접지에 관련된 사항

 

접지에 관한 사항

 

 

1. 다양화된 접지기술

 

    접지란 전기,전자,통신설비기기를 대지(지구)와 전기적으로 접속하는 것으로 접속하기 위한 터미널 역할을 하는 것이 접지전극이다. 이 접지전극이 대지와의 사이에서 전기저항, 이른바 접지저항을 갖기 때문에 접지전류(또는 지락전류)에 의해 전위상승이 발생하여 여러 가지 장애를 일으키게 된다. 이상적으로 접지저항이 0[Ω]이라면 아무 장애도 발생하지 않는다. 그러나, 현실에서는 있을 수 없다. 이 장애를 없애는 것이 접지의 근본 목적이다.

    접지의 역사는 미국의 프랭크린, 프랑스의 다르바르, 체코슬로바키아의 디비스의 뇌를 잡는 실험에서 시작했다. 뇌의 실험에서는 자세히 알아내지도 못하고 불행히도 감전사한 연구자도 있었다고 한다. 그래서 피뢰침으로 잡은 뇌에너지를 대지에 안전하게 방출하기 위해 터미널을 시공했다고 한다. 단순한 발상이지만, 이것이 접지전극의 시작이다.

    접지가 공학적 기술의 하나로 인식되기 시작한 것은 통신분야에서 대지귀로의 생각과 전력분야의 송·배전분야에 있어서의 접지방식, 이에 따른 설비기기의 전위상승을 방지하기 위한 접지가 실용화된 시대부터이다. 그 후, 접지기술은 시행착오를 반복하면서 발전하여 지금에 이르고 있다.

    당초에는 전기설비의 보안용 접지기술을 주체로 기술의 진전이 있었고 그에 따라 문제를 해결해 왔다. 그런데, 컴퓨터가 출현한 시점에서부터, 이전에는 경험하지 못했던 과제가 산적하여 벽에 부딪혔다. 컴퓨터가 진공관식의 아날로그계, 일렉트로닉스, 디지털계라는 고도정보화에 따른 기술의 진보에 접지기술이 따라가는 형태로 기술적 과제가 해결되어 오늘에 이르고 있다. 그러나, 모두 해결된 것은 아니고, 최근에는 EMC(Electro Magnetic Compatibility)에 대응한 접지기술에 대한 큰 산이 출현했다.

 

2. 접지의 원리와 정의

 

    대지의 전위는 영전위(Zero Potential)라고 하지만 실제로 대지 표면상의 임의의 지점에서의 전위가 항상 영(Zero)전위를 유지한다고 볼 수는 없다. 특히, 직류나 저주파 전위는 거의 0에 가깝다고 볼 수 있지만 고주파 전위는 대지 표면에서 크게 변화한다. 또한 대지표면에서 직류나 저주파 전위도 정확하게 0이 아니고 지구 중심을 향하여 복잡한 양상의 전위 기울기(Electric Potential Gradient)를 나타낸다. 지구와 같이 자체 정전용량 C[F]를 가지고 있는 물체는 아래 식과 같은 전하량 Q[C]를 축적시킬 수 있다.

                   

 Q = C V

 

임의의 전하량을 가지고 있는 상태에 dQ[C]만큼 전하량이 유입되거나 또는 유출되면 그 물체의 전위는 아래식 만큼 변동하게 된다.

 

dV =	dQ
	C

예를 들면, 그 물체에 접지전류 I[A]가 유입하면 전위는

 

dV =	d∫tIdτ	[V]
	C

 만큼 상승하게 된다. 만약 물체의 정전용량 C 가 대단히 크다면  dQ 또는  d∫^tId_τ  가 상당한 크기의 변동량이라고 하더라도 전위 dV의 변화는 대단히 적게 되는데, 이것이 접지의 원리이다. 전하량Q 와 전류 I 에 비해서 어느 정도의 크기를 가지는 샤시(Chassis)에 접속하여 접지하게 되면 전자회로는 정상적으로 동작한다. 어느 물체의 자체 정전용량 C가 크면 클수록 전하량이 유입되거나 유출됨에 따라 전위변동은 적어진다. 우리의 주변에서 가장 큰 물체는 지구이며, 지구의 자체 정전용량은 약 707 [㎌]로 매우 큰 갑이며, 정전용량이 매우 크다는 것은  접지전류의 유입에 따른 전위의 변동이 큭히 적다는 것을 의미하므로 모든 전자회로나 전기 기기를 대지에 접속하는 이유 즉, 접지를 하는 이유가 여기에 있다.

 

3. 접지의 목적

 

    전기 설비에 대한 접지의 근본 목적은 ⓐ 감전으로부터의 안전성의 확립 ⓑ 기기 및 설비의 기능향상 이다.

구체적으로 나열하면,

   ① 사람이나 가축에 대한 감전의 방지

   ② 전력시설이나 정보/통신설비, 건축물의 재해 방지

   ③ 전기설비 회로의 특성 및 기능의 향상

   ④ 이상전압의 발생의 억제

   ⑤ 보호계전기의 동작확보

   ⑥ 전로의 대지전압의 저감과 같은 접지효과에 의한 전기적 특성의 향상

   ⑦ 대지귀로(Ground Return Circuit)로 이용

 

4. 접지의 종류

 

(1) 기기 접지

    전기 기기의 운전 중에는 전기를 전송하는 전로인 충전부분과 철대 및 외함의 비충전 금속 부분이 있으며, 이 두 부분사이의 절연을 기능절연(Functional insulation) 이라고 한다. 전기 기기의 절연 기능이 어떠한 원인에 의해서 저하되어 충전부분으로부터 비충전 금속부분으로 전류가 흐르게 되는 것을 누전(Leakage)이라고 한다. 이 때 사람이 금속부분과 접촉하게 되면 감전될 위험이 있으므로 비충전 금속 부분을 미리 대지에 접속하여 놓은 것을 기기 접지(Equipment grounding) 혹은 철대 또는 외함 접지(Frame grounding)라고 한다.

    결국, 기기 접지에 의해서 낙뢰 또는 전기 설비의 사고 등으로 전기 기기의 절연이 열화되거나 손상되었을 대 비충전 금속 부분에 과대한 대지 전압이 발생하는 것을 억제하여 감전을 방지하므로 감전 방지용 접지라고도 한다.

    기기 접지의 기본 목적은

   ① 사람이나 가축에 대한 감전방지

   ② 건축물이나 시설물에서 화재나 폭발의 위험성 없이 과전류 보호 계통에서 허용되는 지락 고장

       전류를 흘릴 수 있는 전류 용량의 확보

   ③ 과전류 보호 계통의 적절한 동작에 필요한 낮은 임피던스의 접지고장전류에 대한 귀로의 형성

등이다.

          

                               [그림1] 감전방지용 기기접지가 되어 있지 않은 경우

전기 기기의 외함이 접지가 되어 있지 않은 경우 전기 기기의 절연 열화에 의해서 누전이 발생하였다면 인체의 전기 저항이 약 30~50[kΩ] 정도이므로 전원 전압 220V가 거의 인체에 인가되어 약 4.4~4.7[mA]의 누설 전류가 인체를 통하여 흐르게 되므로 감전되게 된다.

 

 

 

[그림 2] 감전방지용 기기 접지가 되어 있는 경우

 

상기 그림처럼 AC 220V 전원이 접지저항 20[Ω]으로 제2종 접지공사로 접지가 되어 있고, 전기 기기의 금속제 외함을 제3종 접지공사(접지 저항 100[Ω])로 접지를 하였다면 절연파괴가 일어난 경우 제3종 접지공사의 접지전극을 통하여 흐르는 전류는 약

 

I =	220[V]	=	1.83[A]
	100[Ω] +20[Ω ]

흐르게 된다. 따라서 제3종 접지전극의 전위상승은

 

V = 100[Ω] × 1.83[A] = 183[V]

로 되므로 인체에 인가되는 전압은 약 37[V]로 저감되어 감전을 방지할 수 있게 된다

 

(2) 계통접지

 

   전로가 대지로부터 절연되어 있지 않으면 누설전류(leakage current)에 의해서 감전이나 화재를 일으킬 위험이 생기며, 전력손실도 발생하므로 전로의 절연이 필요하다.

   전력계통에 있어서 지락 사고나 고압과 저압회로의 혼촉에 의한 2차측 전로에서의 이상 전압을 허용 범위 이내로 억제하여 사람이나 가축에 대한 감전의 방지를 목적으로 전력 계통을 적당한 지점에서 대지에 접속하는 것을 계통접지(system grounding)라고 한다.

   계통접지를 실히하는 주요 목적은

   ⓐ 감전사고를 방지하며,

   ⓑ 전로의 대지전압(voltage to ground)을 저감시켜 절연레벨(insulation level)을 낮추고,

   ⓒ 보호계전기의 동작을 확보할 수 있으며,

   ⓓ 이상 전압의 발생을 억제 하는 것이다.

 

   전력계통의 운전 중에 1선 접지고장이 발생한 경우

   ⓐ 이상 전압에 의한 기기 및 선로의 절연 파괴,

   ⓑ 지락 고장 검출의 불가능에 의한 고장의 장시간 지속 등의 문제점이 있으므로 계통의 중성점에 접지(neutral grounding)를 한다.

   따라서,

   ⓐ 간헐아크지락이나 기타 원인으로 생기는 이상전압의 발생을 방지하며,

   ⓑ 1선 접지고장이 발생하였을 때 건전상의 전위 상승을 억제시키고,

   ⓒ 선로 및 기기의 절연을 저감시킨다.

   ⓓ 접지고장에 대해서 보호 계전기의 동작을 확실하게 확보하며,

   ⓔ 뇌운(thundercloud) 등에 기인되는 정전 유도에 의한 계통의 전위상승을 방지하는 효과를 얻게 된다.

   전력계통의 중성점 접지방식은 1선 지락사고가 발생한 때에 가장 영향이 크므로 전려계통의 안정도, 통신선의 유도장해, 전선로 공작물의 손상, 차단기의 용량, 보호계전기의 동작, 기기 및 서로의 절연, 전력계통의 연계(interconnect)등과 관계가 있으므로 설계에 있어 대단히 중요하다.

   전력계통에서 1선  접지고장이 발생하였을 경우 접지고장상의 대지전압은 거의 0이 되는데 건전상의 전압은 중성점 임피던스의 종류 및 크기에 따라서 변화한다. 1선 지락고장이 발생한 경우 건전상의 전압이 평상시 대지전압의 1.3배를 넘지 않는 범위가 되도록 중성점 임피던스를 억제시키는 중성점 접지를 유효접지라 하고, 1.3배를 넘는 것을 비유효접지라 한다.

 

 

 

[그림3] 접지 방식의 전원 계통  

비접지 계통(ungrounded system)이란 송, 배전용 변압기 2차측 이후의 전로가 어느 곳에서도 대지에 접속되어 있지 않은 방식으로 전기설비 기술기준에 의하면 전극식 온천용 승온기의 시설, 수영장 수중 조명등의 시설 등과 같이 특수한 전기설비에 전기를 공급하는 전로에은 절연변압기(isolation transformer)를 사용하며 절연변압기의 2차측 전로는 접지하지 아니할 것으로 규정되어 있어 비접지실 전원계통이 요구되고 있다. 비접지 계통의 전로에서는 누전이 발생하여도 일반적으로 귀로가 없기 때문에 대지정전용량에 상당하는 누설전류(충전전류)가 흐르게 된다.

 

 

                                                [그림4] 비접지 방식의 전원 계통

 

   비접지 계통의 전로에 사람이 접촉하게 되면 대지정전용량을 경유하여 인체에 약간의 누설전류가 흐르게 된다. 일반적으로 이 누설전류는 전로의 대지정전용량에 의해서 제한되며, 소규모의 전원 계통의 대지정전용량에 의해서 제한되며, 소규모의 전원 계통의 대지정전용량은 대단히 적으므로 상용주파수(power frequency)에 대해 인체를 통과하여 흐르는 전류는 대단히 미소하다

   비접지 계통의 변압기에서 저압전로에 고압선과의 혼촉, 뇌서지 또는 개폐서지, 변압기의 고장 등으로 고압이 침입하면 전로의 대지전위상승을 억제할 수 없으므로 배선 및 기계기구에 높은 전압이 직접 인가되어 매우 위험하며, 기기의 파손, 화재, 감전 등 재해발생의 우려가 있다. 따라서 이러한 피해나 위험을 미리 방지하기 위해서 우리 나라의 저압배전 및 자가용 전기설비에 의해 공급되는 전원계통은 변압기 저압측 중성점에는 제2종 접지공사를 하도록 의무화되어 있다.

   [그림3]의 전로의 1선에 사람이 접촉하면 인체와 인체를 통과하여 전류가 흐를 수도 있다. 이와 같은 점을 감안하여 본래에는 저압배전계통에는 비접지 방식을 채택하였으나 변압기의 고저압 권선의 혼촉에 의한 감전사고와 화재사고가 많이 발생하였다. 따라서 이들 사고에 대한 방지 대책으로 변압기의 2차측 전로의 중성점 또는 1단자에 접리를 하는 접지방식의 전원계통을 많은 나라들이 채용하고 있다.

 

항         목	비접지 계통(TT 방식)	접지 계통(TN 방식)
충전된 전로에 사람이 접촉하였을 때 인체에 흐르는 전류	대지정전용량에 의해서 주로 제한되며, 대단히 미소하다	인체와 대지사이에 접촉상태에 따라 다르며 큰 전류가 흐를 수도 있다.
전로의 대지전위상승의 억제	불가능하다	가능하다
접지를 통한 다른 계통과의 상호 간섭과 영향의 가능성	있다	없다
적용 가능한 전원 계통	소규모 전원계통	대규모 전원계통
접지고장검축과 보호계전기의 동작 확보의 용이성	어렵다	쉽다
전로 절연의 경년 변화	시간의 경과에 따라 전로의 절연 특성이 저하한다.	전로의 경년 변화가 적다
이상전압 발생의 억제	불가능하다	가능하다