2.1 콘크리트 매입 기초접지극

철근콘크리트 구조의 건축물은 다수의 철근과 콘크리트를 이용하여 건축물의 구조체를 구성하고 있으며 한국전기설비규정(KEC)에서는 일반적인 구조물(건축물) 등의 철골 혹은 철근콘크리트를 접지극으로 이용할 수 있다고 규정되어 있다. 따라서 철근들의 설치 간격이나 설치 방법에 따라 전기적인 연속성이 다르기 때문에 철근의 상호 연결 또한 중요하다^[1].

좁은 면적에 건축물이 밀집된 도심지에서 신규 건축물 시공 시 주변 건축물에 의한 전위간섭 영향을 받지 않도록 새롭게 접지극을 시공하는 것이 어렵고, 최근에 배관이 주로 금속제에서 합성수지제로 시설하는 상황을 고려할 때 콘크리트 매입 기초접지극은 경제성 및 신뢰성을 고려하여 우수한 성능의 접지저항 값을 얻을 수 있으므로, 강철 재료로 구성된 철 구조물은 일반적으로 전력, 통신 및 전자 설비에 우수한 기준 전위를 제공할 수 있다. 기초접지극은 콘크리트 안에 매설되어 콘크리트에 의해 물과 공기로부터 보호되므로 외부의 물리적인 힘에 의한 파손과 부식성 토양, 물, 공기 중의 산소 등의 접촉에 따른 부식의 영향으로부터 접지전극을 보호할 수 있다는 이점이 있다^[4].

2.2 기초접지극의 접지저항 측정

접지시스템의 주된 목적은 인체와 전력설비의 보호를 위해 전력시스템 내부로 유입된 외부 이상전류를 대지로 방류하기 위해 전력설비를 전기적으로 대지와 연결하는 것을 말하며, 이러한 접지시스템은 전력계통 내부에서 발생한 사고나 낙뢰와 같은 외부적인 요인으로 인해 발생되는 고장전류를 효과적으로 대지에 방류하여 기기의 절연파괴를 방지하고, 이상전류가 대지로 방류되는 지점의 전위상승을 억제하여 인체의 안전사고를 방지하며, 직접접지 시스템을 가지는 전력계통에서 대지를 ‘0’ 전위로 구축하여 기준전위를 제공함으로서 하나의 대규모 접지시스템 구축할 수 있게 한다^[5].

위와 같은 접지시시템의 목적을 달성하기 위해서는 접지저항을 가능한 낮게 유지하는 것이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 한국전기설비규정(KEC)에서 접지극으로 규정하고 있는 콘크리트 매입 기초접지극 설치 후 시간 변화에 따른 접지저항 변화를 조사하여 콘크리트 매입 기초접지극이 접지전극으로서 역할을 충분히 수행하는지 여부를 분석하고자 한다.

본 연구에서 콘크리트 매입 기초접지의 접지저항 측정대상은 그림 1과 같이 인접한 대지에 건축되고 있는 2개 동(棟)을 선정하여 측정하였으며, 측정대상의 면적은 그림 2와 같이 220[㎡] 및 49[㎡]이고, 일반적인 장방형 철근콘크리트 건축물을 대상으로 접지저항을 측정하고 그 결과를 분석하였다.

그림 1. 접지저항 측정용 건축물 개요

Fig. 1. Overview of building for ground resistance measurement

그림 2. 건축물 바닥면적

Fig. 2. Building floor area

2.2.1 접지저항 측정 방식

건축물의 기초로 활용된 콘크리트매입 기초의 접지저항을 측정하기 위해 실제 현장에서 많이 활용하고 있는 전위강하법을 이용하여 측정하였다. 전위강하법의 측정 방법은 접지저항은 접지체에 유입되는 전류와 그 유입되는 전류에 의해 상승하는 대지전위의 비로, 그림 3과 같이 측정 회로를 구성하고 접지저항 측정대상인 접지 전극 $E$와 보조 전극 $C$(전류전극) 사이에 일정량의 전류 ($I$)를 흘려보내고 접지 전극 $E$와 보조 전극 $C$를 연속해서 이은 선상에 추가로 보조 전극 $P$(전위 전극)를 설치하여 접지 전극에 의한 전압강하를 측정하는 방식이며, 일정 전류를 흘려보낸 후 측정한 전압값을 이용하여 전압과 전류의 비($V /I$) 즉, 옴의 법칙으로 접지저항을 구하는 방법이다^[6-8].

콘크리트 매입 기초접지극의 접지저항 측정을 위해 접지저항 측정대상 건축물의 기초에 철근 배근 후 콘크리트 타설 전 배근된 철근에 접지선을 연결하여 지상에 위치시킨 후 콘크리트를 타설하고 기초 주변의 토양을 되 메우기 한 상태에서 보조 접지극을 설치하여 시간의 경과에 따른 접지저항 변화를 측정하였다. 접지저항 측정 대상물의 외부 측정용 접지선은 GV 6[㎟]를 연결은 그림 4 및 그림 5와 같다.

그림 3. 전위강하법 개요

Fig. 3. Overview of the potential drop method

그림 4. 기초 접지극 접지저항 측정방법(제1동)

Fig. 4. Ground resistance measurement method (Building 1)

그림 5. 기초접지극 접지저항 측정방법(제2동)

Fig. 5. Ground resistance measurement method(Building 2)

표 1 접지저항 측정 값(제1동)

Table 1 Ground resistance measurement value(Building 1)

약 4개월간의 각 건축물의 접지저항 측정 결과 최초 측정 시기에는 기초 콘크리트와 대지 사이의 토양 접촉이 안정되지 않아 접지저항이 다소 높게 측정되었으나 이후 강우의 영향(2022년 08월 06일 ~ 08월 11일 태풍의 영향으로 많은 양의 비가 집중됨)으로 대지에 수분이 많이 공급되어 기초 콘크리트와 대지가 상호 양호한 접촉 상태로 개선되어 접지극 설치 후 약 1주일 후(2022년 08월 12일) 접지저항 측정치가 다소 낮게 형성되다 시간의 경과에 따라 안정적인 접지저항 값을 유지하는 것으로 나타났다.

표 2 접지저항 측정 값(제2동)

Table 2 Ground resistance measurement value(Building 2)

기초접지극 면적이 상대적으로 넓은 1동(바닥면적 220[㎡] 건축물)의 경우 기초접지극 설치 후 약 2개월(2022년 09월 29일) 이후부터 접지저항 값이 안정화되는 것으로 나타났고 2동의 경우 건축물의 기초접지극의 바닥면적이 1동의 바닥면적 보다 작아 접지저항 값이 안정화되는 시기가 더 필요한 것으로 분석되었다. 또한 1동과 같이 건축물의 바닥면적이 넓은 경우 기초접지극과 대지의 접촉면적이 커서, 상대적으로 기초접지극과 대지의 접촉면적이 작은 2동의 경우보다 접지저항 값이 적게 측정되는 것을 확인할 수 있었다.

1동의 경우 건축물 터파기 후 최초 접지극 설치 이후 약 2개월이 지난 시점인 2022.09.22.일의 3.8[Ω]이 최대 접지저항값으로 나타났고 최소 접지저항은 접지극 설치 후 약 1주일 후인 2022.08.12.일의 2.2[Ω]으로 측정되었으며, 최초 접지저항 측정 이후 저항값이 낮아지다 완만하게 상승한 후 다시 낮아져 약 2개월 후부터 2.3[Ω] 정도를 유지하는 것으로 측정되었다. 시간 경과에 따른 1동의 접지저항 변동추세는 그림 6과 같다.

그림 6. 경년변화에 따른 접지저항 추이(제1동)

Fig. 6. Trend of ground resistance over time(Building 1)

2동(바닥면적 49[㎡] 건축물)의 경우 최대 접지저항값은 건축물 터파기 후 최초 접지극 설치 직후인 2022.08.05.일의 25.1[Ω]으로 나타났고, 최소 접지저항은 접지극 설치 후 약 1주일 후인 2022.08.12.일의 11.3[Ω]으로 측정되었으며 최초 접지저항 측정 이후 저항값이 낮아지다 완만하게 상승한 후 약 13[Ω] 정도를 유지하는 것으로 측정되었다. 2동의 접지저항 변동추세는 그림 7과 같다.

그림 7. 경년변화에 따른 접지저항 추이(제2동)

Fig. 7. Trend of ground resistance over time(Building 2)

2.3 접지저항 변화에 따른 접지 적용 방안

지금까지 콘크리트 매입 기초접지극에 대한 시간에 따른 접지저항 변화는 2.2절에서 기술한 바와 같이 일반적인 건축물 지하에 설치된 콘크리트 매입 기초접지의 저항값은 최초 설치 이후에는 다소 높은 값이 측정되나 접지극 설치 후 주변 환경이 안정화되는 일정 기간이 지나면 저항값의 큰 변화 없이 안정적인 상태를 유지하는 것을 알 수 있다. 또한, 인접한 대지에 설치된 2곳의 측정 대상지(1, 2동) 중 상대적으로 바닥면적이 더 넓은(2동 대비 1동이 약 4.5배 넓음) 곳의 접지저항이 상대적으로 훨씬 낮다는 것을 확인할 수 있다.

또한, 철근콘크리트구조의 일반적인 건축물의 구조체(철근 및 철제 H빔 등)는 구조적으로 일체화되어 전기적인 연속성을 유지할 수 있어 전기저항을 낮게 유지할 수 있는 장점이 있으며, 철근이 매입된 콘크리트기초를 접지극으로 이용하는 경우 별도의 공사(메쉬 접지 공사)없이 넓은 면적에 접지 시공이 용이하고, 추가적인 인력 및 자재가 최소화되어 경제적인 측면에서도 유리하다고 할 수 있다.

따라서 도심지 등의 한정되고 협소한 부지에 신규 건축물을 건축하는 경우 별도의 공사 없이 건축물 부지 전체를 접지극으로 이용할 수 있을 것으로 판단된다. 2021년부터 새롭게 적용된 한국전기설비규정(KEC)의 공통접지와 통합접지에서 요구하는 등전위를 형성하기에 유리한 콘크리트 매입 기초접지극으로 활용할 경우 최초 기초접지극 설치 직후에는 기초접지극과 대지 사이의 접촉이 양호하지 않아 접지저항이 높고, 일정 시간(약 2개월) 경과 후 수분의 침투 및 기초접지극과 대지 간 접촉이 양호해짐으로 인해 접지저항값이 보다 더 안정적인 상태를 유지하는 것이 알 수 있다. 따라서, 실제 현장 접지시공 시 최초 접지극 시공 직후의 접지저항 값을 기준으로 접지저항을 측정 및 관리하는 것보다 일정기간(약 2개월) 경과 후의 접지저항 값을 기준으로 접지 시공 및 관리하는 방안이 적정한 것으로 판단된다. 그러나, 콘크리트 매입 기초접지극만으로 측정된 접지저항값을 이용하여 접지설계시 요구되는 허용보폭전압과 허용접촉전압을 만족하지 못하는 경우가 있을 수 있으므로 이때에는 콘크리트 매입 기초접지 외에 추가적인 접지극을 포설하여 안정적인 접지저항값을 유지하여야 될 것으로 판단된다.