김상엽
(Sang-Yeop Kim)
1iD
최은혁
(Eun-Hyeok Choi)
†iD
-
(Ph.D. Course, Dept. of Electrical engineering, Kyungil University, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Ground design simulation, Kec ground system, Stride & contact voltage
1. 서 론
1.1 연구의 배경
한국전기설비규정 제정 공고 후에 적용 유예기간 동안 국제표준에 부합하고 코드 변경과 기술적 검토를 하여 따른 요구 사항을 개선하고, 보완하기 위해
2021.1.1.에 수월한 산업계 적용을 위하여 제·개정 되었다[1]. 한국전기설비규정 제정 공고 이후 공시된「전기설비기술기준의 판단기준」의 내용 반영과 적용시 해석이 정확하지 않은 안전 보완, 조항 및 시설 등 제개정이
필요한 사항을 보완, 개선 것에 목적을 둔다. 현재 ‘전기설비기술기준’, ‘전기설비기술기준의 판단기준’ 공고에 대한 관리는 대한전기협회에서 관리한다.
이같은 역사를 가지는 판단기준 근거를 2021년부터 새로 대체할 ‘KEC’는 ‘전기설비기술기준’의 근거로 현행 ‘판단기준’과 똑같은 법적 지위를
가지고 있다. ‘전기설비기술기준’과는 달리 실질적인 공사시행방법이 없는 IEC표준은 국내에서 적용이 제한적일 수 밖에 없었다[2]. IEC표준 시설방법의 국내 적용은 TBT협정 이행면에서 뿐만이 아니라 객관적 인체 감전보호 이유를 들어 보호설계 제시, 국내 사용전압과 비슷한
전압대역을 기본으로 실증결과의 반영, 국제적으로 사용되는 일반적 시설방법임과 동시 여러 이점이 있어 적극검토 되었다. 또한, ‘전기공작물규정’ 당시의
환경과 크게 달라져서 과거의 시설기준을 탈피하여 객관적인 근거와 실증 결과에 따른 시설기준 개편의 필요성이 커지고 있다. 그러므로 이런 배경을 바탕으로
국내 전기환경과 비슷한 IEC표준을 기본으로 많은 외국 규정의 근거를 확인하고 국내 현장에 적용하기 위한 한국형 전기설비 시설기준인 ‘KEC’가 개발되었다[2].
1.2 한국전기설비규정 접지부분 제·개정 주요사항과 전후 비교
접지 부문 제개정 주요사항은 크게 접지대상에 따라 일괄 적용한 종별접지 폐지(’21 시행), 국내 접지설계 방식의 수용성 향상을 위한 접지 시설 종류
설정, 수전전압별 접지설계 고려사항으로 나눌수 있다[3].
Table 1과 같이 종별(현행) 접지방식과 개정된 KEC140 나누어 접지방식과 접지도체, 최소단면적을 나누어 비교하였다.
Table 1. Comparison of type earth design method and KEC 140 ground method
(a) Differences based on grounding method
|
접지대상
|
현행 접지방식
|
KEC 접지방식
|
|
(특)고압설비
|
1종: 접지저항 10$\omega$
|
⋅계통접지 : TN, TT, IT 계통
⋅보호접지 : 등전위본딩 등
⋅피뢰시스템접지
|
|
600V이하
설비
|
특3종: 접지저항 10$\omega$
|
|
400V이하
설비
|
3종: 접지저항 100$\omega$
|
|
변압기
|
2종: (계산요함)
|
"변압기 중성점 접지"로 명칭 변경
|
(b) Ground conductor, difference based on minimum cross-sectional area
|
접지대상
|
현행 접지도체 최소단면적
|
KEC 접지/보호도체 최소단면적
|
|
(특)고압설비
|
1종: 6.0 mm$^{2}$이상
|
상도체 단면적 S(mm$^{2}$)에 따라 선정
⋅$S\le 16: S$
⋅$16\le S\le 35: 16$
⋅$35<S : S/2$
또는 차단시간 5초 이하의 경우
⋅$S=\sqrt{I^{2}t}/k$
|
|
600V이하설비
|
특3종: 2.5 mm$^{2}$이상
|
|
400V이하설비
|
3종: 2.5 mm$^{2}$이상
|
|
변압기
|
2종: 16.0 mm$^{2}$이상
|
2. KEC 접지설계 조건-아스픽스접지 계산 설계조건과 계산 기준[4]
접지계산서는 안전공사에서 발행 ‘전기설비 검사, 점검 기준’에 따라 계산하였다. 또 접지계산서는 개정된 KEC를 기준으로 하였다. 접지 도체 크기
및 총 접지 저항 계산은 변전소 접지 안전을 위한 IEEE Std 80-2000에 따라 계산하며 계산된 단면적의 안정을 판정한다. 아래 Table 2(a)는 IEEE Std 80-2013, (b) KS C IEC 61936-1 이며 실제 접지계산에서는 (b)를 참고하여 (a)로 계산한다. (b)는
고압,특고압 전기설비 접지 설계 순서로 고압시설 설계를 위한 일반사항을 나타내고 있다.
Table 2. Design for Aspix grounding calculation
3. 아스픽스 시뮬레이션을 이용한 KEC 개정후현장(시공), 데이터, 결과값 도출[5]
Table 3은 현장 접지 저항 측정 순서 및 시뮬레이션 공통 조건을 나타내며 접지 계산 절차를 단계별로 알 수 있게 만들었다.
Table 3. Field ground resistance measurement sequence and simulation common conditions
Fig. 1. Expected contact voltage [V]
Fig. 1은 예상 접촉전압을 3D로 나타낸 것으로 왼쪽 색깔 막대에 따라 크고 작음을 볼 수 있다. 아래쪽은 접촉전압이 낮은 것이고, 위쪽으로 갈수록 접촉전압이
높아지는 것이다. 예상 접촉전압을 3D로 보면 접지극 수평도체의 간격이 넓기 때문에 매쉬 한 개의 중앙에 접촉전압이 높아진다. 보통 접지극 간격을
5m 이하로 했을 때 중앙에 접촉전압은 작아지고, 테두리에는 접촉전압이 작아지는 것과는 반대의 결과를 가져온다.
Fig. 2. Estimated stride voltage [V]
Fig. 2는 예상 보폭전압을 3D로 나타낸 것이며 왼쪽 색깔 막대에 따라 크고 작음을 볼 수 있다. 아래쪽은 보폭전압이 낮은 것이고, 위쪽으로 갈수록 보폭전압이
높아지는 것이다. 예상 보폭전압은 3D로 분석해보면 테두리에서 예상 접촉전압과는 반대의 결과를 볼 수 있다. 접지극 간격 폭이 15m 정도이므로 테두리로
갈수록 보폭전압이 커지고, 메쉬 한 개의 중앙으로 갈수록 보폭전압이 작아진다.
Fig. 3. Contact voltage 2D [V]
Fig. 3은 예상 접촉전압을 2D로 나타낸 것으로 Fig. 1과 같은 결과를 평면도로 나타낸 것이다.
Fig. 4. Stretching voltage 2D [V]
Fig. 4는 예상 보폭전압을 2D로 나타낸 것으로 Fig. 2와 같은 결과를 평면도로 나타낸 것이다.
Table 4는 Fig. 5의 대지저항률 측정 그래프의 기호를 나타내고 있다. (a)의 P1, P2의 수치와 (b)의 각 기호의 항목의 뜻을 표시하였다.
Table 4. Land resistance value
(a) Land resistance$[\omega -m]$
|
Profiles
|
1
|
2
|
4
|
8
|
16
|
|
P1
|
276.4
|
178.4
|
180.9
|
105.5
|
60.3
|
|
P2
|
238.7
|
157
|
178.4
|
125.6
|
160.8
|
(b) Each land resistance$[\omega -m]$ symbol
|
No
|
기호
|
항목
|
값
|
|
1
|
ROMAX
|
대지저항률 최대값 [$\omega$-m]
|
276.4
|
|
2
|
ROMIN
|
대지저항률 최소값 [$\omega$-m]
|
60.3
|
|
3
|
ROAVG
|
대지저항률 평균값 [$\omega$-m]
|
166.2
|
|
4
|
ROSTDEV
|
대지저항률 표준편차 [$\omega$-m]
|
61.98
|
|
5
|
ROSTDEVP
|
대지저항률 표준편차 [%]
|
37.29
|
|
6
|
RO70
|
70% 확률이하의 대지저항률[$\omega$-m]
|
193.43
|
|
7
|
(ROMAX+ROMIN)/2
|
최대와 최소 사이의 대지저항률 평균값 [$\omega$-m]
|
168.35
|
|
8
|
RO1
|
상위층 대지저항률 [$\omega$-m]
|
202.26
|
|
9
|
RO2
|
하위층 대지저항률 [$\omega$-m]
|
61.12
|
|
10
|
h
|
상위층 두께[m]
|
4.33
|
Fig. 5. Ground resistance measurement graph
Fig. 5는 대지 저항률을 측정하여 그래프로 나타냈다. Table 4.의 수치들을 파악하고 수치별 차이를 비교 할수있다. 아래 Table 5는 매쉬 도체 데이터를 나타내고 있다. 각 도체별 수치를 표시하였다.
Table 5. Mash conductor data
|
이름 (Name)
|
X1
(m)
|
Y1
(m)
|
X2
(m)
|
Y2
(m)
|
h
(m)
|
R
(m)
|
A
(mm$^{2}$)
|
|
(0.9,27.1) (1.0,9.2)
|
0.92
|
27.06
|
0.98
|
9.22
|
0.75
|
0.0049
|
70
|
|
(1.0,9.2) (35.7,9.3)
|
0.98
|
9.22
|
35.65
|
9.35
|
0.75
|
0.0049
|
70
|
|
(35.7,9.3) (35.7,0.9)
|
35.65
|
9.35
|
35.65
|
0.91
|
0.75
|
0.0049
|
70
|
|
(35.7,0.9) (49.3,0.8)
|
35.65
|
0.91
|
49.28
|
0.85
|
0.75
|
0.0049
|
70
|
|
(49.3,0.8) (49.3,27.1)
|
49.28
|
0.85
|
49.28
|
27.06
|
0.75
|
0.0049
|
70
|
|
(49.3,27.1) (0.9,27.1)
|
49.28
|
27.06
|
0.86
|
27.13
|
0.75
|
0.0049
|
70
|
|
(35.6,9.4) (35.6,27.1)
|
35.63
|
9.38
|
35.60
|
27.09
|
0.75
|
0.004125
|
70
|
|
(17.5,9.2) (17.6,27.1)
|
17.48
|
9.23
|
17.57
|
27.12
|
0.75
|
0.004125
|
70
|
Table 6은 접지봉 데이터를 나타내고 있다. 각 접지봉 마다 가로축, 세로축, 깊이 등을 정리하였다.
Table 6. Ground bar data
|
이름 (Name)
|
X(m)
|
Y(m)
|
L(m)
|
h(m)
|
R(m)
|
D(mm)
|
|
(0.9,27.1)
|
0.90
|
27.00
|
1
|
0.75
|
0.007
|
14
|
|
(1.0,9.2)
|
1.00
|
9.22
|
1
|
0.75
|
0.007
|
14
|
|
(49.3,0.8)
|
49.25
|
0.85
|
1
|
0.75
|
0.007
|
14
|
|
(49.3,27.0)
|
49.25
|
27.01
|
1
|
0.75
|
0.007
|
14
|
|
(35.7,0.9)
|
35.67
|
0.90
|
1
|
0.75
|
0.007
|
14
|
|
(35.6,9.4)
|
35.62
|
9.38
|
1
|
0.75
|
0.007
|
14
|
Table 7은 접지도체 굵기 선정을 나타내고 있다. 각 도체재료 별 연동선의 수치를 표시했다.
Table 7. Ground conductor thickness selection
|
도체재료
|
연동선
|
|
도전율(%)
|
100
|
|
열저항률 ar at 20$^{o}$C (1/$^{o}$C)
|
0.00393
|
|
K0 at 0 $^{o}$C(0$^{o}$C)
|
234
|
|
최대허용온도 Tm($^{o}$C)
|
250
|
|
저항률 pr at 20$^{o}$C $(u\omega cm)$
|
1.72
|
|
TAP 열용량계수 $[J/(cm^{2o}C)]$
|
3,42
|
|
최대지락전류 실효값(kA)
|
10
|
|
주위 온도 Ta($^{o}$C)
|
32
|
|
통전시간 tc (s)
|
0.5
|
|
계산 굵기 $(mm^{2})$
|
40.63
|
|
도체 굵기 선정 $(mm^{2})$
|
70
|
본 실험 계산서는 전기안전공사 에서의 전기설비 검사, 점검 기준 [2022.12.31.]에 따라 계산하였다. 또한 새로 개정된 KEC 140과 321를
기준으로 하여 계산하였습니다. KS C IEC 61936-1 접지시스템을 참고하여 IEEE std. 80 2013의 기준으로 계산하였다.
Table 8은 Wenner 4전극 측정법을 이용한 대지저항률 측정 기록표 나타내고 있다. 봉간거리와 측정 깊이 별 대지저항률, 평균을 알수 있다. 평균 대지
저항률(p) 166.20Ωᆞm 측정 최대값으로 하였다.
Table 8. Land resistance measurement record using wenner 4 electrode measurement
|
|
가로1
|
세로
|
가로2
|
측정
깊이
|
|
봉간거리
[m]
|
$\rho$
|
R
|
$\rho$
|
R
|
$\rho$
|
R
|
[m]
|
|
1
|
276.4
|
|
238.7
|
|
|
|
2
|
|
2
|
178.4
|
|
157
|
|
|
|
4
|
|
4
|
180.9
|
|
178.4
|
|
|
|
8
|
|
8
|
105.5
|
|
125.6
|
|
|
|
16
|
|
16
|
60.3
|
|
160.8
|
|
|
|
30
|
|
평균
|
160.3
|
|
172.1
|
|
|
|
|
Fig. 6. Earth resistance measurement equipment
Fig. 6은 DY4300과 ETCR 3200C 대지저항률, 접지저항 테스터기를 활용하여, Fig. 7과 Fig. 8과 같이 실측하였으며, 현장 조건은 토양상황과 날씨는 아래와 같다.
측정장비 : DY4300 또는 ETCR 3200C
측정온도 : 20℃
측정방법 : Wenner 4전극 측정법
측정시 날씨 : 맑음
표토층 대지저항률 : 1500Ωᆞm
표토층 재질 : 콘크리트
Fig. 7. Site photograph of land resistivity (ρ) measurement
Fig. 7은 가로, 세로 거리별 대지 저항률($\rho$)을 측정한 현장사진으로 각 저항률은 Table 8에 기록하였다. 합산하면 평균 대지 저항률을 실측하였으며, Fig. 8은 접지공사 완료 후 측정 결과치로 3.99$\omega$가 나온 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 8. Measurement result after ground work (3.99Ω)
5. 결 론
개정된 접지방식에 맞는 2D, 3D시뮬레이션이 현재 여러 현장에 활용되고 있다. 개정 후 1년의 유예기간과 함께 병행되며 혼동을 가져다줬던 KEC접지
방식이 어떻게 적용되고 있는지 확인하였다. 종별 접지 방식을 폐지하고 KEC 접지방식을 시공, 새로운 접지공법을 시공하며 실제 현장공법에서 문제점이나
특징을 알아보고 국제표준 기술사항을 준수하고 한국 전기규정에 맞는 현재 KEC 접지방식으로 실제 현장에서는 어떻게 시공,측정 되는지 실제 프로젝트를
기반으로 연구했고 구 접지공사법이 폐지되고 KEC접지방식과 의 차이점을 비교하고 고찰해봤다. 또 연구실에서 실험이나 이론적인 내용에 기울어지기보다
실제 현장에서의 데이터를 가지고 수치화하여 분석해 실제 현장에서 어떻게 접지공사가 이루어지는지 알아볼수 있었다. 새로 개정된 KEC 140과 321을
기준으로 접지 시뮬레이션, 접지극 수평도체 굵기 계산, 대지저항률 분석해 결과값을 도출했고 KEC 대지 저항률을 적용시켜 Wenner 4 전극법을
이용해 각 공사구간 에 평균 대지 저항률, 접지저항 결과값을 도출했다. 앞으로도 다양한 경험과 기술, 프로그램을 활용하여 시공과 건물 전기시스템의
안전과 직결된 접지에 대한 기술적 특성과 시공 방법을 개발시 활용이 기대된다.
References
Korea Electric Corporation Association, “KEC construction guidebook - Overview of
KEC facility regulations,” 2022.
Korea Electric Association, “Casebook of electrical equipment technology standards
- Background of establishment of Korea electric equipment regulations,” 2020.
KEC Institute of Technology and Standards, Korea Electricity Association, “KEC regulation
key points,” 2020.
Man-seok Son and José Arcila, “Grounding design method of power facilities calculated
by Aspix software according to KEC 2021,” in Proc. of the KIEE Conference, pp. 77-80,
2021.
Man-seok Son and José Arcila, “Application examples of Aspix grounding design software
according to KEC earthing technic,” in Proc. of the KIEE Conference, pp. 198- 200,
2022.
Biography
He received a bachelor’s degree in electrical automation from Yeungnam University
of Science and Technology in 2015. He received master’s degrees in business administration
from Yeungnam University in 2016 and 2021. He worked in the U.S. Eighth Army Operations
and Maintenance Division, Utility Branch in Korea from 2015 to 2021. He also worked
in the U.S. Eighth Army Engineering Division, Design Branch in Korea from 2022.
He received B.S. degree in electrical engineering from Kyungil University in 2003.
He received the M.S. and Ph.D. degree in electrical engineering from Yeungnam University
in 2005 and 2009. He has been an Assistant Professor in the department of electrical
engineering, Kyungil University. His research interests are high voltage discharge,
insulation diagnosis sensor and power system analysis.