IEEE std 80접지설계 개념

• 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[4].
• NEC 기준 최소 굵기: 구리 6mm²(비접지 계통), 16mm²(피뢰계통)[3][4].

2. 도체 길이의 영향

접촉 면적 확대

• 길이 2배 증가 시 접지 저항 40% 감소[2][3]. 50m 길이 도체는 25m 대비 유효 접촉 면적 2.3배 증가[7].
• 62% 규칙: 전위 전극을 접지극-전류극 거리의 62% 위치에 배치할 때 최적 측정 정확도 확보[1].

메시 구성 최적화

• 5×5m 메시 크기에서 그리드 저항 2.33Ω → 20×20m 시 0.92Ω[6].
• 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[6]. 100×100m 메시에서 5m → 2.5m 간격 변경 시 재료비 94% 증가[6].
• 최적화 지점: 35mm² 굵기 + 50m 길이 조합이 500kA·s 용량 시스템에서 비용대비 효율 최적[8].

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[8].
• 동결 깊이 아래 매설 시 계절적 저항 변동을 22% 이내로 제어 가능[2].

4. 표준 및 안전 요구사항

• IEC 62305: 뇌서지 방지용 메시 접지 시 최소 50mm² 구리 도체 규정[4].
• KEC 142: 154kV 이상 계통에서 1선 지락 전류 25kA 발생 시 0.5초 내 견디기 위해 150mm² 이상 요구[4].
• IEEE 80: 접촉전압 75V 미만 보장을 위해 메시 외곽 도체 밀도 2배 권고[5].

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.