접지설계

• 현장데이터(A, ρ)
• 도체 굵기 결정(3I₀, tc, d)
• 접촉/보폭전압 허용치 계산
• 초기설계(D, n, Lc, Lt, h)
• 접지저항계산(Rg, Lc, Lr)
• 접지전류계산(Ig, tf)
• GPR<Etouch
• 접촉/보폭전압계산
• Em<Etouch
• Es<Estep
• 실시설계

망상 접지극 설계에서 도체의 굵기와 길이는 접지 저항, 전압 분포, 경제성에 직접적인 영향을 미치는 핵심 요소입니다. 이 두 변수의 상호작용을 이해하려면 전기적 특성과 토양 조건을 종합적으로 고려해야 합니다.

1. 도체 굵기의 영향

전류 수용 능력

• 단면적 증가(굵기 ↑)는 고장 전류 분산 효율을 18~35% 향상시킵니다. 예를 들어 50mm² → 95mm²로 변경 시 전류 밀도가 47% 감소[4].
• 저항 감소 효과: 굵기 2배 증가 시 접지 저항 10% 감소[2][3]. 이는 표피 효과(skin effect)로 인해 고주파 전류가 도체 표면에 집중되기 때문입니다.

기계적 강도

• 30mm² 구리 도체는 8kN 인장강도를 가지며, 빙결 토양의 수축력에 저항 가능.
• NEC 기준 최소 굵기: 구리 6mm²(비접지 계통), 16mm²(피뢰계통).

2. 도체 길이의 영향

접촉 면적 확대

• 길이 2배 증가 시 접지 저항 40% 감소. 50m 길이 도체는 25m 대비 유효 접촉 면적 2.3배 증가
• 62% 규칙: 전위 전극을 접지극-전류극 거리의 62% 위치에 배치할 때 최적 측정 정확도 확보.

메시 구성 최적화

• 5×5m 메시 크기에서 그리드 저항 2.33Ω → 20×20m 시 0.92Ω.
• 외곽 도체 추가 시 동일 길이에서 접촉전압 113V 감소 효과[5]. 이는 전위 경사도를 완화시키기 때문입니다.

3. 상호 연관성 및 설계 제약

경제적 트레이드오프

• 도체 길이 1m 증가 시 공사비 7% 상승. 100×100m 메시에서 5m → 2.5m 간격 변경 시 재료비 94% 증가.
• 최적화 지점: 35mm² 굵기 + 50m 길이 조합이 500kA·s 용량 시스템에서 비용대비 효율 최적.

토양 조건 반영

• 점토 지반(저항률 50Ω·m)에서는 길이 확장이 효과적이지만, 사질토(200Ω·m)에서는 굵기 증가보다 화학적 처리(벤토나이트)가 68% 더 효율적.
• 동결 깊이 아래 매설 시 계절적 저항 변동을 22% 이내로 제어 가능.

4. 표준 및 안전 요구사항

• IEC 62305: 뇌서지 방지용 메시 접지 시 최소 50mm² 구리 도체 규정.
• KEC 142: 154kV 이상 계통에서 1선 지락 전류 25kA 발생 시 0.5초 내 견디기 위해 150mm² 이상 요구
• IEEE 80: 접촉전압 75V 미만 보장을 위해 메시 외곽 도체 밀도 2배 권고

설계 프로세스 예시

1.토양 저항률 측정(위너 4전극법)

2.허용 접촉전압 계산(V_touch = 0.116/√t [s])

3.도체 단면적 선정:

(K=720 구리)

4.경제성 분석: 재료비 vs 유지보수 비용 교차점 계산

이 요소들을 종합적으로 고려하지 않을 경우, 접지 시스템이 과도전압에 취약해지거나 불필요한 건설 비용이 발생할 수 있습니다.

도체 굵기의 영향

• 접지 저항: 도체가 굵어질수록 단면적이 증가하여 전류 흐름에 대한 저항이 감소합니다. 즉, 도체가 굵을수록 접지 저항이 낮아져 접지 효과가 향상됩니다.
• 전압 강하: 굵은 도체는 얇은 도체에 비해 전압 강하가 적어 접지 시스템의 효율성을 높입니다.
• 경제성: 도체 굵기를 무한히 늘릴 수는 없으며, 경제적인 측면과 시공성을 고려하여 적절한 굵기를 선택해야 합니다.

도체 길이의 영향

• 접지 면적: 도체의 길이가 길어질수록 접지 면적이 넓어져 토양과의 접촉 면적이 증가합니다. 이는 접지 저항을 감소시키는 효과를 가져옵니다.
• 토양 저항: 토양의 종류와 함수량에 따라 접지 저항이 달라지므로, 도체의 길이를 무한히 늘린다고 해서 항상 접지 저항이 비례적으로 감소하지는 않습니다.
• 시공성: 도체 길이가 너무 길어지면 시공이 어려워지고, 비용이 증가할 수 있습니다.

설계 시 고려 사항

• 토양 조건: 토양의 종류, 함수량, 염분 함량 등은 접지 저항에 큰 영향을 미치므로, 해당 지역의 토양 조건을 정확히 파악해야 합니다.
• 시스템 용량: 보호해야 할 시스템의 용량에 따라 필요한 접지 저항 값이 달라집니다.
• 법규 및 표준: 관련 법규 및 표준에서 요구하는 접지 저항 값을 준수해야 합니다.
• 경제성: 접지 시스템의 성능과 비용을 종합적으로 고려하여 최적의 설계를 수행해야 합니다.

• 접지동봉
• 매설지선
• 평판접지
• 대상전극
• 다중접지시트
• 메시공법
• 보링공법
• 화학적저감법

대지저항률은 토양이 전류 흐름을 얼마나 잘 방해하는지를 나타내는 값으로, 단위는 Ω·m(옴 미터)를 사용합니다. 쉽게 말해, 대지저항률이 높을수록 토양이 전기를 잘 통하지 않는다는 의미

2)위너 4전극법

• 4개의 전극(C₁, P₁, P₂, C₂) 을 일전한 등간격(a)으로 설치하여 C₁, C₂에 전류를 흘리고, P₁, P₂의 전압을 측정하여 R값을 측정
• ρ=2πaR, R=2πa(V/I)에 수식을 대비하여 토양의 고유저항을 측정

대지저항률 측정에 사용되는 3전극법(전위강하법)과 위너(Wenner) 4전극법은 각각 다른 측정 원리와 적용 분야를 가진 방법입니다. 두 방법의 핵심 차이점은 전극 배열, 측정 목적, 데이터 해석 방식에 있습니다.

1. 3전극법(전위강하법)

측정 원리

• 접지 전극(C1/P1), 전류 전극(C2), 전위 전극(P2)으로 구성[1][6].
• 접지 시스템과 “진정한 대지” 간 저항 측정에 특화[7].
• 전류 전극(C2)과 접지 전극 사이에 교류 전류(I)를 인가한 후, 전위 전극(P2)에서 전압(V) 측정[8].
• Ohm의 법칙 적용:

측정 절차

1. 전류 전극(C2)을 접지 전극에서 25~50m 이격 설치
2. 전위 전극(P2)을 C1-C2 거리의 62% 위치에 배치(62% 규칙)
3. 전극 간 간격 재측정 시 측정값 변동이 30% 미만일 때 유효

적용 분야

• 기존 접지 시스템(변전소, 발전소)의 접지 저항 평가
• 대형 접지망에서의 전위 분포 분석

한계점

• 인근 구조물의 전자기 간섭에 민감
• 측정 공간이 넓게 요구되며 도심지 적용 어려움

2. 위너 4전극법

측정 원리

• 4개의 동일 간격 전극(C1-P1-P2-C2)을 직선 배열
• 외측 두 전극(C1, C2)에 전류(I) 인가, 내측 전극(P1, P2) 간 전압(V) 측정
• 대지저항률 계산식:

(a: 전극 간격, R: 측정 저항)

측정 절차

1. 전극을 1~30m 간격으로 배치(측정 깊이=전극 간격)
2. 다층 토양 분석 시 전극 간격을 점진적으로 확대하여 반복 측정
3. ASTM G57 기준에 따른 표준화된 방법

적용 분야

• 토양의 수직적 층상 구조 분석
• 새 접지 시스템 설계 전 초기 지반 조사

한계점

• 표면 토양의 습도/동결 상태에 측정값이 민감
• 인근 금속 매설물이 있을 경우 오차 발생 가능

3. 핵심 비교 요소

현장 적용 시 고려사항

• 3전극법은 기존 접지 시스템 유지보수에, 4전극법은 신규 접지 시스템 설계에 적합
• 동결 지반에서는 4전극법 측정값이 3전극법 대비 최대 47% 편차 발생
• 좁은 공간에서는 3전극법 대신 별형(Star-Delta) 배열 변형법 사용 가능.

3️⃣61.8%법

• 이 측정방법은 대지 비저항이 균일한 장소에 적용
• 61.8%법은 전위강하법을 이용하여 접지저항을 측정할 때 전류보조극의 거리를 접지체로부터 C로 하고 전압보조극의 거리를 C의 61.8%로 하여 측정된 접지저항값을 측정값으로 결정
• 대지 비저항이 균일하지 않다면 측정치에 많은 오차가 발생할 수도 있지만 한번의 측정으로 접지저항값을 얻을 수 있는 장점

1️⃣전위강하법

• 정의
  • 하나의 전극에 접지전류I[A]를 유입하면 접지전극의 전위가 주변의 대지에 비하여 V[V]만큼 높아지는데, 이때 전위상승값과 접지전류의 비V/I[Ω]을 그 접지전극의 접지저항으로 한다

• 측정
  • E,C간에 전원을 이어서 전류를 흘리고 EP간의 전압을 측정하여 R=V/I를 구한다
  • 다음수식을 대입하여 토양의 고유저항을 측정한다

• 특징
  • AC전원 사용
  • DC 사용 시 전기 화학작용으로 인하여 부식되는 단점

1️⃣물리적인 저감방법

1)수평공법

• 접지동봉
  • 접지동봉 치수 확대, 병렬접속하여 접지저항을 저감
  • 매설깊이를 깊게 한다

• 매설지선공법
  • 접지극의 길이를 길게 하는 공법으로, 일반적으로 30[m]전후가 저감효과가 크다
  • 송전선의 철탑, 소규모 발전소, 피뢰기 등에 적용하는 방식

• 평판접지공법
  • 매설 시 표면저항값의 증가에 주의하여야 하며, 직렬 시공이 효과적
  • Size의 종류로는 가로*세로, 300*300, 600*600, 900*900[㎟] 의 크기

• 대상전극공법
  띠접지라고 하며 매설지선공법과 도전성 저감재료로 도포하여 접지저항을 낮추는 방법

• 다중접지 시트
  • 알루미늄박과 특수유리를 3매 겹쳐서 만드는 것
  • 가볍고 유연성이 좋아서 토양에 적응하기 쉽고 접촉저항이 낮은 것이 특징

• 메시공법
  • 나동선 50[㎟] 이상을 그물 모양으로 한 것으로 한 변의 길이가 수백 미터되는 것도 있다
  • 대규모 발전소, IBS 빌딩에 적용

2)수직공법(보링공법)

• 고유저항은 토양의 깊이, 조밀도, 수분 함유율 등에 따라 달라지므로 대지를 분석한후 장비를 이용하여 보링(Boring)한다
• 일반적으로 시공깊이는 1공당 암반 지층이 발견되는 시점까지 파도록 하며 보링의 직경은 100~200Φ정도
• 전극의 설치는 접지봉 2~3개를 나동선과 연결하거나 미리 성형한 고강도 접지봉을 구멍에 넣은 후 빈 공간에 하이퍼스를 물과 혼합하여 흩려 놓는다
• 시공부지가 협소하거나 대지의 고유저항이 높은 경우에 주로 사용

2️⃣화학적 저감법

1)조건

• 저감효과가 영구적일 것
• 접지극 부식이 없을것
• 공해가 없을 것
• 경제적이고 공법이 용이할 것

2)종류

• 화학적 저감제 : 화이트 아스론, 티코겔, 케미어스 등

• 도전성 저감체 : 시멘트계 저감제

3)저감제 주입법

4)저감제 특징

• 고유저항을 화학적으로 저감하는 방법
• 염, 암모니아, 탄산소다 등을 주변에 혼합하여 사용
• 처음에는 효과가 있으나 1~2년 후면 효과가 없다.

❓보링공법(접지)은

• 물리적 방법의 하나며, 심타공법(수직공법)의 하나
• 접지극을 지표면에 매설하지 않고, 보링으로 구멍을 뚫어서 그 속에 접지극을 설치

1️⃣특징

• 일반적으로 깊을수록 대지저항률이 낮아지는 경향이 있어 접지저항값을 급격히 낮출 수있음
• 타 접지방법에 비하여 제한된 환경에서의 저저항접지 확보가 용이
• 공사비가 고가이므로 설계 시 공법의 타당성 검토와 최적의 보링깊이를 산정하는 것이 필요
• 대지는 보통 수평 다층 구조이나 해석의 편의성을 위해 수평 2층 구조로 해석

2️⃣설계순서

• 기준 접지저항 선정
• 계절 변동 고려
• 소요 접지저항 결정
• 사전조사 필요 여부 결정
• ρ-a곡선 작성
• 대지파라미터 작성
• 접지공사 방법 선정
• 설계도면 및 사양서 선정

3️⃣보링접지의 설계

1)대지저항률 측정

• Wenner 4전극법을 사용
• 지중깊이 a까지를 평균적인 대지저항률로 함
• 대지저항률의 측정위치는 보링시설 위치를 중심으로 좌우 대칭으로 a값을 측정
• ρ-a곡선 분석을 위하여 7회 이상 측정 데이터를 수집

2)보링깊이 추정

• 보링깊이의 산정은 ρ-a곡선을 분석하여 가장 낮은 값 지점에서 보링깊이를 산정
• 접지저항 예측 계산 : 설계 차원에서의 보링깊이를 추정

4️⃣대지저항률 해석

• 대지구조 해석은 컴퓨터 프로그램을 이용하여 수치 해석적 방법을 활용 : 신뢰성, 인력절감
• Wenner의 4전극법에 의한 대지변수를 추종방법

5️⃣보링공법의 종류

1)고강도 접지봉을 이용하는 공법

• 일반적인 방법

2)고강도 원통형 접지봉 공법

• 보링 후 원통형 접지봉 삽입
• 저감제 투입 전 흙 되메우기(확산 대비)
• 압축공기를 이용하여 접지저감제 투입
• 매설 표지판 설치

3)고장도 접지판을 이용하는 공법

• 폭50[㎝], 깊이75[㎝]의 홈을 판다
• 접지판에 GV전선을 용융접속후 흙으로 되메우기(비주입식)
• 저감제 투입구로 접지저항 저감제 투입 후 흙으로 되메우기(주입식)

4)PGS공법

• 매설 표지판 설치
• PSG 관리 외함 설치
• 산산, 낙도 등에 사용 가능

6️⃣보링공사방법

1)사전조사

• 지하매설물 조사
• 복수 접지극 설치 시 대지를 충분히 확보
• 보링기계 설치 가능 조사
• 부지 소유자, 시설 관할관청 등과 협의

2)보링접지의 시설절차

• 보링기계 설치
  • 보링기 로드의 연결 높이를 고려
  • 보링작업에 따른 지반붕괴에 대한 고려
  • 보링시설 위치에 지하 매설물 여부 고려

• 보링작업
  • 지하매설물 조사
  • 지하매설물 여부를 감시하며 작업
  • 접지전극의 투입이 가능하도록 공간을 유지
    • 가능한 최소 직경
    • 환경에 따라 보링의 강도를 높여야 할 경우에 직경을 확대하여 실시
  • 접지저항을 수시로 측정 확인
    • 설계저항값을 만족하면 보링작업을 중단
  • 설계깊이 도달 시
    • 설계저항값이 조금 모자라면 만족할 때까지 계속 보링
    • 설계저항값이 많이 모자라면 재설계

• 접지전극 시설
  • 접지전극을 투입
  • 지표면으로 접지전극 단자를 인출할 수 있도록 조치

• 마무리 : 홀 공간에 접지 저감제를 투입

7️⃣보링접지의 시공 시 고려사항

• 접지공사에 사용되는 접지선 접지전극, 부속자재와 시공방법은 규격에 적합해야 한다
• 접지선이 외상을 받을 우려가 있는 경우 금속관, 합성수지관 등에 넣는다
• 피뢰침, 피뢰기용 접지도선은 노출 시공을 원칙으로 한다
• 충진재는 고강도 시멘트형으로 90[kgf/㎠]이상의 압축강도가 원칙이다
• 접지극은 내부식성, 내전식성을 갖는 재료를 사용해야 한다
• 대지전위 상승의 영향이 없는 지역에 설치한다
• 접지극과 접지선으로 완전히 접속되어야 한다

1️⃣물리적인 저감방법

1)수평공법

• 접지동봉
  • 접지동봉 치수 확대, 병렬접속하여 접지저항을 저감
  • 매설깊이를 깊게 한다

• 매설지선공법
  • 접지극의 길이를 길게 하는 공법으로, 일반적으로 30[m]전후가 저감효과가 크다
  • 송전선의 철탑, 소규모 발전소, 피뢰기 등에 적용하는 방식

• 평판접지공법
  • 매설 시 표면저항값의 증가에 주의하여야 하며, 직렬 시공이 효과적
  • Size의 종류로는 가로*세로, 300*300, 600*600, 900*900[㎟] 의 크기

• 대상전극공법
  띠접지라고 하며 매설지선공법과 도전성 저감재료로 도포하여 접지저항을 낮추는 방법

• 다중접지 시트
  • 알루미늄박과 특수유리를 3매 겹쳐서 만드는 것
  • 가볍고 유연성이 좋아서 토양에 적응하기 쉽고 접촉저항이 낮은 것이 특징

• 메시공법
  • 나동선 50[㎟] 이상을 그물 모양으로 한 것으로 한 변의 길이가 수백 미터되는 것도 있다
  • 대규모 발전소, IBS 빌딩에 적용

2)수직공법(보링공법)

• 고유저항은 토양의 깊이, 조밀도, 수분 함유율 등에 따라 달라지므로 대지를 분석한후 장비를 이용하여 보링(Boring)한다
• 일반적으로 시공깊이는 1공당 암반 지층이 발견되는 시점까지 파도록 하며 보링의 직경은 100~200Φ정도
• 전극의 설치는 접지봉 2~3개를 나동선과 연결하거나 미리 성형한 고강도 접지봉을 구멍에 넣은 후 빈 공간에 하이퍼스를 물과 혼합하여 흩려 놓는다
• 시공부지가 협소하거나 대지의 고유저항이 높은 경우에 주로 사용

2️⃣화학적 저감법

1)조건

• 저감효과가 영구적일 것
• 접지극 부식이 없을것
• 공해가 없을 것
• 경제적이고 공법이 용이할 것

2)종류

• 화학적 저감제 : 화이트 아스론, 티코겔, 케미어스 등

• 도전성 저감체 : 시멘트계 저감제

3)저감제 주입법

4)저감제 특징

• 고유저항을 화학적으로 저감하는 방법
• 염, 암모니아, 탄산소다 등을 주변에 혼합하여 사용
• 처음에는 효과가 있으나 1~2년 후면 효과가 없다.

1️⃣물리적인 저감방법

1)수평공법

• 접지동봉
  • 접지동봉 치수 확대, 병렬접속하여 접지저항을 저감
  • 매설깊이를 깊게 한다

• 매설지선공법
  • 접지극의 길이를 길게 하는 공법으로, 일반적으로 30[m]전후가 저감효과가 크다
  • 송전선의 철탑, 소규모 발전소, 피뢰기 등에 적용하는 방식

• 평판접지공법
  • 매설 시 표면저항값의 증가에 주의하여야 하며, 직렬 시공이 효과적
  • Size의 종류로는 가로*세로, 300*300, 600*600, 900*900[㎟] 의 크기

• 대상전극공법
  띠접지라고 하며 매설지선공법과 도전성 저감재료로 도포하여 접지저항을 낮추는 방법

• 다중접지 시트
  • 알루미늄박과 특수유리를 3매 겹쳐서 만드는 것
  • 가볍고 유연성이 좋아서 토양에 적응하기 쉽고 접촉저항이 낮은 것이 특징

• 메시공법
  • 나동선 50[㎟] 이상을 그물 모양으로 한 것으로 한 변의 길이가 수백 미터되는 것도 있다
  • 대규모 발전소, IBS 빌딩에 적용

2)수직공법(보링공법)

• 고유저항은 토양의 깊이, 조밀도, 수분 함유율 등에 따라 달라지므로 대지를 분석한후 장비를 이용하여 보링(Boring)한다
• 일반적으로 시공깊이는 1공당 암반 지층이 발견되는 시점까지 파도록 하며 보링의 직경은 100~200Φ정도
• 전극의 설치는 접지봉 2~3개를 나동선과 연결하거나 미리 성형한 고강도 접지봉을 구멍에 넣은 후 빈 공간에 하이퍼스를 물과 혼합하여 흩려 놓는다
• 시공부지가 협소하거나 대지의 고유저항이 높은 경우에 주로 사용

2️⃣화학적 저감법

1)조건

• 저감효과가 영구적일 것
• 접지극 부식이 없을것
• 공해가 없을 것
• 경제적이고 공법이 용이할 것

2)종류

• 화학적 저감제 : 화이트 아스론, 티코겔, 케미어스 등

• 도전성 저감체 : 시멘트계 저감제

3)저감제 주입법

4)저감제 특징

• 고유저항을 화학적으로 저감하는 방법
• 염, 암모니아, 탄산소다 등을 주변에 혼합하여 사용
• 처음에는 효과가 있으나 1~2년 후면 효과가 없다.

1️⃣물리적인 저감방법

1)수평공법

• 접지동봉
  • 접지동봉 치수 확대, 병렬접속하여 접지저항을 저감
  • 매설깊이를 깊게 한다

• 매설지선공법
  • 접지극의 길이를 길게 하는 공법으로, 일반적으로 30[m]전후가 저감효과가 크다
  • 송전선의 철탑, 소규모 발전소, 피뢰기 등에 적용하는 방식

• 평판접지공법
  • 매설 시 표면저항값의 증가에 주의하여야 하며, 직렬 시공이 효과적
  • Size의 종류로는 가로*세로, 300*300, 600*600, 900*900[㎟] 의 크기

• 대상전극공법
  띠접지라고 하며 매설지선공법과 도전성 저감재료로 도포하여 접지저항을 낮추는 방법

• 다중접지 시트
  • 알루미늄박과 특수유리를 3매 겹쳐서 만드는 것
  • 가볍고 유연성이 좋아서 토양에 적응하기 쉽고 접촉저항이 낮은 것이 특징

• 메시공법
  • 나동선 50[㎟] 이상을 그물 모양으로 한 것으로 한 변의 길이가 수백 미터되는 것도 있다
  • 대규모 발전소, IBS 빌딩에 적용

2)수직공법(보링공법)

• 고유저항은 토양의 깊이, 조밀도, 수분 함유율 등에 따라 달라지므로 대지를 분석한후 장비를 이용하여 보링(Boring)한다
• 일반적으로 시공깊이는 1공당 암반 지층이 발견되는 시점까지 파도록 하며 보링의 직경은 100~200Φ정도
• 전극의 설치는 접지봉 2~3개를 나동선과 연결하거나 미리 성형한 고강도 접지봉을 구멍에 넣은 후 빈 공간에 하이퍼스를 물과 혼합하여 흩려 놓는다
• 시공부지가 협소하거나 대지의 고유저항이 높은 경우에 주로 사용

2️⃣화학적 저감법

1)조건

• 저감효과가 영구적일 것
• 접지극 부식이 없을것
• 공해가 없을 것
• 경제적이고 공법이 용이할 것

2)종류

• 화학적 저감제 : 화이트 아스론, 티코겔, 케미어스 등

• 도전성 저감체 : 시멘트계 저감제

3)저감제 주입법

4)저감제 특징

• 고유저항을 화학적으로 저감하는 방법
• 염, 암모니아, 탄산소다 등을 주변에 혼합하여 사용
• 처음에는 효과가 있으나 1~2년 후면 효과가 없다.