대지저항(토양의 특성)

접지 설계 (EP)

접지
IEEE std 80 접지설계 개념
IEC 접비설계
토양특성 검토
대지저항 측정법
대지구조 해석방법
접지저항 저감
보링공법(수직공법)
PGS공법
접지저항측정법
61.8%법칙
KEC140

목차(토양의 특성 EPN)

토양의 특성

1️⃣대지저항률이란?

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

• 접지저항은 대지저항률에 따라 크게 좌우됨
• 대부분의 토양은 완전히 건조된 상태에서는 전기를 거의 통과하지 않는다. 그러나 사막의 모래를 제외하면 토양이 완전히 건조된 상태로 존재하는 것은 거의 없다
• 토양에 수분이 함유되면 저항률이 낮아져서 도체가 되는데 도체가 된다고 해서 금속과 같은 양도체가 되는 것이 아니라 불양도체가 된다
• 토양은 같은 종류라고 하더라도 수분 함량, 온도, 포함되어 있는 화학물질 등에 따라 고유저항이 크게 변화하기 때문에 어떤 종류의 토양의 고유저항이 얼마라고 정확하게 말하기는 곤란

2️⃣대지저항률에 영향을 주는 요인

☑️대지저항율(토수온계화해암)

토양,수분,온도,계절,화학물,해수,암석

1)토양의 특성

토양의 대지저항률은 진흙, 점토, 모래, 암반 순으로 높아진다

분류	진흙	점토	모래	암반
고유저항 [Ω·m]	80~200	150~300	200~500	10,000~100,000

2)수분함유량

• 토양의 고유저항에 가장 큰 변화를 주는 요소는 수분 함량
• 모래에 섞인 토양의 수분함량에 따른 고유저항의 변화는 다음과 같다

수분함량 [%]	2	6	10	16	20	24	28
고유저항 [Ω·m]	1,800	380	220	130	90	70	60

3)온도

• 모든 물질의 저항률은 온도에 따라 변화한다. 일반적으로 온도 상승에 따라 저항이 커지는데, 온도가 상승하면 저항이 작아지는 부저항 특성을 가진 물질
• 온도의 변화에 따라 물질의 저항이 얼마나 크게 또는 작게 변화되는가를 나타내는것이 물질의 온도계수

• 수분을 15%함유한 점토의 온도에 따른 대지저항률의 변화

온도[℃]	20	10	0	-5
대지저항률 [Ω·m]	72	99	130	790
비율	1.0	1.4	1.8	11.0

4)계절에 따른 변화

• 접지저항은 계절에 따라 크게 변동하는데, 이 변화는 토양의 함수량과 온도의 변화가 상호작용하여 발생
• 접지봉의 접지저항의 연간 변화 그래프

5)화학물질

• 토양속에 수분과 함께 전해질의 화학물직이 포함되어 있으면 저항률이 크게 감소하는데 이런 특성을 이용한 것이 접지저항의 화학적인 저감제
• 물질이 전해된다고 하는 것은 분자가 +이온과 -이온으로 분리되는 것을 말한다. 예를들어 NaCl(염화나트륨)이 Na+이온과 Cl-이온으로 분리되는 것을 전해되었다고 한다.

6)해수의 영향

• 바닷물의 고유저항은 전해질인 소금(염화나트륨 : NaCl)이 있기 때문에 토양에 비해 매우 작으며 포함되어 있는 염분의 양에 따라 크게 변화
• 바닷물의 고유저항은 0.1~0.5[ΩCu]으로 작기 때문에 해변가에서 해수 침투되어 있는 지역의 대지저항률은 매우 낮아지게됨

7)암석의 영향

• 암석 자체는 거의 절연물에 가까우나 대부분의 경우 많은 미세한 틈과 구멍을 가지고 있기 때문에 그 속에 수분을 포함해서 약간의 도전성을 가짐
• 암석에 흑연(C), 동(Cu), 철광석(Fe) 등과 같은 도전성 광물이 포함된 경우에는 저항률이 크게 감소

3️⃣대지저항률의 분류

분류	대지저항률의 범위	해당지역
저저항률 지역	ρ < 100	연안의 저지대
중저항률 지역	100 ≤ ρ < 1,000	내륙의 평야지대
고저항률 지역	1,000 ≤ ρ	산악,고원, 암반지대

4️⃣대지저항률의 적용, 특성, 측정방법

적용	특성	측정방법
접지공사 통신선의 유도장해 예측 계산 전자파의 전파 예측 계산	접지저항의 결정 전위분포 특성 결정	위너 4전극법 전기탐사법 보링법등

5️⃣대지저항률의 일반사항

1)고유저항

고유저항이란 물질이 가지고 있는 고유한 저항특성을 의미하며, 1[㎥]의 저항 크기를 고유저항

2)반구상의 접지극의 접지저항

대지저항률 ρ=2πrR[Ω m]가 된다.

대지저항 측정법

❓접지란

• 어떠한 전기적인 대상물을 대지에 낮은 저항으로 연결하는 것으로 이상전류 발생시 대지로 방류시켜 인축 및 설비에 악영향을 방지하기 위한 설비
• 접지설계는 토양특성을 검토하고 최대 고장전류를 결정하여 소요접지 저항치를 결정, 접지방식을 선택 한 다음 전위경도를 검토하고 인근 설비와의 영향을 검토 및 대책을 세워 나가는 일련의 과정을 통하여 접지를 설계
• 대지저항 특정법에는 2전극법, 4전극법, 간이 측정법 등을 사용하는데 4전극법이 정확도가 우수하고 간편하여 많이 사용

1️⃣대지저항측정법

1)2전극법

• 측정방법
  • 균일한 토질이 아닌 토양의 대지저항률을 현장에서 개략적으로 측정하는 방법
  • 축전지의 정극성(+) 단자는 미소전류계를 경유하여 하나의 전극에 접속하며 부극성(-)단자는 다른 전극에 접속하여 측정

• 특징
  • 짧은 시간에 대지저항을 계측할 수 있다
  • 정확성이 낮고 토양의 국부적인 위치의 대지저항률만을 측정하는 단점

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

3)간이 측정법

• 접지저항이 접지전극 주변의 대지저항률에 비례하는 관계를 이용한 것
• 길이와 반경을 알고 있는 봉형 접지전극을 설치하고 이 접지전극의 접지저항을 측정하여 대지저항률을 이론적으로 산출하는 방법
• 봉형 전지전극의 접지저항을 측정하면 그 값으로부터 대지저항률을 역으로 산출

접지 설계 (EP)

접지
IEEE std 80 접지설계 개념
IEC 접비설계
토양특성 검토
대지저항 측정법
대지구조 해석방법
접지저항 저감
보링공법(수직공법)
PGS공법
접지저항측정법
61.8%법칙
KEC140

목차(토양의 특성 EPN)

토양의 특성

💯기출문제

●N09 접지설계 시 대지저항률에 영향을 주는 요인에 대하여 설명하시오

☑️대지저항율(토수온계화해암) EPN09

접지설계 시 대지저항률은 시스템의 안전성과 효율성을 결정하는 핵심 요소입니다. 주로 토양의 조성, 수분 함량, 온도, 화학적 구성 등이 복합적으로 작용하여 저항률을 변화시킵니다.

1. 토양 조성

토양의 구성 성분은 대지저항률에 직접적인 영향을 미칩니다. 점토나 이탄 같은 미네랄이 풍부한 토양은 전기 전도성이 높아 저항률이 낮습니다. 반면 모래나 자갈이 많은 토양은 전도성이 떨어져 저항률이 높게 나타납니다. 특히 석회암 지대는 500~400,000Ω·cm 범위로 극히 높은 저항률을 보일 수 있습니다[6].

2. 수분 함량

토양의 수분은 이온 전도를 촉진시켜 저항률을 낮춥니다. 건조한 토양보다 습한 토양에서 저항률이 최대 80%까지 감소할 수 있습니다. 그러나 계절적 변화나 동결 현상으로 인해 수분 함량이 변동하면 저항률도 불안정해집니다.

3. 온도 영향

온도가 낮아지면 토양 내 수분이 얼어 이온 이동이 억제됩니다. 동결 상태에서는 저항률이 급격히 증가하며, 이는 겨울철 접지 시스템 성능 저하의 주요 원인입니다. 예를 들어, 영하 10℃에서 점토 토양의 저항률은 25℃ 대비 약 3배 증가합니다.

4. 화학적 구성

염분이나 탄소 함량이 높은 토양은 전해질 농도가 증가하여 저항률을 낮춥니다. 벤토나이트나 목탄 같은 첨가제를 사용하면 수분 유지력이 향상되어 저항률을 16~48% 감소시킬 수 있습니다. 그러나 오일이나 유기물 오염은 절연 효과를 일으켜 저항률을 높입니다.

5. 측정 및 설계 고려사항

• 다층 토양 분석: 위너 4전극법을 통해 수직적 층상 구조를 파악해야 합니다.
• 전극 심도: 영구 지하수면 아래에 전극을 설치하면 안정된 저항률 확보가 가능합니다.
• 계절별 보정: 건기와 우기, 동결기 별 측정 데이터를 종합해 설계해야 합니다.

이러한 요소들을 종합적으로 고려하지 않을 경우, 접지 시스템의 임피던스가 증가해 접촉전압 위험이 커지거나 장비 손상 가능성이 높아집니다. 따라서 현장 조건에 맞는 토양 저항률 프로파일링과 동적 설계 접근이 필수적입니다.

○N10 접지설계 시 고려하는 대지저항률의 개념 및 대지저항률에 영향을 주는 요인을 설명하시오

모범답안(대지저항률 EPN10)

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

☑️대지저항율(토수온계화해암) EPN09

• 토양의 특성
• 수분함유량
• 온도
• 계절예 따른 변화
• 화학물질
• 해수의 영향
• 암석의 영향

●N11 대지저항률에 영향을 미치는 요인

☑️대지저항율(토수온계화해암) EPN09

• 토양의 특성
• 수분함유량
• 온도
• 계절예 따른 변화
• 화학물질
• 해수의 영향
• 암석의 영향

○N12 대지저항률의 측정방법을 설명하시오

모범답안(접지저항 측정법 EPN12)

• 전위강하법
• 간편화된 전위강화법
• 61.8%법
• 클램프 온 미터법
• 콜라우시 브리지법

2전극법, 위너의4전극법

○N13 위너의 4전극법에 의한 대지저항률의 측정법

모범답안(위너의 4전극법 EPN13)

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

●N14 대지저항률 측정에 사용되는 전위강하법 기반인 3전극법과 위너의 4전극법을 비교 설명하시오

모범답안(3전극법과 4전극법 EPN14)

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:

\[ R_g = \frac{V}{I} \]

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:

\[ \rho = 2\pi a R \]

(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

구분	3전극법	4전극법
전극 수	3개(C1/P1, C2, P2)	4개(C1, P1, P2, C2)
주요 공식	\[ R = V/I \]	\[ \rho = 2\pi a R \]
측정 대상	접지 전극의 저항	토양의 저항률
공간 요구	수십 미터 이상	전극 간격(a)의 3~5배
데이터 특성	단일 깊이 저항값	다층 토양의 저항률 프로파일링
표준 규격	IEEE 81	ASTM G57
환경 영향	인공 구조물 간섭 민감	표면 습도/동결 상태 영향 큼

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.

접지 설계 (EP)

접지
IEEE std 80 접지설계 개념
IEC 접비설계
토양특성 검토
대지저항 측정법
대지구조 해석방법
접지저항 저감
보링공법(수직공법)
PGS공법
접지저항측정법
61.8%법칙
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목차(토양의 특성 EPN)

토양의 특성

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