1.1 연구의 배경

한국전기설비규정(KEC, Korea Electro-technical Code, 산업통상자원부 공고 제2021-509호, 2021.7.1.)는 전기설비의 안전성 확보를 위하여 기술적 세부사항을 규정하고 있다.

KEC 142.1.2 “접지시스템 요구사항”에 따라 접지극은 인체감전보호를 위한 대지표면의 전위차 외에도 부식, 건조, 동결 등 대지환경 변화에 따른 영향을 충족해야 한다. KEC 142.2 “접지극의 시설 및 접지저항”의 2에서는 변압기 중성점의 접지극과 고압 이상 전기설비의 접지극은 지표면으로부터 0.75m 이상으로 시설하도록 하고 발전소·변전소·개폐소는 별도기준을 적용하도록 하고 있다. 그러나 저압전기설비의 접지극에 대한 매설깊이 기준을 수치로 규정하고 있지 않다.

본 논문에서는 외부환경에 따른 접지극 매설깊이를 정하고자 동결(토양온도), 수분영향(건조), 대지전위 등 환경적 요소를 중심으로 국외 사례를 조사 및 분석하였다. 또한 저압전기설비의 대표적인 접지극인 A형 접지극(봉형)을 설치하여 온도 및 강우·강설, 매설깊이별 접지저항값의 변화 양상을 확인하고, 이에 대한 안전기준을 제시하고자 하였다.

2.1 KEC 접지극 매설깊이 규정

KEC에 따라 접지시스템은 인체감전보호를 만족하고 수분영향(건조)를 충족해야 하며 동결깊이를 감안하여 시설하여야 한다.

동결깊이는 국토교통부의 철도설계기준 흙구조물(KDS 47 10 25)에서 제시된 지역별 동결지수와 보정상수로 그 깊이를 계산할 수 있다⁽²⁾. 제시된 조건으로 최대동결깊이를 계산하면 Table 1과 같다. 서울 0.59m, 거제 0.17m, 대관령 1.56m로 제주를 제외한 지역에서는 0.17～1.56m의 동결깊이를 가지는 것으로 볼 수 있다.

KEC에서 규정하는 저압전기설비 접지극의 매설깊이 세부기준을 정리하면 다음과 같다.

(1) 접지시스템의 안전 요구사항

- 대지전위 고려 : 지락전류와 보호도체 전류를 대지에 전달하며, 감전 위험이 없어야 함

- 수분영향 고려 : 건조 등 대지환경 변화를 충족하여야 함

계산식 : $\mathrm{Z}=\mathrm{C} ･ \sqrt{\mathrm{F}}$

여기에서, $\mathrm{Z}$ : 최대동결깊이(mm)

$\mathrm{C}$ : 동결지수에 따른 보정상수

$\mathrm{F}$ : 20년 설계동결지수(℃･일)

※ 참고: 계산에 의한 방법(철도설계기준(KDS 47 10 25, 흙구조물, 국토교통부 고시)⁽²⁾

(2) 동결깊이 고려

- 제주를 제외한 국내 흙구조물에서 동결깊이는 최대 1.6m, 최소 0.17m

2.2 국외 접지극 매설깊이 규정

접지극 매설깊이 규정 조사를 위하여 다음의 표준을 조사하였다. 조사 항목은 동결깊이(토양온도), 대지전위, 수분영향, 기타 최소깊이 기준이다.

ㅇ IEC 60364-5-54(Low-voltage electrical installations - Part 5-54: Selection and erection of electrical equipment - Earthing arrangements and protective conductors) : 국제표준 저압전기설비

ㅇ Power installations exceeding 1kV AC and 1.5kV DC - Part 1: AC : 국제표준 고압전기설비

ㅇIEC 62305-3(Protection against lightning - Part 3:Physical damage to structures and life hazard): 국제표준 피뢰시스템

ㅇBS 7430(British Standard, Code of practice for protective earthing of electrical installations) : 영국 전기설비 보호 코드

ㅇNEC(National Electrical Code) : 미국 저압설비 코드

ㅇNESC(National Electrical Safety Code) : 미국 고압 유틸리티 코드

2.3 접지극 매설깊이 국외 규정 비교

조사한 자료를 정리하면 Table 2와 같다. IEC, BS 7430은 동결, 수분, 대지전위 등을 고려하도록 정하고 있다. BS 7430은 토양온도를 고려하여 깊이 0.5m 이하는 효과가 없는 것으로 간주하고 전위경도에 의한 위험을 줄이기 위하여 0.6m 이상으로 시설하도록 한다. NEC는 수분영향이 없도록 최소 0.75m로 시설하도록 정하였다. NESC는 수분영향과 동결한계선을 고려하며, 접지극 자체의 길이에 따라 깊이 0.45～2.45m로 정하였다.

국외 기준에 따라 접지극 따른 매설깊이를 간략하게 비교하면 Table 3과 같다. 동결깊이에 따른 접지극 깊이를 수치로 정한 사항과는 별개로 공통적으로 수분과 동결의 영향을 추가적으로 고려하도록 정하고 있다.

3.1 매설깊이 실증실험 개요

국내 실정을 반영한 외부환경에 따른 접지극 매설깊이 규정에 대한 데이터 확보를 위하여 동결깊이, 온·습도를 고려한 실증실험장을 Fig. 1과 같이 구성하고 저항값 변화 추이를 분석하였다.

Fig. 1. Earth electrode resistance test site by burial depth of the earth electrode

장소는 최대 동결깊이가 1,065mm인 제천시이며 12π A형 접지극(봉형)을 3개사 측정기를 이용하여 3점 전위강하법으로 접지저항값을 측정하였다. 토양 특성은 KS C IEC 60364-5-54 표 D.54.1 “토양의 종류에 관한 저항률”에서 잔디로 덮인 돌이 많은 토양에 포함되어 저항률은 약 300～500 Ωm를 적용한다. 매설깊이는 극 상단을 기준으로 지표 수평 0m, 0.5m, 0.75m, 1m, 1.5m, 5극 병합으로 6종류로 구분하여 매설하였고 1월～10월의 측정 횟수는 총 112회이다.

3.2 매설깊이에 따른 접지저항값 변화

Fig. 2는 1월～10월에 매설깊이에 따른 접지저항값을 월별 평균값과 비교한 것이다. 1～2월에 매설깊이가 1m 이상인 경우 접지저항의 변화폭은 100Ω 이내로 적었다. 3월은 평균기온 상승 및 대설에 의하여 접지저항값이 전반적으로 감소하였다. 9월부터는 평균 기온이 하강하여 저항값이 상승하기 시작하였다. 1월～10월에 측정된 저항의 최소값과 최대값은 깊이 0.75m에서 4.8배, 1m에서 3.2배, 1.5m에서 3.4배 차이가 발생하였다.

Fig. 2. Earth electrode resistance test site by burial depth of the earth electrode

3.3 온도에 따른 접지저항값 변화

Fig. 3은 온도에 따른 접지저항값 변화추이이다. 동계에 매설깊이 0.75m 이내에서는 온도변화에 민감하다. 3월 중순 이후에서 10월까지 영상온도 유지 조건에서 온도에 의한 접지저항값의 변화는 미미한 것을 알 수 있다.

Fig. 3. Change in earth electrode resistance value according to temperature (January to October)

3.4 강우·강설에 따른 접지저항값 변화

Fig. 4는 강우 및 강설에 따른 접지저항값 변화추이이다. 1월～2월에는 강설에 따른 저항 변화폭이 크다. 3월부터는 강설에 민감하게 영향을 받았으나 변화폭은 작았다. 또한 매설깊이가 깊을수록 그 영향은 미미한 것을 알 수 있다. 5월～6월은 지속적 강우에 따른 낮은 접지저항값이 분포되다가 7월～8월은 강우 시 직접적으로 접지저항이 감소되었다.

Fig. 4. Change in earth electrode resistance value according to rainfall and snowfall (January to October)