접지설계의 개요

접지설계의 개요

1.  접지의 목적

접지설계는 다음 두 가지 목적을 가지고 있다. 첫째는 정상 및 사고 상황 하에서 각종 변전기기의 운전조건을 초과하거나 전력공급을 중단하지 않고 전류를 대지에 안전하게 흘릴 수 있어야 하며, 둘째는 접지된 설비의 주위에 있는 사람이 치명적인 전기적 충격을 받을 위험이 없어야 한다.

지락사고시 고장전류가 대지 속으로 흘러 들어가면 변전소의 구내 및 주변에 전위차가 발생하여 접지계 설계시 이에 대한 적절한 대책을 세우지 않으면 지락고장 시 지표면에 발생하는 전위경도가 인체에 위험을 초래하게 된다. 특히, 접지한 철구, 기기의 외함 또는 지지물과 부근 대지 위의 인체간에 위험한 전위차가 발생할 수 있다. 이와 같은 위험 전위는 접지계의 구조, 접지지점 토양의 성분 및 균질성, 지락전류의 크기 및 지속 시간, 인체의 전기적 특성 등 관계되는 요소가 많을 뿐 아니라 그 특성이 복잡하고 불확실하여 정확한 계산은 매우 어렵다.

그러나 이에 관한 실험결과에서 얻은 많은 자료에 따라서 각 요소를 검토함으로서 실용적으로 안전한 접지설계가 가능하다. 특히 강조할 것은 낮은 접지 저항치만으로 인체의 안전이 보장되지 못한다는 것이며 방법이야 어떻든 접지된 시설물은 접촉하여도 안정하다고 생각해서는 안된다는 것이다.

2. 인체를 통하는 전류의 허용치

전류가 인체에 미치는 영향은 주파수, 크기, 지속시간 및 통로에 관계된다.

1) 주파수

본 해설에서는 상용주파수(60㎐)에 대해서만 고려한다. 그러나 일반적으로 사람은 25㎐에서 더 큰 전류에 견딜 수 있고 직류에서는 상용주파수 교류전류크기의 5배까지 견딜 수 있다. 또한 충격전류는 수백 암페어까지 견딜 수 있다.

2) 크기 및 통전시간

사람은 일반적으로 1㎃ 정도의 전류가 흐르면 감전을 느끼기 시작하여 9～25㎃가 흐르면 상당한 고통을 느끼고 손에 잡은 물체를 놓기 곤란하거나 놓을 수 없을 정도로 근육계통의 장애를 초래한다. 보다 큰 전류가 흐르면 근육수축으로 호흡이 곤란해 진다. 근육수축이 심하여 호흡이 수분간 정지하지 않는 한 그 영향은 전류만 차단되면 곧 없어진다. 이 보다 큰 전류가 흐르면 심실세동(Ventricular Fibrillation)으로 죽음을 초래한다.     즉 사람은 감전시간이 짧으면 보다 큰 전류에 견딜 수 있으므로 고속도차단이 안전 측면에서 중요하다는 것을 표시한다.

3) 접지계의 위험전압

(1) 보폭전압(Step Voltage)은 발과 발사이(통상 1m를 기준으로 함)의 대지 표면의 전위차 이다.

(2) 접촉전압(Touch Voltage)은 사람이 서 있는 발의 접지전위와 손을 뻗쳐 닿을 수 있는 거리(통상 1m로 간주함)에 있는 접지된 기기의 전위차를 말한다.

(3) 메시전압(Mesh Voltage)은 접지망내의 가장 낮은 지표면전위의 접지도체의 전위상승값과의 전위차를 말하며, 메시전압은 최대 접촉전압을 말한다.

(4) 전이전압(Transferred Voltage)은 구내접지망과 구외의 통신선, 저압중성선, 수도관, 파이프, 레일, 철제 울타리 등과의 전위차로 발생하는 전압이다. 전이전압은 변전소내의 전위상승과 같거나 보다 큰 전위를 갖기도 하며 실제로 구외의 설비에 유도된 전압이 전이전압으로 작용하기 때문에 전이전압은 해당변전소와 전원단 변전소의 전위상승의 합보다 큰 경우가 있다.

3. 접지계 설계

1) 개요

허용보폭전압 및 접촉전압한계를 결정한 후는 다음 순서로 접지계를 설계한다.

 (1) 토양의 특성조사

 (2) 최대 지락고장전류의 결정

 (3) 접지계의 예비설계

 (4) 접지계의 접지저항계산

 (5) 접지망의 최대전위상승 계산
 (6) 접지망 주변의 보폭전압 계산

 (7) 접지망 내의 보폭전압 및 접촉전압 계산

 (8) 전이 전압과 특히 위험한 개소의 조사

 (9) (6), (7) 및 (8)항에 의한 예비설계의 수정

 (10) 접지계 시공

 (11) 시공 완료 후의 접지계의 접지저항 측정과 가능하면 보폭전압 및 접촉전압측정

 (12) 실측치에 의한 (5)～(8)항의 재검토

 (13) (12)항의 검토 결과에 따라 접지계의 변경, 스크린 또는 배리어(Barrier)의 추가

2)  토양의 특성조사

변전소 접지설계에 있어 그 장소의 토양의 특성은 가장 중요한 요소 중의 하나이다. 토양의 고유저항은 그 성분, 균질성, 온도 및 습기 함유량에 따라 광범위하게 변화한다.

토양의 고유저항은 온도가 0℃이하로 저하되면 급격히 증가하며, 습기함유량이 15% (중량대비)이하로 떨어져도 급격히 증대한다. 따라서 접지도체는 동절기에도 얼지 않는 깊이에 매설할 필요가 있으며, 지표면에는 자갈을 깔아 토양의 습기를 보존하여야 한다. 또한 자갈은 인체와 대지간의 저항을 증대시키는 역할을 한다.

토양의 고유저항율은 실측치를 적용해야 하며 실측치의 조건이 유리한 것이면 그 곳 에서 예상된 가장 불리한 조건하(고유저항이 큰 값)의 값으로 교정해야 한다. 접지설계에  적용할 대지고유저항율은 현장조사에서 얻은 토양의 겉보기 고유저항율의 측정값을 근거로 결정하고, 등가측정 깊이는 일반적으로 345kV 경우에는 20～25m, 154kV 이하에서는 15m정도에서 측정토록 한다.

① 대지 저항률에 영향을 미치는 요인

(1) 토양의 종류

일반적으로 토양을 구성하는 성분, 입자의 크기, 분포, 균질성, 조밀도 등에 따라 대지의  전기적 성질도 다르다. 아래표는 여러 가지 토양의 저항률을 나타낸다.

토양의 종류와 저항률

토양의 종류	저항률[Ω․m]
점토질의 논 또는 늪지 점토질의 밭 점토질의 산지 암반지대의 산지 자갈․옥석이 깔린 해안지대 해안 지대의 모래땅 양토(Loam) 부식토(Humic soil) 사점토(Sandy clay) 소성점토 무수규산점토 편암 운모편암	10～150 10～200 200～2,000 2,000～5,000 1,000～5,000 50～100 20～100 10～150 50～500 50 200～3,000 50～300 800

또한 아래표처럼 일반적으로 흙의 종류를 진흙, 점토, 모래, 사암의 4가지로 크게 나누어 나타내는 데이터도 있으며, 아래표는 지역적 대지 저항률을 보여준다.

 

 

  흙의 종류와 저항률

흙의 종류	저항률[Ω․m]
늪지 및 진흙 점토질․모래질 모래질 사암 및 암반지대	80～200 150～300 250～500 1000～100,000

     지역에 따른 대지 저항률

지역별 저항률	저항률[Ω․m]	지질 특성
낮 은 저항 률 지역	100 이하	강, 하천, 바다에 인접한 저지대로 물이 풍부한 지역
중간 저항률 지역	100～1,000	지하수가 풍부한 지역으로 준 평원지역
높은 저항률 지역	1000 이상	배수가 잘되는 지역, 구릉 지대, 고원

(2) 수분의 함유량에 따른 영향

토양에서의 전기전도는 근본적으로 전해질 중에 함유되어 있는 이온의 이동에 의한 전기전도에 의해서 이루어지므로 토양 중에 수분이 함유되면 저항률이 저하하고, 수분의 함유량이 증가하면 대지저항률은 급격히 감소한다. 아래표는 수분 함유량에 따른 대지 저항률을 나타낸다.

 수분 함유량에 따른 대지 저항률

함유율[%] 저항률	대지 저항률[Ω․m]
	표면 토양	모래가 섞인 퇴적토양 (Sandy loam)
0	 × 	 × 
2.5	2500.0	1500.0
5	1650.0	430.0
10	530.0	185.0
15	190.0	105.0
20	120.0	63.0
30	64.0	42.0

토양의 종류에 따라 다르기는 하지만 위의 표에서 보는 바와 같이 수분의 함유량이 15～20[%] 정도 함유되면 대지 고유저항이 급격히 감소하는 것을 볼 수 있고, 20[%] 이상이 되면 대지 저항률의 감소는 완만해진다. 또한 대지 저항률은 함유된 물의 종류에 따라 다르게 되며 여러 가지 물의 저항률은 표와 같다.

 

 

 물의 종류별 저항률  

물의 종류	저항률[Ω․m]
순수 증류수 빗물 수돗물 우물물 하천물 바닷물	200,000 50,000 200 70 20～70 2 0.15～0.3

(3) 전해질 성분(염분)에 따른 영향  

토양의 저항률은 수분의 함유량뿐만 아니라 토양 중에 녹아 있는 염분, 산, 알칼리 등 화학물질 및 조성에 따라 매우 크게 변화한다. 아래 표는 염분의 농도에 대한 대지 저항률의 예를 보여주고 있으며, 염분의 농도가 증가하면 대지 저항률은 급격히 감소 하는 것을 알 수 있다.

   

 전해질 성분(염분)에 따른 대지 저항률 

함 유 율[%] 저항률	대지 저항률[Ω․m]
0	110
0.1	20
1	10
5	7
10	4
20	3

(4) 온도에 따른 대지 저항률  

일반적으로 온도가 높아지면 금속의 저항률은 증가하는데 비해서 반도체나 전해질의 저항률은 감소한다. 토양에 포함된 수분도 전해질이므로 대지 저항률은 온도상승과 더불어 감소한다. 토양이나 암반에 함유되어 있는 수분이 증발되거나 동결될 정도로 높은 온도 또는 낮은 온도로 변화되면 대지 저항률은 수 배정도 변화하는 경우도 있다. 그러나 수분이 증발되지 않는 범위에서 온도가 상승하면 수분에 포함되어 있는 이온의 이동도가 증가하여 대지 저항률은 약간 감소하게 된다. 아래표의 온도에 따른 대지 저항률을 나타낸다.

 

 

 온도에 따른 대지저항률

온도[℃] 저항률	대지 저항률[Ω․m]
20	72.0
10	99.0
0(물)	138.0
0(얼음)	300.0
-5	790.0
-15	3300.0

(5) 계절적 영향  

대지 저항률은 토양에 함유되어 있는 수분과 온도 등과 밀접한 관계를 가지고 있으므로 기후나 계절에 따라서도 크게 변화한다. 계절이 변화하면 온도뿐만 아니라 토양에 함유되어 있는 수분의 양도 함께 변하게 되므로 대지 저항률은 대체적으로 기온이 낮으며 건조한 겨울철에 높고, 기온이 높고 습기가 많은 여름철에 낮게 된다. 대지 저항률의 계절적 변동량은 동일한 토질이라고 하더라도 장소와 시간, 접지전극의 형태와 매설깊이 등에 관련된다. 토양은 그 깊이에 따라 온도가 다르거나 토질이 다른 이른바 다층구조를 이루기 때문에 실제로 대지표면의 어느 한 점에서 그 아래 지층의 토양 상태를 평가하기란 쉽지 않으므로 특정한 토질에 대해서 대지 저항률을 명시하기란 곤란하다. 일반적으로 대지 저항률의 연간 변동량은 지역에 따라 다르지만 대략 2～5배

정도인 것으로 알려져 있으며, 접지공사를 시설할 때는 연간 접지저항의 변동을 고려하여 설계․시공할 필요가 있다.  

①  비대칭분에 대한 교정  

지락사고 발생 후 주어진 시간동안의 유효전류를 결정하기 위하여 다음 표와 같은 교정계수를 적용한다.

 

 

 비대칭분에 대한 교정계수

고장지속시간		교 정 계 수 (Df)
초	주파수(60 ㎐교 류)
0.008	1/2	1.65
0.1	6	1.25
0.25	15	1.10
0.5또는 그 이상	30또는 그 이상	1.0

선정된 고장전류치에 고장지속 시간에 따른 상기 교정계수를 곱하여 지락전류를 교정 한다.

② 장차의 계통확장

일반적으로 계통이 확장되어 용량이 증대하면 고장전류도 증가한다. 따라서 이점을 고려하여 1.0～1.5의 계통 확장계수(Cp)를 적용한다.

③ 지락전류 분류계수( )

1선 지락으로 발생한 고장전류가 접지망으로 유입된 후 고장전류의 일정 부분만 변전소 접지망을 통하여 대지로 방출되고 나머지는 여러 가지 경로를 통하여 전원단으로 귀환한다. 분류계수( )는 1선지락 고장전류 중에서 접지망을 통하여 대지로 방출되는 전류의 크기를 나타내는 계수로 접지설계에서 위험전압 검토 시 사용되는 중요한 변수이다.

지락 분류계수( )의 크기를 결정하는 중요한 요소들은 아래와 같다.

(1) 지락사고의 위치

(2) 변전소 접지저항의 크기
(3) 접지계통 주위에 매설된 배관 및 도체

(4) 가공지선, 중성선

(5) 지중 케이블을 포함한 기타 전류 귀환통로

분류계수( )의 계산은 가공지선, 중성선, 접지도체, 대지 등에 흐르는 전류를 수학적으로 해석하는 것이므로 많은 요소를 고려하여야 하지만 일반적으로 위에서 언급한 요소를 고려하여 결정하여야 한다.

일반적으로 접지망을 통하여 대지로 방출되는 전류는 지락고장전류의 10～20%정도를 적용하는 것이 바람직하며, 접지설계 시에는 해당 변전소의 접지저항과 계통으로 연결된 선로수를 감안하여 아래 표에서 적당한 값을 선택한다.

      지락전류 분류계수

접지저항 선로수	2개 이하	3～5개	6개 이상
3Ω 미만	20%	15%	10%
3Ω 이상	17%	12%	10%

다만, 변전소 인입, 인출이 지중케이블로만 구성된 경우에는 케이블 시스가 접지망에 연결될 경우 지락전류 분류계수( β )를 10%로 적용할 수 있다.

4. 접지봉을 사용하지 않은 경우

접지봉을 사용하지 않고, 접지도선을 매설하여 메시 접지설계를 아래와 같이 한다.

(1) 접지면적

현장은 직사각형 63m×84m=5,292㎡이므로 초기단계에서 접지면적은 70m×70m =4,900㎡로 가정한다.

(2) 접지도체의 굵기

표에서는 고장시간 0.5초 일 때 약 1.0이므로 비대칭 고장전류도 3,180A이다. 매설 접지선으로 경동 연선을 적용하고, 주위온도는 40℃, 경동 연선의 용해온도가 1,08 4℃이므로 수식에 의해 매설 접지선의 굵기는 8.1㎟ 로 계산된다. 그러나 여기서는 굵기가 가는 동선대신 동복강선을 사용하기로 한다. 따라서 도체 굵기 d 는 0.01m로 선정한다.

    D f의 대표적인 값

tf	Df
	X/R＝10	X/R＝20	X/R＝30	X/R＝40
0.4	1.033	1.064	1.095	1.125
0.5	1.026	1.052	1.077	1.101
0.75	1.018	1.035	1.052	1.068
1.0	1.013	1.026	1.039	1.052

(3) 접지봉을 추가하는 경우  

접지봉을 사용하지 않는 조건으로 예비설계를 하였으나 대지전위 상승 값과 메시 전압이 허용 접촉전압보다 높게 계산되었다. 따라서 여기서는 7.5m 짜리 접지봉 20개를 아래 그림과 같이 매설 접지 도선을 따라 추가하여 재검토한다.

 

매설 접지도