거의 불가 능하므로 근사치로 구하고 있다

또 실제의 측정에서는

(1) 접지선의 저항

(2) 접지극의 저항

 (3) 접지극 표면과 대지와의 접촉저항

(4) 무한원점에 전류가 흐름으로써 생기는 대지의 접지저항 중 (3), (4)를 근사적으로 구한다. 접저저항은 직류저항이지만 전극의 성극작용을 방지하기위해 접지저항은 교류전원으로 측정한다.

4. 대지고유저항률

대지의 저항률을 의미한다. 대지를 흐르는 전류는 대부분 이온전류(ion current)이기 때문에 자유전자의 흐름 (conduction current)이 주도적인 역할을 하는 금속과는 달리 함수율, 용융염류의 화학적 성질과 농도 및 온도(동결) 등 전해질의 이동성(mobility)과 관련된 계절적 요인 들에 의해서 그 저항률이 큰 범위에서 변동하는 특성을 갖는다.

대지고유저항률은 주로 Wenner의 4전극법에 의하여 측정한다.

지표면상에 일직선으로 a의 간격으로 4개의 전극 A 1 , P 1 , P 2 , A 2 를 배치하고 A 1 , A 2 극에 전류(I)를 흘렸을 때 P 1 , P 2 간의 전압강하(V)로부터 저항(R=V/I)를 측정한다.
측정저항은 대지고유저항(apparent earth resistance)이라고 하고, 이를 저항률로 환산한 값을 대지고유저항률 (apparent earth resistivity)이라고 한다. 저항률 산정식은 다음 식과 같다.
ρ = 2πa E/ I(Ω․㎝)
보통 P 1 , P 2 전극의 매설깊이는 a의 1/20 이내로 한다.

수질에 의한 고유저항률의 변화

지 하 수 고 유 저 항 치	10 3 ～10 5 Ω․㎝
수 도 수 고 유 저 항 치	10 4 Ω․㎝
해 수 고 유 저 항 치	10 Ω․㎝

토질에 의한 고유저항률의 변화

물 논 , 습 지 (粘 土 質)	0～15kΩ․㎝
밭 (粘 土 質)	1～20kΩ․㎝
물 논 , 밭 (자 갈 層)	10～100kΩ․㎝
山 地 (粘 土 質)	20～200kΩ․㎝
河 岸 ․ 河 床 (자 갈)	100～500kΩ․㎝
山 地 (자갈․岩)	200～500kΩ․㎝

5. 집합계수 (결합계수)

전기저항의 병렬접속시 합성저항은 각 저항의 역수 합의 역수이고 동일 저항치 R이 n개 병렬일 경우에는
R/ n[ Ω]이 된다. 그러나 전극 또는 접지선의 병렬은 전류가 단독으로 흐르지 않고 상호 간섭하므로 계산과 같이 단순하지 않다. 전극이 접근하면 각 전극 단독의 전류분포와 달리 간섭 부분이 생겨 전류가 흐르기 어려우므로 병렬저항에 어떤 계수를 가진 저항치가 되는데 이를 집합 계수라 한다.

집합계수는 매설되어 있는 접지판의 종류나 크기, 깊이및 간격 등에 의해 변화되는데 접지판의 경우에는 [표 ] 와 같은 치가 적용된다.

 접지판의 집합계수

간격(m) 깊이(m)	0.1～1	1∼2	2∼3	3∼4	4이상
0.6 1.5 3.0	1.2 1.3 1.35	1.1 1.2 1.25	1.05 1.12 1.2	1.0 1.05 1.12	1.0 1.0 1.0

6. 대지 개폐써어지계수

개폐조작에 의하여 계통의 한 지점에서 발생하는 대지 써어지의 파고치에 대한 그 조작직전의 계통 상전압 파고 치(선간전압 실효치에 √2/√3을 곱한 치)의 비를 말한다.

7. 감전 (Electric shock)

인간의 신체는 전기의 도체이다. 따라서 인체의 어느 부분에 전극을 연결하고 전류를 통하게 하면 감전된다. 전류가 인체에 미치는 영향은 주파수, 크기, 지속시간 및 통로에 관계된다. 주파수에 대해서는 낮은 주파수일수록 더 큰전류에 견딜 수 있는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 상용주파수 대역에서 인체에 1mA 정도의 전류가 흐르면 감전을 느끼기 시작하여 9∼25mA가 흐르면 상당한 고통을 느끼고 손에 잡은 물체를 놓기 곤란하거나 놓을 수 없을 정도로 근육을 통제할 수 없게 된다.
보다 큰 전류가 흐르면 근육 위축으로 호흡이 곤란해진 다. 더욱 큰 전류가 흐르면 심실세동으로 죽음을 초래한 다. 따라서 심실세동이 시작되는 전류치가 최대관심사인데 심실세동을 일으키지 않고 사람이 견딜수 있는 전류 (인체 허용전류치)는 지속시간 3초 이내일때 다음 식에 의하여 결정된다.
                                     Ik ＝ 0.116/√t [Arms]

여기서 t ＝ 감전시간(sec)

감전시간의 유효범위는 0.03초에서 3초 사이이며, 감전 시간이 짧으면 보다 큰 전류에도 견딜수 있으므로 고속도 차단이 안전면에서 매우 중요하다는 것을 알 수 있다.
감전은 단락감전과 지락감전으로 나눌 수 있는데 단락 감전은 신체의 2개소에 직접 전압이 가해져 단락회로를 형성하는 감전이고 지락감전은 대지전압을 갖는 전로 또는 충전부에 신체가 접촉되어 전류가 신체를 통하여 대지로 흐르는 감전을 말한다.

8 보폭전압 (Step voltage)

보폭전압의 등가회로이며 접지전극 부근의 지표면전위 상승에 의해서 대지를 딛고 서 있는 보행자의 양쪽 발 사이(보폭은 1 m 상정)에 발생하는 전위차를 보폭전압으로 정의한다.

                      E step ＝ (R＋2R f )(I k )

                                ＝ (1,000＋6ρs)0.116/√t

보폭전압을 저감하는 효과적인 방법은 다음과 같다.
(1) 접지선을 깊게 매설한다.
(2) mesh식 접지방법을 채용하고 mesh간격을 좁게 한다.
(3) 특히 위험도가 큰 장소에서는 자갈 또는 콘크리트를 타설한다.
(4) 부지 경계부근은 main mesh의 끝 2～3 m 정도를 깊게 매설한다.
(5) 철구, 가대 등의 보조접지를 한다.

9 전이전압 (Transferred voltage)

변전소 구내에 서 있는 사람이 원거리에서 접지된 도체와 접촉하거나 반대로 원거리에 있는 사람이 변전소 접지 망과 연결된 도체와 접촉했을 때는 전이전압이 걸린다. 이전압은 고장시의 접지망 전체 전위상승치까지 될 수 있는 것이다.

10 접촉전압 (Touch voltage)

사람이 지상에 서서 기기의 외함이나 철구에 접촉한 경우에 인체에 가해지는 전압이며 접촉전압의 등가회로이다.

11. 접지극

대지에 매설하는 전극으로서 동판, 접지봉(관), 전선등 여러 종류가 있다. 접지극으로는 규정된 접지저항치를 얻을 수 있으며 화학적, 기계적으로 내구성이 있는 것을 사용해야 한다.
접지동판은 일반적으로 수평으로 하여 상시 수면아래에 매설하면 좋은데 접지동판의 면적이 1.9[㎡] 이상이 되면 접지저항은 거의 감소하지 않는다. 따라서 동판을 매설하는 경우에는 한개의 큰 판보다 몇개로 나누어 매설하는 편이 효과적이다. 즉, 전극에 전류가 흐르면 접지저항 부분에 소비되는 에너지에 의한 국부적 온
도상승과 이것에 의한 수분의 감소등으로 인하여 등가적인 접지저항의 증대현상이 생기므로 전극의 허용전류도 0.16 [A/㎠] 정도로 설계하는 것이 좋다.
접지봉은 그 단면이 S자형과 환형이 있는데 피복은 강심동피복제이며 리드선이 달려있는 것 1본, 또는 여러본을 연결하여 Hammer로 타설하도록 되어있다. 그 외에 잘사용되는 접지봉(관)은 철관, 철봉, 앵글 및 탄소봉 등이 있다. 또한 접지극의 일종으로서 주접지극으로서는 소요의 접지저항을 얻을 수 없을 때 보조적으로 사용하는 전극을 보조전극이라고 한다.

12 접지전위상승 (GPR : Ground Potential Rise)

접지전극을 통해 접지전류 I가 대지로 누설되면서 접지전극의 전위가 상승하는 것을 말하며, 접지전류 (I)와 접지저항(R)를 곱한 값이 접지(극)전위이다. 일본에서는 무한원점 또는 영전위를 기준으로 한 접지극의 전위라는 의미로 “대지(對地)전위“라는 용어가 사용되나 한글로 하면 대지(大地) 즉 토양의 전위라는 의미로 오해하게 되므로 접지(극)전위가 정확한 표현이다.

13 지표면전위상승 (Earth surface potential rise)

접지전극을 통해 접지전류 I가 대지로 누설됨에 따라 접지극의 전위와 더불어 접지극 주변토양 표면의 전위가 상승하는 것을 말한다. 접지된 외함의 전위가 접지극의 전위와 동일하다고 가정하면 외함을 잡은 손은 접지전위상 승에 노출되고, 지표를 딛고 선 발은 지표면의 전위상승에 노출되므로, 접지극과 지표면 전위차가 접촉전압이 된다.

14 고장전류 분류율 (Fault current division factor)

상도체와 접지된 외함사이에 단락회로가 형성되면 불평형 고장전류가 흐르게 되는데, 일부는 대지를 통해 전원단 으로 귀환하며 일부는 중성선이나 가공지선을 통해 귀환 하게 된다. 이때 총 고장전류에 대하여 대지를 통해 전원 단으로 귀환하는 전류의 비를 “고장전류 분류율”이라고 한다. 접지저항(=대지귀로 임피던스)이 커질수록 고장전 류분류율은 작아진다.

15 전위강하법 (Fall-of-potential method)

변전소 접지망과 같은 대규모 접지극의 접지저항 측정법 중 가장 널리 사용되는 방법으로서, 그림 9와 같은 전극배열을 구성하여 전류전극 사이의 거리 D의 61.8% 되는 지점에서 측정된 저항값을 P전극의 접지저항으로 간주 한다. 이처럼 전극 E를 측정선 길이의 61.8% 지점에 위치 시켜 접지저항(R=V/I)을 산정하는 방법을 “61.8 %의 법칙 "이라고 한다.

IEEE 지침에서는 권고하는 측정선 거리(D)는 P접지극 직경의 5～6배이나 이를 만족하기가 쉽지 않기 때문에 현장여건을 고려하여 전극거리를 결정하는 것이 일반적이다.

16 임펄스 접지임피던스 (Impulse ground impedance)

유입전류의 주파수가 커지면 접지도체의 임피던스(주로 인덕턴스)에 의한 영향과 토양의 용량성 성분에 의한 영향이 커지므로, 접지극의 응답특성은 유입전류가 저주 파수일 때와는 다른 양상을 보이게 된다. 접지저항이 상용주파와 같은 저주파수 대역에서 접지극의 성능을 대표 하는 지수라면, 임펄스 접지임피던스는 낙뢰와 같이 고주 파수 성분을 포함한 임펄스 전류 하에서의 접지극의 접지 성능을 나타내는 지수로서, 전류유입점에서의 접지(극)전위 최대값을 유입전류의 최대값으로 나눈 값이다.