접지의 기본개념접지의 기본개념

Posted at 2009.04.17 13:13 | Posted in 전기 지식인

 

 

 


접지의 기본개념

Ⅰ. 접지의 기본개념

  circle05_blue.gif. 접지(Grounding, Earthing)

      접지란 전기, 전자, 통신설비 등의 기기와 대지사이를 전기적으로 접속을 실현하는 것으로    

      이를 구체화하는 것이 접지설계이다. 접지설계는 대지를 대상으로 소요접지저항을 얻기위한

      접지전극의 설계와 지상공간의 전기,전자, 통신설비 상호간 및 낙뢰보호를 포함한 접지계를

      대상으로 한 접지시스템의 두가지 접지설계가 있다.

 

 

  circle05_blue.gif. 접지저항

      접지전극은 대지의 토양과 접촉하는데 토양은 흙입자, 물,  공기로 이루워져 있으며 전기전  

      극은 금속으로 된 전극과 토양이 전기적으로 접속하고 있는 것인데 여기에서는 반드시 전기

      적 저항이 존재하게 되어 있는데 이를 접지저항이라 한다.접지저항값은 전기안전의 표준이

      되어 법규, 기준 등에 명시되어 있으며 전기, 전자. 통신설비의 접지공사시 소요접지저항값

      에 적합하여야 한다. 동일한 형상의 접지전극을 각기 다른 대지에 매설한 경우에 이들 접지

      저항값이 서로 다르게 나타나는 것이 일반적인데 이는 접지저항에 영향을 주는 인자가

      다르기 때문이다.

   *접지저항에 영향을 주는 인자는 다음과 같다. 

      ① 접지선과 접지전극의 도체저항
      ② 접지전극의 표면과 이것에 접하는 토양사이의 접촉저항
      ③ 접지전극 주위의 토양성분의 저항 즉 대지저항률 위의 3가지 인자중에서 바로 아래의
          대지저항률이 접지저항에 가장 큰 영향을 준다.

 

 

  circle05_blue.gif. 대지저항률

      물질에 전계를 가했을때 쉽게 많은 전하가 이동해서 전류가 흐르기 쉬은 것을 양도체, 거의

      전류가 흐르지 않는 것을 절연체,  그 중간의 것을 반도체라고 하고 전류가 흐르기 어려운 정

      도를 나타내는 상수로서 저항률 (단위는 [Ω, m ])을 쓴다.금속 저항률의 경우 종류에 따라

      저항률이 결정되고 같은 종류라도 온도가 변화하거나 어떤 불순물이 혼합되면 그 값이 변화

      한다는 것은 잘 알려진 사실인데 토양도 이와 똑같은 말을 할 수 있다. 대부분의 토양은 그것

      이 완전히 건조상태이면 전기가 통하지 않는 다. 즉 절연물이며 그것은 토양의 주성분인 규산

      (SiO2) 이나 산화알류미늄이 우수한 절연재료로서 사용되고 있는 것을 보아도 알 수 있으나

      사막의 모래는 예외로 하고 자연계의 토양이 완전히 건조되고 있는 것은 거의 없다. 그런제

      토양에 수분이 함유되면 그 저항률은 급격히 낮아져서 전기를 통하게 된다.즉 도체가 되는데

      그러나 토양이 도체가 된다해도 금속에 비하면 매우 나쁜 도체이며 오히려 반도체라고 해야

      될 것 같다.대지저항률에 영향을 주는 요인은 다음과 같다.대지저항률에 영향을 주는 요인으

      로 대표적인 것은 흙의 종류와 수분의 양 혹은 온도이며 그밖에 흙이 함유되어 있는 수분에

      용해되어 있는 물질이나 그 물질의 농도, 그리고 토양 알맹이 의 크기나 조밀 등이다.

      특정한 종류의 토양에 대해 그 저항률의 값을 명시한다는 것은 곤란 하며 예를 들어

      "점토는 몇(Ω, m)의 저항률을 갖는다"라는 표현은 할 수 없다. 왜냐하면 같은

      점토라도 장소와 시간에 따라서 저항률이 다르기 때문이다.그러나 개략적인 표준을 얻기 위

      해서는  어느 정도의 수치가 필요하므로 흙의 종류에 따른  대지저항률을 살펴보기로 한다.

 

   circle02_green.gif . 흙의 종류에 따른 대지저항률

 

흙의 종류

저항률 (Ω, m)

접지방법

늪지, 해안매립지, 진흙
점토질, 모래질 
모래질
사암 및 암반지대 

80 ~ 200
150 ~ 300
250 ~ 500
1000 ~ 10000 ( ∽ ) 

동봉접지, 심타접지
동봉, 동판접지, 심타접지
동봉, 동판, 메쉬접지,
심타접지
보링화학접지, 보링동봉접지 

 

   circle02_green.gif . 토양의 저항률에 대한 수분의 영향

 

흙이 함유하는 수분률 (%)
(건조한 흙의 중량에 대한 비율)  

모래섞인 토양의 저항률 (Ω, m)

2
4
6
8
10
12
16
20
24
28
 

1800
600
380
290
220
170
130
90
70
60

 

 

Ⅱ. 접지설계

    접지설계를 효율적으로 하기 위해서는 설계의 기본요소를 바탕으로 순서에 따라

    계획적으로 할 필요가 있다. 접지전극은 일반적으로 건물의 지하부문에 매설되고

    있는데 접지설계의 계획은 시기적으로 보아 시공계획보다 먼저 실시되어야 한다.

    따라서 기본설계는 물론 실시설계에서도 확실한 설계내용으로 정리하는 것이 중요하다.

    여기서는 접지설계에 필요한 기본적인 요소를 언급하고자 한다.

 

 circle05_blue.gif. 기준접지저항의 결정

     접지전극을 설계하는데는 그 근거가 되는 기준접지저항을 결정한다.

     먼저 접지계가 저압회로인가 고압회로인가를 판단하고 지락사고시의 전류, 전위상승

     등을 파악한다. 또 당해설비가 전기설비 기술기준에 관한 규칙에서 정한 규격을

     따를 필요가 있으면 이에 규정된 접지저항을 기준접지저항 으로 한다.

     또 기준에 없는 설비일 경우에는 인체의 전기적 특성을 충분히 파악한 후 접촉전압,

     보폭전압을 고려하여 음의 법칙에 의해 목적으로 하는 접지저항을 계산하고 이 값을

     기준접지저항 으로 한다. 下記 <기준접지저항의 결정흐름도> 참조

 

 

 circle05_blue.gif. 접지형태의 선정

 

    빌딩, 공장, 발전소, 변전소 등에서 접지를 필요로 하는 설비기기는 여러종류가 있다.

    먼저 설계전의 작업으로는 이들 기기를 선정하고 접지목적별로 분류한 다음 접지공사의

    종류를 결정해야 한다.

    그리고 접지공사구역의 상황을 파악하고 분류한 설비를 단독접지하느냐, 공용접지

    하느냐의 접지형태를 선택할 필요가 있다.

    이 작업은 접지시스템 설계에도 관련이 있으며 매우 어려운 작업이다. 그 이유는 현 시점에서

    접지시스템이 아직 체계화가 되어 있지 않는 것이 있기 때문이다. 만약 단독접지형태를 취하면

    지락전류, 전위분포, 상호간섭계수 피해를 받는 기기의 허용내전압 등을 파악할 필요가 있다.

    어째든 단독 또는 공용접지를 선택해서 단독접지이면 인공접지전극에 시공하고 공용이면

    구조체의 대용접지전극 또는 이것이 부적당하면 인공접지전극에 시공할 수 있다.

    上記 <접지형태의 선정흐름도> 참조

    독립접지와 공용접지 - 별첨1

 

 circle05_blue.gif. 접지전극설계의 기본순서

     접지공사의 장소가 선정되고 기준접지저항이 결정되면 접지전극설계에 들어가야 한다.

     전즉 접지극설계의 기본 흐름도에 따른다. 

 

    먼저 접지저항은 계절변동의 특성이 있고, 접지장소의 기상조건, 접지전극의 종류 및

    매설 상황에도 관계가 있는데, 모든 접지전극을 대상으로 하고 있는 것은 아니다.

    그러나, 설계의 신뢰도를 높이려면 계절변동계수를 도입하여

    설계에 필요한 소요 접지저항을 산정한다.

    기준 접지저항 R과 소요 접지저항 Rn  사이에는 Rn≥R/S 의 관계가 있고, S는

    계절변동계수로서 1<S≤1의 관계가 있다.

    다음으로 접지공사 장소의 대지저항률 정보가 필요한데, 여기서 대지 피라미터와

    토질조사 등의 데이더를 얻기 위한 사전조사가 필요한지의 여부를 판단한다.

    이때 이미 데이터 베이스화되어 있으면 이를 이용한다. 정보가 없으면

    ρ-α 곡선을 작성, 대지 파라미터를 결정해야 한다.

    이상의 작업으로 접지설계를 위한 기본적인 정보의 확보가 가능하고 더욱 구체적

    접지설계에 들어가서, 접지공법을 선정할 때 접지공사가 가능한 구역을

    결정해 둘 필요가 있다.

    최근에는 전기설비가 컴팩트화되고, 땅을 사기가 어렵게 되고, 낮은 접지저항을

    얻기가 어려운 점 등 설계자로선 난점이 한두가지가 아닌데,

    여하간 접지구역은 한정되어 있다.

    접지공법에는 크게 인공접지전극에 의한 공법과 자연접지극을 이용하는 방법이

    있는데, 앞의 것은 봉상, 판상(板狀), 선상(線狀) 전극 등을 이용하는 소규모

    공법에서 보링(boring)전극에 의한 병렬 접지, 메시접지, 루프(loop)형 대상(帶狀)접지와

    같은 대규모 공법까지 있다.

    이의 선정은 소요 접지저항에 관계하는 것이고,  그림3에서처럼 설계변경을

    반복하여 접지공법이 결정된다.

    접지공사 장소의 대지상황, 접지계의 규모에 의해 알맞은 접지재료를 선정한다.

    접지전극은 한번 시공하면 적어도 30~50년간은 전기안전을 담당하는 파수군으로의

    역할을 해야 한다. 따라서 설계자는 사명감을 갖고 접지전극을 선정해야 한다.

    접지전극의 계산식은 다양한 방법이 있는데 하나의 전극형상에 대해 2~3가지가 있다.

    접지저항 계산 결과값 Rc와 소요 접지저항 Rn을 비교하여 Rc≤Rn이면

    접지전극 설계는 끝난다.

    Rc>Rn이면 접지공법을 다시 살펴서 각각에 대해 접지계산을 한다. 

 

Ⅲ. 접지의 시공

 circle05_blue.gif. 접지시공 공정도

기준접지저항값(R) 설정

대지고유저항 측정

접지시공방법 선정 및 설계

접지 시공

접지저항값 측정

접지공사 완료

 

 circle05_blue.gif. 기준접지저항값 설정

    기준접지 저항값의 설정은 전기설비기술기준(電技) 제19조에 기준한 접지공사의

    종류와 접지 저항값을 적용하여야 한다.

    접지공사의 종류와 접지저항값

 

 

 circle05_blue.gif. 대지고유저항 측정

    접지저항은 토양의 토질에 가장 큰 영향을 미치고 있으므로 접지설계시에는 토양의

    토질상태를 분석하는 것이 필요하다.

    대지저항률에 영향을 미치고 있는 주요인자는 토양의 종류, 수분상태,

    온도, 토양 구성물의 종류 및 밀도 등의 요인이 있다.

    접지설계를 하는 경우 대지를 균일한 저항률(값)을 가진 1층 구조로 보고 계산하였으나

    실제로 토양은 수평 혹은 수직으로 여러층을 형성하고 있는 것이 보통이다.

    접지설계는 대지구조를 정확히 파악하여 대지고유저항값을 측정하는 것이 중요한데

    그 측정방법으로는 보링으로 토양 샘플을 채취하여 분석하는 방법과 전기탐사법이

    있으나 대부분 간편한 전기탐사법을 이용한 접지저항계로 대지고유저항값을 측정하여

    토양에 적합한 접지전극을 설계하고 있다. 

 

 circle05_blue.gif. 접지전극의 시공

  circle02_green.gif . 접지봉을 이용한 접지시공

     접지봉은 접지공사 시공이 용이하여 가장 많이 사용되고 있는 접지시공법으로 직렬식,

     병렬식으로 시공할 수 있다. 특히 병렬식의 접지봉 전극은 요구되는 접지저항값이 얻어

     질때까지 연접하여 시공할 수 있다. 접지봉 전극의 시공은 표면층의 흙을 직경 20~30㎝

     로1M 깊이로 터파기 한 후 접지봉을 땅속 깊이 매설후 저감제을 물과 혼합하여 접지봉

     전극을 감싸도록 도포한다.

     접지봉 전극의 용도는 늪지, 해안매립지, 진흙 등 토질이 비교적 양호한 지역으로 대지

     저항률(값)이 80Ω ~ 200Ω 일때 많이 사용한다.

 

  circle02_green.gif . 나동선을 이용한 접지시공 

     접지봉 시공과 같이 표면층의 흙을 폭30~50㎝, 깊이 75㎝ 이하의 나동선 매설 구덩이를

     만들어 나동선을 중앙에 설치한 후 저감제로 약5㎝정도로 도포한 후 흙으로 되메우기

     작업한다. 접지봉 전극의 용도와 같이 토질이 양호한 곳이 많이 사용하는 접지시공방법이다.

 

  circle02_green.gif . 메쉬(Mesh: 망상)을 이용한 접지시공  

     나동선을 격자형으로 접속하고 저감제를 도포하여 대형 접지전극을 구성하는 방법이다.

     접지할 수 있는 면적이 넓고 낮은 접지저항값을 요구하거나 보폭전압등을 고려하여

     발전소, 변전소, 전화국, 인텔리젼트빌딩 등의 대형건물에 많이 사용하고 있다.

     필요에 따라서 접지봉과 동판도 함께 접속하여 시공하는 경우도 있으며 저감제 사용은

     나동선의 저감제 도포방법과 동일하다.

 

  circle02_green.gif . 심타식을 이용한 접지시공

     접지봉을 표면층에서 50㎝정도 터파기 한 다음 그곳에 특수접지봉(길이 1M)을 땅속으로

     때려서 매설하는데 보통 10EA를 카플링으로 연결하여 설치한다. 접지봉 주위에는 일반

     일반접지봉을 이용한 접지시공처럼 저감제를 물과 혼합하여 접지봉을 도포한다.

     심타식을 이용한 접지시공의 용도는 토질이 양호한 곳이나 토질이 단단한 곳이라도

     사용이 가능하며 일반적으로 암반지역이나 마사토지역을 제외한고는 어느 지역이든

     적용이 가능하다. 

 

  circle02_green.gif . Chem-Rod (화학접지봉)을 이용한 접지시공

     Chem Rod 를 이용한 접지시공은 보링장비 (천공기)를 이용하여 보링직경 150Φ, 보링깊이

     5~60m로 보링작업한 후 Chem Rod(화학접지봉)을 나동선과 연결하여 보링구멍 밑부분에

     설치하고 빈 공간에 저저항저감제를 물과 혼합하여 넣는다.

     일반접지시공방법으로 시공하기가 불가능한 암반지역, 마사토 같은 토질로 필요한

     접지저항값을 얻기 어려운 지역, 시공부지가 협소하여 일반접지방법으로 접지저항값을

     얻기 어려운 지역에 적용한다.

     chem Rod (화학접지봉)의 접지시공의 좋은 점은 기후, 계절, 온도의 변화에 따른 접지

     저항값의 변화가 없고 경년변화도 없으므로 30년이상의 안정된 성능의 접지저항값이

     보장되는 좋은 접지시공방법이다. Chem Rod (화학접지봉) 접지시공의

     상세한 기술사항은 OH-Chem Rod 접지 System을 참조한다. -  별첨2 

 

 

Ⅳ. 독립접지와 공용접지

    접지를 필요로 하는 설비기기가 많은 경우에는 개개의 설비기기를 각각

    독립적으로 접지 해야 하느냐, 그렇지 않으면 여러 개의 설비를 공통으로

    묶어서 접지해야 하느냐의 "접지 에 있어서 독립접지와 공용접지"의 문제

    는 완전하게 구분되어 있지 않다.외국에서도 이문제을 체계적으로 완전하게

    다루고 있는 것은 거의 없다. 그러나 오성하이 텍㈜에서 여러 문헌을

    참고하여 정리 요약하여 본것을 참고자료로 기록한 것이다.

 

 circle05_blue.gif. 접지의 다양화

    빌딩의 공간을 효율적으로 이용할 목적에 하나의 빌딩에 점포, 사무실,

    자계산기실, 식당,  병원, 공장이 있는 경우에는 가지각색의 전기설비기기

    가 설치되어 있으며  이들 기기들은 반듯시 접지를 해야 한다.

 

     circle02_green.gif . 접지를 해야 하는 전기설비기기

건물용도별

전기설비기기 종류

점         포

식품의 자동판매기, 냉동, 냉장, 쇼케이스

전   산   실

전산기기 본체. 모니터, 카드리더 등 각종 주변입력기기

사   무   실

컴퓨터, 노트북, 펙스밀리, 복사기, 전화 등 사무자동화 관련기기

병원의료실

심전도, 뇌파 등의 ME기기, X선 발생장치, 고주파 이용기기 등
각종의료장비

식         당

냉동창고, 냉장고, 전자레인지, 식기세척기 등의 주방기기

연   구   소

각종 연구 실험 장비

피 뢰 접 지

 제1종 접지

배 전 계 통

 제2종 접지

    낙뢰에는 피뢰침 설비의 접지, Surge등의 이상전압이 옥내에 침입하는 것

    을 방지하기 위하 여  Surge protector를 설치하는데 필요한  Surge 접지

    등 모든 설비를 접지해야 하는 각각 독립의 개별접지를 해야 하느냐, 공용

    으로 해야 하느냐의 문제는 간단하지 않으며 전문가들 도 견행 따라서는

    구분이 다르다.빌딩의 각층에는 용도별로 접지를 해아할 설비기기가 있는

    데 빌딩에서 공사 준공후에 접지 공사를 한다는 것은 매우 곤란하다.

    그러므로 빌딩의 설계단계에서 접지에 관한 충분한 계획과 검토가 필요하다. 

 

 circle05_blue.gif. 접지의 형태

    하나의 빌딩안에서 구내에 접지를 해야할 설비기기가 여러 개 있는 경

    우의 접지방식으로는 아래와 같은  4종류의 형태를 생각할 수 있다.

O표: 접지를 요하는 설비기기
 
 접지방식의 형태 

 

 1) 독립접지

    접지공사를 개별적으로 하는 방식을 독립접지라 한다.  

    이상적인 독립접지는 아래 그림과 같이 2개의 독립 접지전극이 있는 경우,  한쪽 전극에

    접지전류가 아무리 흘러도 다른쪽 접지극에 전혀 전위상승을 일으키지 않는 경우를 말

    한다. 그러나 이상적으로는 2개의 접지극이 무한대의 거리만큼 떠러지도록 하지 않으면

    완전한 독립이라 할 수 없다. 

2개의 접지전극 간의 상호 간섭

 

  circle02_green.gif . 독립접지의 장점

    red01_next.gif 안전성이 높다.

    red01_next.gif 유도뢰를 타고 들어갈 염려가 없다.

    red01_next.gif 전위상승 파급의 위험요소가 없다.

    red01_next.gif 설비중 어떤 설비에 전류가 발생하더라도 타설비에 영향을 비치지 않는다.

    red01_next.gif 접지가 각각 독립되었으므로 전위상승, 유도뢰 등이 없으므로 시스템이 안정적이다.

 

  circle02_green.gif . 독립접지의 단점

    red01_next.gif 접지선이 길고 시스템 접지계통이 복잡하므로 설비 시공시 공사비가 높다.

    red01_next.gif 접지선이 길고 시스템 접지계통이 복잡하므로 보수 점검이 공용접지보다 어렵다.

    red01_next.gif 독립접지는 개별적인 접지공사로 이격거리를 맞추어야 하므로  접지면적이 넓어야

       하며 좁은 공간에서는 시공이 어렵다.

    red01_next.gif 접지전극이 독립되어 있으므로  하나가 불능되면  타극으로 보완할 수가 없으므로

       접지의 신뢰도가 떨어진다. 

 

 

 2) 공용접지

    1개소 혹은 여러 개소에 시공한 공통의 접지극에 기개의 설비기기를 모아서 접속하여 접지를  

    공용하는 것이다.

 

  circle02_green.gif . 공용접지의 장점

    red01_next.gif 접지전극의 수가 적어지고 단순해지기 때문에 설비시공시 공사비가 경제적이다

    red01_next.gif 접지선이 짧아져 접지계통이 단순해지기 때문에 보수점검이 용이하다.

    red01_next.gif 각 접지전극이 병렬로 되면 독립접지에 비하여 합성저항이 낮아지고

       건축구조체를 이용하면 접지저항이 더욱 낮아지기 때문에 공용접지의 이점이 생긴다.

    red01_next.gif 접지전극중 하나가 불능되어도 타극으로 보완할 수 있어서 접지의 신뢰도가 향상된다.

    red01_next.gif 접지면적이 독립접지에 비교하여 작은 면적으로 시공할 수 있다. 

 

  circle02_green.gif . 공용접지의 단점

    red01_next.gif 전위상승파급의 위험도가 높다.

        공용접지의 경우 접지를 공용하고 있는 설비 중 어떤 설비에 접지전류가 발생하면

        그것은 대지로 유출하나  이때 각 접지전극에는 반드시 다소간의 접지

        항이 있으 므로 접지점의 전위가 상승한다.

        공용접지의 경우는 접지전류에 의한 전위상승이 접지를 공용하고 있는

        모든 설비에 파급된다.   전위상승파급의 위험에 대해서는 접지스스템의

        접지저항이 매우 작은 경우에는 거의 문제가 되지 않는다. 여기서 접지저

        항을 낮추기 위하여 건축 철구조 체를 접지전극으로 활용하는 방법이다.

        따라서 접지를 공용하는 경우에는 공용접지에 의해 서로 연결되는 일군의

        설비를 다음 관점에서 점검할 필요가 있다.

 

  ㅡ 발생하는 접지전류의 성질

      접지전류의 크기, 계속시간, 발생확률 등

      예를들면 피리침, 피뢰기로부터는 큰 접지전류가 발생하나  계속시간은

      짧고 발생확률도 높지 않다. 이에비해 제2종 접지공사의 접지전극에는

      부하기기의 누설전류로 인해 작게 발생하나 계속시간은 길고(장시간)

      발생확률은 높다.

 

  ㅡ 전위상승이 기기에 미치는 영향 

      부하설비기기중에는 접지선으로 부터 전위상승이 침입해 들어오는 것을

      기피 하여야 하는 설비들이 있다.

      예를들면 컴퓨터, 의료용 전기설비, 각종 고감도 측정장치 등

      그러므로 제1종, 제2종, 제3종 접지는 공용접지로 접지저항을 낮게하고

      피뢰침의 접지는 큰 접지전류가 발생하므로 접지전위가 상승할 가능성이

      크기 때문에 피해를 우려해서 독립접지로 하는 것이 보편적인 설계로

      적용되고 있다.

 

[출처:오성하이텍 ] ☞대한민국산업자재센터 이파츠몰

접지의 기본개념

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