2. 접지저항과 저감방법

접지저항과 저감방법

개요	토양의 성질	대지저항률	접지전극 형상과 접지저항계산
대지고유저항측정법	접지저항값의 기준	접지저항저감방법

가. 개요

접지저항은 접지선의 저항 및 접지국 자신의 저항, 전극표면과 토양과의 접하는 부분의 접촉저항, 전극주위의 토양이 접지전류에 대해서 나타나는 저항에 의해 결정 된다. 이러한 4가지 구성요소중 전극주위의 토양이 접지전류에 대해서 나타나는 저항이 가장 중요하다.

접지저항의 주요부분은 전극을 둘러싸고 있는 토양이 표시하는 저항이다. 대지를 통한 전기전로는 단면적이 대단히 크므로 그 저항은 무시할 수 있을 정도로 작아진다. 접지전류는 전극에서 상당히 떨어지면 전류의 경로 단면적이 대단히 커지므로 토양의 저항률이 상당히 큰데도 불구하고 그 저항은 무시할 수 있을 정도로 작아진다. 그러나 접지전극 부근에서는 표면적이 크지 않은 접지전극 자체에서 접지전류가 흘러 나가기 때문에 그 전류 경로의 단면적이 작아 일정저항을 나타내게 된다.

일반적으로 특정형상과 치수를 가지는 접지전극의 접지저항은 다음과 같다.

접지전극의 형상과 치수가 정해지면 접지저항은 토양의 저항율에 비례한다.

R : 접지저항
ρ : 토양의 저항률Ω·m
f : 형상수치(접지전극의 형상과 치수로부터 정해지는 계수)

나. 토양의 성질

토양은 토립자, 물, 공기의 3요소로 구성되어 있으며, 토양의 저항률은 성분, 균질성, 온도, 수분함유량에 따라 광범위하게 변화하고, 토양은 습지, 점토, 사토, 사암의 4가지로 크게 분류한다.

토립자의 접촉저항
점토<마사<세사<조사<자갈

토양의 고유저항
논<밭<산지(점토질)<하안,하상(자갈)<산지

토양의 온도
온도가 올라갈수록 접촉저항은 낮아진다.
흙의 저항이 300Ω이하가 되면 그대로 접지사용이 가능하다.

대표적인 토양 저항률[Ω·cm]		혼합토의 저항율[Ω·cm] `전기공사실무설계데이타북인용				흙의 저항율[Ω·cm] 전기공사실무설계데이타북인용
토양의 종류	토양의 저항률	토양의 종류	최저	최고	평균	토양의 종류	저항율
논,점토질 습지 밭 논,밭(표토층자갈층) 습지하층 자갈질 산지점토 산지(자갈암석) 자갈 호박돌 롬층(적토) 콘크리트 (흡수상태) 사암, 혈암(頁岩) 암반 일반	100 ~ 15,000 1,000 ~ 20,000 10,000 ~ 100,000 10,000 ~ 100,000 20,000 ~ 200,000 200,000 ~ 500,000 100,000 ~ 500,000 5,000 ~ 50,000 2,000 ~ 10,000 1,000 ~ 50,000 100,000 ~ 500,000	재,석탄재,염분이 있는 폐물이 섞인 흙 점토, 찱흙, 괴토 위와 같은 모래 및 자갈을 포함 자갈,모래,돌과 함께 소량의 점토 및 양토를 포함	590 340 1,020 5,900	7000 16,300 135,000 458,000	2,370 4,060 15,800 94,000	소지의 흙 괴토,점토 백아 모래 니암 모래섞인자갈 암석	200~350 400~15,000 6,000~40,000 9,000~800,000 5,000~50,000 5,000~50,000 100,000이상

다. 대지저항율

1. 정의

대지저항률이란 대지-토양의 일정 부피의 전기저항을 말하며, 일명 대지고유저항이라고도 하고, 단위는 Ω·m를 사용한다.
대지의 구성성분이 한 종류이면 고유저항, 넓은 부지에서 대지의 구성성분이 여러종류이면 저항률을 사용하는 것이 보통이다. 이 대지저항률은 접지저항을 계산하는데 필수적인 요소이며, 전극의 형상, 토양의 성질에 크게 좌우될 뿐만 아니라 전위경도, 지락전류의 크기, 토양의 온도, 토양의 수분함량 등에도 많은 영향을 받는다.

2. 수분의 영향

토양이 수분을 많이 함유하고 있으면 저항률이 급격히 감소한다. (그림10)에서 토양의 함수율과 고유저항과의 관계를 나타낸다. 토양의 함수율이 22% 이하가 되면 저항률이 증가하기 시작하여 15% 이하가 되면 토양의 저항율은 치수적으로 증가한다.
변전소 부지에 자갈을 포설하거나 아스팔트, 콘크리트를 포장하는 주목적은 토양의 습기보존과 접촉저항을 증가시키기 위한 것이다.

ㅁ물은 종류에 따른 고유저항
- 지하수 : 10,000~100,000[Ω·cm]
- 수돗물 : 10,000 [Ω·cm]
- 바닷물 : 10 [Ω·cm]

3. 온도의 영향

일반적으로 금속체는 온도가 상승하면 저항률이 증가하나 반도체,전해질,절연체 등은 반대로 온도가 올라가 저항율이 감소한다. 저항률의 온도 영향은 매우 중요하며 접지저항이 계절에 따라 변동하는 큰 원인이 된다.

접지저항은 토양의 고유저항(대지저항률)에 좌우되고, 토양의 고유저항은 토양에 포함된 수분의 양과 온도 등의 영향을 받으며, 이들은 계절의 변동에 따라 변화하므로, 엄밀하게 말하면 접지저항은 " 이 지점의 접지저항은 몇 년 몇 월의 측정값이다" 라고 하여야 한다.

예를 들면 일본의 경우 "전자계산기기의 라인필터 설치에 관한기준"에서는 다음과 같은 접지저항의 계절변동계수가 적용되고 있다. 따라서, 앞으로는 접지저항의 계절적 변동요인을 감안하여 장소에 따라 장기적인 접지저항값의 측정이 이루어져야 한다. 또한 매설접지전극의 길이와 매설깊이에 따라 그림과 같이 접지저항값이 변동한다.

[표] 접지저항값의 계절변동계수

측정월	2,3월	1,4월	5,12월	6,11월	7,10월	8,9월
계수	1.0	0.9	0.8	0.7	0.6	0.5

4. 평균대지저항률과 등가대지저항률

현재 실용적으로 사용되는 대지저항율의 계산법은 대부분 대지를 균일한 지층으로 가정한 계산식을 이용하고 있다. 지층별 대지 파라미터(수평 다층구조 대지에 대한 지층의 두께와 대지저항률을 뜻함)가 주어진 경우 이를 균질 대지의 접지저항을 계산식에 적용하려면 다층대지를 등가균질대지로 치환하기 위해 평균적 또는 등가적인 대지 저항률을 검토하여야 한다.

일반적으로 대지의 전기적 성질은 와그커의 4전극법에서 얻어지는 대지저항율 ρ 와 전극간격 a를 이용하여 ρ-a 곡선을 그려 대지의 정성적인 구조를 알 수 있으며, ρ-a 곡선을 해석하여 대지 파라미터를 추정할 수 있다.

4-1. 평균대지저향율

대지를 지층마다 ρm의 병렬저항으로 간주하고, 평균 대지저항율 ρ0를 계산하면 다음과 같다.

따라서 대지저항률 ρ0는 다음과 같다.

이는 1층에서 n-1 층까지의 평균값이며, 지표아래에 비교적 얇게 매설되는 수평상 전극의 접지계산에 적용된다.

4-2. 등가대지저항률

그림 14와 같이 봉상전극이 있는 지층의 경우에는 지층마다 병렬 접지저항을 계산하는 방법을 응용하면, 대지구조가 hi, ρi 인 지층의 경우 봉상전극(길이 1)의 끝 부분이 i층까지 존재할 때, 등가대지저항율 ρm은 다음과 같다.

예를들면 그림 14와 같은 봉상전극이 3층까지 들어가 있는 경우는 식 (23), (24)를 이용하여 등가 대지저항률 ρm을 구하면 다음과 같다.

현재(1998년)의 한전설계기준에서 접지설계에 적용할 토양의 대지저항률은 현장조사에서 얻은 평균 대지저항률로 하고 있으며,
등가 측정깊이
- 일반적으로 345KV 변전소의 경우에는 20~25m,
154KV 이하 변전소의 경우에는 15m정도를 측정하여 사용한다.

라. 접지전극 형상과 접지저항

접지저항은 토양의 고유저항, 접지전극의 크기, 매설깊이 및 지중에 매설하는 접지전극의 형상과 깊은 관련이 있으나, 현재 적용할 때 이론화 되어 있는 것이 반구상 전극 정도이고 그 외의 것은 근사식이다.

1. 반구전극의 접지저항

- R : 접지저항
- ρ : 토양의 저항률 Ω·m
- r : 반구의 반경m

2. 접지봉의 접지저항

봉형 전극의 접지저항은 Sunde & Dwght의 식이 많이 이용된다.

1-1. 접지봉 1개의 경우

- R : 접지봉 1개의 접지저항[Ω]
- ℓ : 접지봉의 매설깊이[m]
- ρ : 토양의 저항률 [Ω·m]
- r : 접지봉 지름의 1/2(반지름)[m]

1-2. 접지봉 다수의 경우(접지봉간의 거리는 1m 이상의 경우.)

- K (집합계수): 약 1.2 정도 (접지극의 간격이 10m를 넘으면 "1"로 한다.)
- R : 접지극 1개의 접지저항 [Ω]
- n : 집합전극의 매설 수
- Rn : 접지극 다수의 접지저항 [Ω]

2. 매설지선의 접지저항

Dwight의 식(AIEE자료)

아래식의 조건 S << ℓ

- R : 매설지선의 접지저항
- ℓ : 매설지선의 길이 [m]
- t : 매설지선의 매설깊이[m]
- a : 매설지선의 반경[m]
- ρ :대지고유저항 [Ω-m]
- L : ℓ/2[m]
- S : 2t [m]

3. 망상접지의 접지저항 (Mesh 전극)

변전소의 접지는 망상접지방식으로 채택된다.(한국전력)
변전소 접지저항의 계산 접지계의 총 저항치 산정은 기본 레이아웃과 크기를 결정하는 첫 번째 단계이며, 변전소의 접지저항은 접지계를 점유하는 접지소요면적과 대지 고유저항의 크기에 따라 결정한다.
이상적인 접지저항은 무한 대지에 대해서 "0"에 가까운 저항이어야 하나, 실제로 대지고유저항에 비례하고 변전소 접지계의 면적 A(또는 접지도체의 길이)에 반비례한다.

Severak의 식(IEEE 80-86 GUIDE) 망상전극의 접지저항은 Severak의 식이 사용된다.	- R : 접지저항 - h : 도체의 매설깊이 [m] (0.25 ≤ h ≤ 2.5) - ρ : 토양의 저항률 [Ω·m] - A : 접지포설면적(접지부지면적) [㎡] - L : 접지도체의 길이 [m]
Laurent & Niemann의 식(AIEE) (보폭전압과 접촉전압을 조절하는 매설도체 길이를 결정하는 변전소 전위상승 산정에 적용)
Wenann의 식 -	- r (㎝) 등가반경 : √(a×b/π) - L (㎝) 망상전체길이 : b(n+1) + a(m+1) - m, n : 망상접지의 가로,세로 지선의 수 - a, b : 망상접지의 가로,세로 길이 - A : 변전소접지계의 면적
3-1. Mesh 전압
일반식
접지봉을 접지망 외곽 및 전체에 접지봉을 추가하여 사용할 경우
접지봉을 외곽이 아닌 부분에 접지봉을 사용하는 경우
- Km : Mesh 전압 산출을 위한 간격계수 - ki : 전위경도변화에 대한 교정계수(지락전류 비평등 분포에 기인함) - Ks : 보폭전압 산출을 위한 간격계수 - Ig : 최대 접지망 유입전류 A - Lc : 접지도체의 길이 m - Lr : 접지봉의 총길이 m - ρ : 대지저항률(Ω·m) - Kh : 매설깊이에 따른 보정계수 - ho : 1m, 도체의 기준길이 - Kii : 외곽도체에 대한 내부도체의 보정계수 ◎ 접지망 외곽 및 전체에 접지봉을 사용한 경우 1 ◎ 상기 이외의 경우 - D : Grid 간격 m - h : 매설깊이 m - n : 도체수 [개] - d : 도체굵기 m
3-2. 접지망 주변의 보폭전압(Es)
일반식
접지망 외곽에 접지봉을 추가하는 경우
접지망 외곽이 아닌 부분에 접지봉 추가의 경우
따라서 매설깊이가 깊을수록 보폭전압은 낮아진다.
3-3. 교정계수 Ki 교정계수는 Mesh 전압 및 보폭전압 모두 아래의 공식으로 산정한다. 일반적으로 접촉전압, 보폭전압, Mesh전압 등의 수식은 대지고유저항이 균일하거나 그리드 간격이 절대적으로 동일한 이상적인 조건을 가정하여 산출되었으나 이런 이상적인 조건하에서도 접지망으로 흐르는 전류밀도(접지도체 단위장당 전류)는 접지선의 주변, 특히 모서리에서는 중심부보다 높다. 따라서 전위경도로 변화하며 이것을 보정키 위하여 교정계수를 선택한다. 접지설계시 가능한 한 조건을 만족하도록 하고, 그렇지 못할 경우 분류계수 및 지락전류를 재검토하여야 한다.
	본 수식을 적용할 경우에는 아래의 사항을 고려하여야 한다. - 도체수 : n ≤ 25 - 매설깊이 : 0.25m ≤ h ≤ 2.5m - 도체굵기 : d 〈 0.25 × h [m] - 그리드간격 : D > 2.5m
양변의 도체가 상이할 경우 Em, Es를 계산하기 위한 매설도체수(n)의 결정은 다음식과 같다.
Em 계산시	- nA : A 변 도체수(개) - nB : B 변 도체수(개) 즉, Em을 계산하기 위한 도체수 n은 각변의 도체수 곱의 제곱근이며, Es는 각 변중 도체수가 가장 많은 변을 사용한다.
Es 계산시
3-4. 접지망의 최대전위상승 접지망 전체의 접지저항이 계산되는 접지망의 최대전위상승 로 표시되며, 만일 이 최대전위 상승값이 허용접촉전압보다 낮으면 과전압의 계산이나 검토는 불필요하며, 접지망 건설후의 실측치와 계산치를 비교하면 된다. 그러나 실제로 최대전위 상승치는 일반적으로 허용접촉전압보다 매우 크게 된다.변전소 접지계의 목표는 지락사고시 최대전위상승값을 1000V 이하로 하고 있으나, 이는 실현 불가능하다. 따라서 메쉬전압이 최대허용접촉전압 이하가 되도록 접지계를 설계하면 된다.
3-4. 지속성 지락전류의 영향 고장전류에 의한 허용전압은 일정한 전류치와 고장지속시간 이내에서 적용할 수 있는 것이나 보호계전기 정정치 이하의 고장전류는 지속할 수 있으므로 이 전류에 대한 검토가 필요하다. 일반적으로 인체에 9mA 이상의 전류가 수분가 지속하면 고통을 느끼며 근육의 통제가 곤란하다. 따라서 메쉬전압이 9mA 이하로 계산된 허용접촉전압을 만족하여야 하며 아래의 식에 의해 검토하고, 검토한 전류에 의한 보호계전기의 동작유무를 확인한 후 만일 동작하지 않을 경우 접지도체의 전장을 증가시켜야 한다.
3-5. 접지망 매설도체의 최소길이 산정 접지부내에서 허용전압과 보폭전압의 관계에 있어서 보폭전압을 기준치 이하로 유지키 위한 매설 접지도체의 길이 결정은 아래식에 의해 얻을 수 있다.

4. 접지판의 접지저항

다나카씨의 식	- r (㎝) : 등가반경 √(a×b / 2π) - t (㎝) : 매설깊이 - ρ[Ω-cm) : 대지고유저항
Tagg의 식(매설깊이 고려하지 않음) : 표토층 접지저항 계산식으로 사고전류 산정에 이용 A : 접지계의 면적

5. 링 전극

- ρ : 대지저항률(Ω·m)
- r : 링 반지름 (m)
- d : 전극지름 (m)
- h : 매설깊이 (m)

마. 대지고유저항 측정법

1. 대지고유저항 값의 적용시 고려사항

수평적 분포는 균일한 것으로 가정
깊이에 따른 수직적인 대지고유저항 값의 변화를 고려할 것.
측정 대지고유저항값의 최대치와 최소치를 비교하고 차이가 30% 미만이면 균일한 대지고유저항으로 간주한다.
대지고유저항값이 30% 이상 차이가 있을 때 : 2개 지층 분포토질로 분류

상부 ρ1, 하부 ρ2
- ρ1 > ρ2 : 도체길이 여유, 발생위험전압 측면에서 안전
- ρ1 < ρ2 : 도체길이 부족, 발생위험전압 측면에서 불안전
일반적으로 ρ1 > ρ2

2. Wenner의 4전극법

측정하고자 하는 대지에 4개의 전극을 일렬로 일정간격(a), 일정깊이(d)로 매설하고, ①,④번 전극에 교류전류를 인가하여 그 전류치(I)를 측정하고, ②,③번 전극에서 측정되는 접압(V)을 측정하여 저항(R)을 구하여 다음의 공식에 의해 계산한 값.

2-1. 산출式

대지저항ρ(Ω·m) = 2πaR = 40πdR

ρ : 흙의 저항율(Ω·m)
a : 전극간의 거리( 단 a = 20d 조건)
R : 저항 값(V/I : 측정치)
d : 전극의 매설 깊이

3. 코울라쉬 브리지법

3개의 전극을 정삼각형으로 배치하고 각 전극간의 저항을 측정하여 다음의 식에 의하여 계산한 값.

R₁+ R₂ = R₁₂, R₂+ R₃ = R₂₃, R₃+R₁ = R₃₁

R₁= 0.5 ×(R₁₂+ R₃₁- R₂₃)

R₁: 측정하려는 주 접지극의 저항 값

바. 접지저항 값의 기준

접지설계를 할 때 기본적인 근거가 되는 것이 접지저항값이다. 접지저항 값은 상정 지락전류, 허용접촉전압, 허용대지전위 상승값 등에 의해 설정되며, 원칙적으로 전기설비기술기준에 규정된 값을 초과하지 않아야 한다.

접지저항값은 일반적으로 아래의 표 값을 적용하나, 변전소에서는 지락전류가 매우 커 이로 인한 전위상승이 높아져 인체보호와 기기보호, 각종 전자기기의 정상동작에 좋지 않은 영향을 주기 때문에 154KV 변전소는 1Ω 이하, 345KV 변전소는 0.1Ω 이하를 적용하고 있다.

[표] 접지공사의 종류와 접지저항값

접지공사의 종류	접지저항	접지대상	비고
제1종 접지공사	10옴 이하	고압,특고압기기 가대, 금속제 외함, 피뢰기, 피뢰장치, 변성기 2차 등	기술기준에서 정한 사항 고압측 전로의 1선 지락 전류는 실측치 또는 별표 13에서 정하는 계산식에 의하여 계산한 값으로 한다. 특별고압측의 전로의 1선지락 전류는 실측치에 의하는 것으로 한다. 다만, 실측치를 측정하기 곤란한 경우에는 선로 정수(線路定數) 등에 의하여 계산한 값에 의할 수 있다. 저압 전로에서 그 전로에 지가가 생겼을 경우에 0.5초 이내에 자동적으로 전로를 차단하는 장치를 시설하는 경우에는 누전차단기의 정격 감도전류에 따라 접지저항치를 완화하고 있다.(기술기준21조4항)
제2종 접지공사	150 / 1선지락전류 이하	변압기 고압,특고압측 전로의 1선 지락전류의 크기로 150을 나눈 값과 같은 저항값 이하
	300 / 1선지락전류 이하	고압측, 35,000V 이하의 특고압전로와 저압측이 혼촉시 저압측의 대지전압이 150V를 넘고, 1~2초 이내에 자동적으로 고압측을 차단하는 경우에는 1선지락전류를 300으로 나눈값과 같은 저항값 이하
	600 / 1선지락전류 이하	고압측, 35,000V 이하의 특고압전로와 저압측이 혼촉시 저압측의 대지전압이 150V를 넘고, 1초 이내에 자동적으로 고압측을 차단하는 경우에는 1선지락전류를 600으로 나눈값과 같은 저항값 이하
제3종 접지공사	100 옴 이하	저압,고압변성기, 2차 400V 이하의 저압기기 외함
특별 3종 접지공사	10옴 이하	400V를 넘는 저압용의 기기외함, 금속가대

사. 접지저항 저감방법

저감법

적 용 및 내 용

물

리

적

저

감

법

수

평

공

법

접지극의 병렬접속

접속갯수	1개 저항 값의 접지저항
2	1개 저항 값의 55%
3	1개 저항 값의 40%
4	1개 저항 값의 30%
5	1개 저항 값의 25%

접지극의 치수확대

대지와 접촉되는 면적이 많을수록 접지저항은 낮아진다.

매설지선
접지극

송전선의 철탑, 발전소 등 낮은 저항값을 필요로 하는 장소.
지지물인 경우 전선로와 나란히 설치한다.
접지극 : 22~38㎟
깊이 : 50~80 ㎝
길이 : 20~40 m

평판
접지극

2개이상 접지시에는 직렬(깊이방향)시공하는 것이 효과적이며, 상호간격은 직렬의 경우 1m이상, 병렬(수평방향)의 경우에는 2m이상 이격하여야 효과가 있다.

다중접지
시이트

알루미늄박과 특수유를 서로 교대로 3매 겹쳐서 만든 것.
가볍고 유연성이 좋아 저감효과가 크다.

메쉬공법

고장전류가 큰곳이나 대지가 넓은 신축 플랜트에 적용.

수
직
공
법

접지봉
깊이 박기

매설깊이가 깊을수록 접지저항은 깊이에 거의 직선적으로 감소한다.

보링

화
학
적

저
감
법

비 반응형 저감제
(공해우려)

염. 황산, 암모니아 분말, 벤젠나이트
공해문제로 사용하지 않음.

반응형 저감제
(무공해)

화이트아스론(일반적으로 사용됨)
소석고+염화칼륨, 백색분말, 고유저항 12 (Ω.㎝)
티코겔 등 고유저항 50~60 (Ω.㎝)

특 징
및
구비조건

저감제의구비조건
- 저감효과가 크고 영속적일 것
- 접지극을 부식 시키지 않을 것.
- 무공해 일 것.
화학적 저감법은 사용 전 저항 값의 30% 정도가 된다.
땅이 얼면 저항치가 매우 상승하게 된다.

접지저항과 저감방법

1. 정의

2. 수분의 영향

[표] 접지저항값의 계절변동계수

4. 평균대지저항률과 등가대지저항률

4-1. 평균대지저향율

4-2. 등가대지저항률

1. 반구전극의 접지저항

2. 접지봉의 접지저항

2. 매설지선의 접지저항

3. 망상접지의 접지저항 (Mesh 전극)

Severak의 식(IEEE 80-86 GUIDE)

Laurent & Niemann의 식(AIEE)

Wenann의 식 -

3-1. Mesh 전압

3-2. 접지망 주변의 보폭전압(Es)

3-3. 교정계수 Ki

양변의 도체가 상이할 경우 Em, Es를 계산하기 위한 매설도체수(n)의 결정은 다음식과 같다.

3-4. 접지망의 최대전위상승

3-4. 지속성 지락전류의 영향