1.1 연구의 필요성

최근 건축물의 고층화, 대형화, 인텔리전트화에 따른 전원, 정보통신, 피뢰설비에 대한 각각의 접지설비를 통합하여 사용하고 있어 이에 따른 접지 시스템의 적용에도 많은 연구와 관심이 진행되고 있다. 뿐만 아니라 대규모 송배전 시스템을 구성하고 있는 변전설비뿐만 아니라 CH철탑 등에서도 지락전류 등 사고전류 발생 시에도 안정성을 확보하기 위해 IEEE std. 80에 따른 접지 시공을 적용하는 등 기존 접지 저항에 따른 단순한 접지 설계에서 벗어나 설비의 신뢰성 및 인체 안전성을 위한 노력이 진행되고 있다.

하지만 아직도 현장 시공시 접지 시스템에 대한 이해 부족 및 설계 변경에 따른 현장시공의 어려움이 있어 단순히 접지도체의 길이 증가가 아닌 전위 경도와 접촉·보폭 전압의 관계를 IEEE std. 80을 기준을 통해 접촉전압 저감 영향을 분석하고자 한다.

2.1 접지설비의 종류

접지설비의 종류에는 접지방식에 따른 분류 방식, 접지극 구성에 따른 분류 방식이 있다.

접지방식에 따른 분류 방식에는 전기설비, 전자통신설비, 피뢰설비의 구성에 따라 분류하는 방식으로 설비의 특성에 따라 구성방식을 적용하고 있으며, 그 중 단독 접지는 접지 공사 종류별 단독으로 접지극을 설치하는 방식으로, 공통접지는 등전위가 형성되도록 고압·특고압 접지계통과 저압 접지계통을 공통으로 접지하는 방식을 말한다.

또한 모든 설비의 접지극을 통합하는 통합접지의 경우에는 전기설비의 접지계통, 건축물의 피뢰설비, 전자통신설비 등의 접지극을 통합하여 사람이 접촉할 수 있는 모든 도전부가 등전위를 형성하여야 한다.

접지극 구성에는 접지봉을 대지에 매설하는 봉형접지, 접지극을 접지선으로 연결하여 메시 형태로 구성하는 메시(망상)접지 그리고, 전기설비의 접지계통, 건축물의 피뢰설비, 전자통신설비 등의 접지극을 구조체를 이용하여 통합하는 접지방식인 구조체접지가 있다.

2.2 메시접지의 필요성

접촉전압이란 전기계통의 충전 부분과 인체의 접촉으로 인하여 인체에 인가 될 수 있는 전압이며 일반적으로 손과 인체의 다른 부분 간에 걸리는 전압으로 나타나는데, 이때 구조물과 대지면의 거리 1m인 지점간의 전위차를 말하며, 특히 누전이나 기기의 절연파괴로 인하여 기기의 노출 비충전부에 전압이 인가된 상태에서 사람이 접촉하였을 때 감전되는 것을 상정하므로 기기 접지에 의하여 노출부의 위험 전압을 낮추는 것이 중요한 요소가 된다.

보폭전압은 뇌격전류나 고압회로의 지락전류 등이 대지로 흐를 때 무한원점에 대하여 접지극 주위 대지의 전위가 올라감으로써 Fig. 2와 같이 사람의 양다리 간에 걸리는 전위차가 발생하는데, 이때 접지극 부근 대지면의 양발 사이 거리(1m)의 전위차를 말한다. 이러한 접촉전압과 보폭전압이 사고전류의 전위 경도에 의해서 발생하므로, 메시접지를 선택할 경우 메시 설치면의 전위 경도를 낮출 수 있어, 인체에 가해질 수 있는 접촉전압과 보폭전압을 낮출 수 있다.

2.3 메시접지 저항 측정비교

시뮬레이션을 통한 저항값과 현장의 저항값을 비교할 경우 메시접지 저항 측정방식에는 메시 접지극과 51.8, 61.8, 71.8% 3지점에 저항값을 측정하여 평균값을 사용하는 Fig. 3 보조극 일직선 배치법, 대규모 접지극의 저항을 측정할 때 사용하는 Fig. 4 보조극 90˚, 180˚ 배치법 등이 있다.

3.1 접지설비 설계절차(IEEE std.80)

접지설계 방법 중의 하나인 IEEE-std. 80에서는 Fig. 5 접지설계 순서도의 접지설비 설계절차로 12단계의 접지설계 순서를 통해 접촉 및 보폭 허용전압을 최대 예상전압보다 작게 설계하여 사고전류에 의한 감전 사고와 기기의 손상방지를 목적으로 하고 있다.

3.2 접지설계 기호

접지설계 절차에 필요한 기호의 내용을 정리해보면 Table 2와 같다.

3.3 접지설계 절차별 계산

1단계에서는 식 (1)을 이용해 접지망 포설 대지에 대한 대지 고유저항을 구한다.

2단계에서는 지락전류나 뇌전류가 접지도체를 통해 흐를 때 발열에 의한 화재나 주위 가연물 등에 위험을 초래 할 수 있으므로 사고전류에 의한 발열에 견딜 수 있도록 식 (2)를 이용하여 굵기를 선정하여야 한다.

3단계에서는 위험전압 기준을 결정하여 식 (3)의 접촉전압과 식 (4)의 보폭전압이 인체의 안전한계 전류 이하가 되도록 한다.

4단계에서는 접지망의 매설깊이, 접지망 간격 등을 선정하여 메시 접지망을 포설한다.

5단계에서는 식 (5)를 이용하여 접지저항을 계산한다.

6단계에서는 고장전류의 경로를 고려하여 사고전류를 예상하고 접지설계 장소의 특성에 따른 계수를 적용하여 식 (6)과 같이 대지전류를 계산한다.

7단계에서는 최대 대지전위상승(GPR)이 10,000V이하로 제한하며, 최대허용 접촉전압보다 낮을 수 있도록 설계 한다.

8단계에서는 예상되는 접촉전압과 보폭전압을 식 (7)과 식 (8)을 이용하여 산출한다.

9단계에서는 식 (7)에 의한 최대 예상접촉전압이 최대 허용접촉전압보다 작아야 하며, 이를 만족할 경우에는 10단계로 넘어가서 최대 예상 보폭전압과 최대허용 보폭전압을 비교하고 예상 보폭전압이 허용 보폭전압보다 낮을 경우에는 12단계로 진행하여 상세설계를 진행하여야 한다.

하지만 9단계와 10단계에서 조건을 만족하지 못할 경우 11단계로 넘어가서 예비설계를 수정하고 9단계와 10단계에서 최대 예상 보폭·접촉 전압과 허용 보폭·접촉 전압을 비교하여 최대예상 보폭·접촉 전압이 허용 보폭·접촉 전압보다 작을 때까지 반복 수정 하여야 한다.

3.4 기존 메시 접지방식의 문제점

통상적으로 현장에서는 IEEE-std. 80에 의해 등간격 접지방식을 적용하고 있으나, 설계 편의성 및 현장 시공의 편의성에 비해 접지 시공 면적이 좁은 경우에 최적의 접지설계 결과를 얻기는 어렵다. 반면에 비등간격의 경우에는 양호한 접지 설계 결과를 얻을 수는 있으나, 설계 및 시공 편의성이 낮아지며, 현장 대지 저항이 조사결과와 상이 할 경우 추가 시공 방법의 적용이 어렵다는 단점이 있다.

허용 접촉전압 및 보폭전압 보다 낮도록 설계하여야 하는데, Table 3은 이 접촉전압을 비교하기 위한 설계 제원을 설정하였다.

3.5 메시 접지방식별 비교

본 논문에서 논의하고 있는 최외곽 도체 추가 방식과 기존 등간격배치 방식 그리고, 비등간격 배치 방식을 비교했을 때 접촉전압, 소요도체 길이 등을 CEDEGS를 이용한 결과치 Fig. 6∼10을 이용하여 Table 4와 같이 비교해 보았다.

4.1 최외곽 추가도체 구성

최외곽 추가도체 설치 방식은 현장에서 통상적으로 적용하는 Fig. 11과 같이 등간격 메시접지 방식에 빗금친 등간격 메시의 최외곽 부분에 접지도체를 추가하여 전위 경도가 가장 높은 최외곽 구역의 전위 경도를 낮추어 접촉전압을 저감 시키는 방식이다.

4.2 최외곽 추가도체에 따른 효과

메시 도체 분포에 따른 전위분포를 등간격 메시 접지방식과 최외곽 추가도체의 등간격 배치와 비교하여 나타내 보았다.

Table 5에 나타난 것처럼 등간격 메시의 최외곽 hatch (Fig. 11) 부분에 접지도체를 추가하면 최대접촉전압이 지속적으로 감소하는 것을 알 수 있다. 현장조건 변경 시에 메시접지 최외곽 구역에 접지선을 추가하는 것만으로도 접촉접압을 감소시킬 수 있다.

또한 Fig. 12의 (a)의 등간격 접지극 전위분포와 (b),(c)의 최외곽 도체를 추가한 전위분포를 비교하면 최외곽도체가 추가될수록 Table 5에 나타난 최대접촉전압의 감소뿐만 아니라. 등간격 메시의 최외곽 hatch(Fig. 11) 부분의 전위 경도(전위차)가 감소되는 것을 알 수 있다.

접촉전압의 저감은 소요 접지도체의 길이에 비례하는 것으로만 생각하고 있지만, Fig. 13(a),(b)의 등간격 접지극 전위분포를 비교하면 Table 6에서와 같이 접지도체의 길이가 각각 1560m인 경우에도 최외곽 도체의 추가 여부에 따라 최대접촉접압이 113.48V가 감소되었다. 추가로 소요 접지도체의 길이가 1960m 경우와 최외곽 도체 2개를 설치로 소요 접지도체의 길이가 1800m인 경우에도 접지저항이 같게 나타나고 있어 접지도체의 길이뿐만 아니라 접지도체의 배치에 따라서 접지저항 또한 저감 되는 것을 알 수 있다.