접지(接地, ground, earth) 이야기

[管韻]

접지(接地, ground, earth)

접지(接地) 또는 그라운드(영어: ground, earth)는 전기 회로나 전기 기기 따위를 도체로 땅에 연결하는 것을 말한다. 이상 전압 발생시에도 고장 전류를 표면 전위가 영전위인 대지로 흘려보내, 같은 전위로 유지하여 기기와 인체를 보호한다. 어스(영어: earth), 지락(地絡)이라고도 부른다.

금속체와 대지를 접속하는 단자를 접지전극(grounding electrode)라고 하며 보통 지중에 매설되어 있는 도체가 사용된다. 접지전극과 접지를 하는 설비를 연결하는 도선을 접지도선 또는 접지선(grounding conductor)이라고 한다.

일반적으로 전자제품을 사용하면 경우에 따라 유도전류, EMI(electromagnetic interference, 전자파 간섭) 필터, 설계/고장 등의 기타 원인으로 인하여 누설되는 전류가 생긴다. 이 누설전류가 가지는 전압, 전류는 기기마다 다르지만, 사람의 피부가 닿았을 경우 따끔한 현상이 생길 수도 있고, 특히 기기의 안전성에 해가 될 수 있다. 또한 그것이 누전으로 인한 것이라면 생명에 지장을 초래한다. 따라서 이런 누설 전류를 무한히 큰 대전체인 "지구"에 흘려 주는 것이다. 또한, 접지는 전력선이 어떤 원인에 의해 누전되었을 때, 그 누설된 전기가 사람이 아닌 땅을 통해 흐르게 하여 감전을 막는 역할도 한다.

실제 우리 생활에서 대부분의 접지는 땅을 이용한다. 낙뢰가 떨어질 때 피뢰침이 그 전류를 땅으로 흘려보내는 것 또한 접지의 한가지 예지만, 사실 접지할 때는 그 물체보다 상대적으로 부피가 크면 된다. 전기용량이라는 건 쉽게 말하자면 얼마나 많은 전하를 담을 수 있는지와 관련이 있고 곧 그 물체의 부피에 비례한다. 그래서 지구가 굉장히 부피가 크기에 전기용량이 웬만한 물체들보다 훨씬 커서 접지하기 좋은 것이다.

대부분 접지에 사용하는 케이블은 초록색이며 접지봉 혹은 접지판에 설치하여 땅을 파서 접지판에 저감제와 물을 섞은 뒤 묻어버린다. 흔히 사람들이 보는 땅에 박혀있는 초록색 선은 이것이다.

접지는 전자제품의 EMI 노이즈 필터가 제 역할을 다하게 하여 전원 노이즈를 필터링함으로써 안정적인 동작을 가능하게 한다. 접지된 상태에서의 컴퓨터 같은 전자제품은 비접지 상태보다 기대 수명이 높은 것은 당연하다. 또한 서지프로텍터를 이용할 경우 낙뢰로 전력선을 통해 타고 들어오는 이상전류/전압을 접지로 우회시켜서 전자제품의 피해를 최소화하는 보호를 한다. 그러니까 컴퓨터를 보호하고 싶다면 꼭 접지된 환경에서 품질보증된 멀티탭으로 좋은 것을 쓰자. 접지가 안 된 경우 마이크나 스피커에서 지이이이잉 하는 노이즈가 난다.

그러므로 황금귀들이 고가에 거래하는 접지박스는 효과가 전혀 없는 사기제품이다. 전공자가 보면 폭소할 지경.

다만 누설전류가 지구의 땅으로 흡수된다는 설명은 다소 오해를 불러일으킬 수 있다. 키르히호프의 법칙에 따르면 닫힌 회로 안에서 흐르는 전류의 총량은[1] 변화가 없다. 주변에서 흔히 볼 수 있는 삼상 교류 전력 시스템을 예로 들면, 변압기의 중성선쪽이 접지선과 연결되어 있기 때문에, 전류는 변압기→활선→전자기기→기기의 외함→접지선→땅→중성선→변압기→... 를 무한히 돌게 된다. 따라서 땅에 누설전류가 흡수되어 사라지는 것이 아니라 실제로는 닫힌 회로 안에서 끊임없이 돌게 된다.

접지는 신호접지(Signal ground), 섀시접지(Chassis ground), 대지접지(Earth ground 혹은 Earth) 세 가지로 나눌 수 있다. 회로도에서 기호가 다르다. 심플한 삼각형 모양이 신호접지 기호, 갈퀴 모양이 섀시접지 기호, 이 항목의 개요 위에 나와있는 접지 기호가 대지접지이다. 특히 신호접지는 회로의 정상동작을 위해 노이즈가 타고 들어가지 않도록 간섭의 영향을 최대한 받지 않도록 주의해서 설계해야 한다. 이 중 대지접지는 국내 기준으로 제1종, 제2종, 제3종, 특별 3종이라는 4가지 체계로 분류가 되어 있다.

계통접지

저/고압 혼촉에 의한 전력선의 재해를 방지하기 위한 접지방식이다. 전력선의 재해를 예방하기 위한 목적이기 때문에 주로 변압기 2차측 계통의 가장 안전한 위치에 하는 접지이며 전력계통에 행하는 접지이다.

기기접지

Equipment grounding. 금속제 외함, 감전사고 예방(1종, 특3종, 3종, 의료용 접지)목적으로 사용되는 접지방식이다. 전기기기 내에서 절연이 파괴되어 금속재로 노출된 부분에 전류가 흐르게 되면(지락 발생) 감전이 될 수 있다. 이를 방지하기 위해 미리 기기를 대지에 접지해놓는 것으로 외함접지라고도 한다. 주로 전기기기의 프레임이나 외함, 철가 등에 설치한다.

접지는 기본적으로 대지에 다수의 동봉 또는 동판을 땅 깊이 매설하여 대지와 접촉시킨 후에 접지선을 배선하여 이루어진다. 항아리 등을 흙으로 채훈 후 동봉이나 동판을 매설하여 접지하는 것은 당연하게도 전혀 의미가 없다. 접지저항 확보를 위해 접지저항 저감제를 같이 매립하거나 동 재질이 아닌 다른 재질의 접지기구를 매설하기도 한다. 또한 가능한 깊이 매설해야 계절/온도 변화에 영향을 적게 받는다.

접지는 땅과 접촉되는 저항에 따라 급이 나뉜다. 정밀기기나 고압전류를 다루는 경우 당연히 저항치가 낮은 접지가 쓰여야 한다.

제1종과 제2종 접지공사 방법은 다음과 같다. 간단히 말해 우리가 흔히 보는 전신주의 접지 방법이라고 생각하면 된다. 분전반이나 전신주에서 내려와 땅으로 들어가는 녹색 또는 녹-황색 피복의 전선이 바로 접지선이다. 그러나 전기설비업자가 규격을 따르지 않고 녹색이나 녹-황색을 전력선으로 시공한 경우도 많으므로 건물 내외부의 녹색선을 무조건 접지선이라고 생각해서는 안 되며 함부로 잡거나 작업을 해서는 안된다. 무적격 업자뿐만 아니라 전기공사업 면허가 있는 업체에서도 녹색을 전력선으로 사용하여 시공한 사례가 있다. 더 심한 경우 전압선, 중성선, 접지선을 포함한 모든 전선이 녹색(...)인 시설물[2]도 있으므로 전선을 만질 때는 활선 경보기, 테스터 등 계측 기기로 직접 확인하면서 작업해야 안전하다. (예시)녹색 전선을 전력선으로 사용한 분전반

• 접지극은 지면으로부터 75cm 이상의 깊이에 매설해야 한다.

• 접지선은 절연 전선이나 케이블을 사용해야 한다.

• 접지선은 지하 75cm부터 지상 2m의 높이까지 보호관을 사용해서 보호해야 한다.

• 접지극은 지하에 존재하는 금속체(수도관등의 물체)에서 1m 이상 이격하거나 30cm 더 깊이 매설해야 한다.

접지 공사의 생략

놀랍게도 접지는 생략할 수 있는 기준이 마련되어 있다. 말이 안 된다고 생각하겠지만, 접지 공사가 생략되었다는 말은 그만큼 안전한 위치에 놓여 있다는 뜻으로 해석할 수도 있다. 그러나 이 기준은 어디까지나 사람이 죽거나 큰 상해를 입을 일이 없다고 판단하여 접지를 생략하는 것이므로 일부러 건드려서 감전되는 행동을 해서는 안 된다. 그리고 냉장고, 전자레인지 등 사람이 많이 만지는 가전제품과 습기가 많은 곳의 전기 제품은 접지가 없는 상태로 접촉하면 불쾌감을 느끼거나 약간의 통증을 유발할 정도의 미세 전류는 통하기도 하므로 접지 설비가 마련돼 있다면 적극적으로 사용하는 것이 좋다.

• 직류 300V / 교류 대지전압 150V 이하의 기계기구를 건조한 장소에 시설 시

• 기계 기구를 사람이 쉽게 접촉할 우려가 없는 나무 전봇대(목주) 위에 설치. 미국의 경우 지금도 종종 볼 수 있지만, 우리나라의 경우 최소 1990년대 이후로는 실제로 사용하는 나무 전봇대는 거의 볼 수 없다.

• 이중절연 구조의 기계. 헤어드라이어, 히팅건 등 열풍기와 드릴, 그라인더 같은 전동공구가 대표적이다. 이들의 전원 플러그는 접지 연결부위가 없는 무접지 플러그이다.

• 발전소 및 개폐소에 시설한 기계기구

• 철대 또는 외함의 주위에 적당한 절연대를 설치한 기기

• 절연을 하는 것이 기술적으로 곤란한 기기. 전기로나 시험용으로 제작한 변압기 등

• 정격 감도 전류 30mA이하, 동작 시간이 0.03초 이하의 누전차단기 설치 시

• 저압용 전로의 전원측에 출력이 300V 이하, 용량 3kVA 이하의 절연변압기를 시설하고 부하측 전로를 비접지로 한 경우

송배전 계통의 접지

당장 길에 보이는 전신주가 아닌, 산에서 흔히 볼 수 있는 송전탑의 송전선에서 사용되는 접지 방식이다. 3상 교류를 기본적으로 사용하고 있기 때문에 일반 접지방식과는 조금 다르게 Y형과 △형식에 따라 접지유무가 또 달라지며, 그중에서도 Y형식에 사용되는 중성점 접지를 다루고 있다.

3상 교류는 Y결선으로 연결을 하였을 때 3상의 파장이 상쇄되어 0이 되는 지점인 중성점이 존재하게 되는데, 그 지점을 접지한 것을 중성점 접지라고 부른다. 특이한 경우 중성점이 접지가 되어 있고, 접지와 같은 낮은 전위(이론적으론 0V)를 가진다고 하여 접지로 대용하는 위험한 경우가 있는데, 접지된 중성선은 활선에서 나온 전류가 흐르는 전력선이므로 접지의 역할을 절대 할 수 없으며 접지로 쓰다간 사람 죽는 일이 생길 수 있다.

용어 설명

• 보호 계전기: 접지선로를 통해 지락전류, 즉 땅으로 흐르는 전류가 발생했을 때 해당 전류를 검출하여 지락이 발생했음을 제어 패널에 보내는 계전기. 단독으로 작동이 불가능하다.

• 전위상승치: 해당 지락전류가 발생하였을 때 중성선 선로의 전압이 상승하는 정도.

• 과도안정도: 과도안전성이라고도 쓰는데, 사고발생이나 급격한 부하 변동 시 3상전류는 새로운 전압/전류 평형점을 찾아 이동하는데 이 때 이 전류가 얼마나 빨리 안정화 되는가를 의미한다. 송전선로에서도 쓰지만 발전기 쪽에서 과도응답성이라는 용어로도 쓰고 뭐 다른데 가서도 많이 쓰는 말이지만 그냥 “얼마나 빨리 안정화되는가”를 해당 분야에 맞춰보면 거의 들어간다.

• 유도장애: 전력선에는 고조파라고 해서 일종의 노이즈 같은 것이 흐르는데, 이때 발생되는 노이즈가 변압기에 유입되어 순환전류를 일으키며 변압기 과열을 발생시키는 경우가 있고 전력선 그 자체의 전류가 만들어내는 전기장 및 자기장이 통신선로나 기타 선로에 전압을 유도해 일으키는 경우가 있다. 케이블에 유도되는 것은 정전유도와 자기유도 두 가지 관점에서 해석된다.

• LC 병렬공진: L(코일) + C(커패시터, 콘덴서)를 병렬로 연결하였을 때 두 소자가 공진하는 현상. LC 병렬공진은 L, C의 값에 따라 특정 대역 주파수를 저지하는 특성을 띠게 된다.

• 중성점영전위단 절연: 변압기의 중성선은 Y결선 시 3상 전류의 전압벡터가 합쳐져 0 부근에 도달하는데 이것을 중성점이라 하고 또한 전압이 이론적으론 안 뜨기에 영전위단이라고 한다. 이곳을 접지하지 않고 절연하는 것.

각종 전자기기에서의 접지

전자기기가 작동될 경우 그 케이스 등에 전하차가 생기게 된다. 이때 케이스로도 전류가 누전되는 경우가 있는데 이를 피하기 위해 접지를 시행하게 된다. 회로는 기준전압, 즉 그라운드 역할을 하는 도체를 기준으로 부품들이 결선되어 있는데, 그 기준전압을 하술한 여러 이유로 접지선과 케이스에 연결해 놓는다. 만약 우리가 전자기기의 케이싱을 만질 때 전기가 통하는 느낌이 든다면 우리 몸을 통해서 그 전하가 방바닥으로 방출되고 있다는 것을 의미한다. 한마디로 우리 몸이 접지선으로써 전기적인 역할을 하고 있다는 것을 의미한다. 접지체계가 고장난 전자기기에서 잘못 하다가는 치명적인 감전을 당할 수 있다.

이때 마이크나 전자기기에 전기가 통하는 것은 제대로 접지를 안 했다는 증거인데, 그럴 경우 우리 몸보다 저항이 적은 전선으로 접지를 해서 기기의 전하를 땅 속으로 방출할 필요가 있다. 접지를 할 경우, 땅과 우리 몸, 그리고 기기의 케이스가 같은 전위를 유지하므로 전기가 통하지 않게 된다.

이렇듯 접지는 전자기기에 있어서 필수적이다. 앞서 제시한 공통접지가 회로에서 말하는 기준전압을 제시하는 역할을 하고 있다. 또한 공통접지와 접지도 서로 연결되어 있다. 공통접지는 회로 내부는 물론 장비와 장비 간에서도 매우 중요한데, 장비간에 기준전압이 맞지 않는다면 오작동하거나 상호간 신호전달이 애초에 불가능해질 가능성이 높다. 그렇기에 케이블을 통해서 장비 간에 기준전압을 꼭 맞춰줘야 한다.

캐논케이블이나 TRS 라인케이블에서 접지란 그냥 단순히 장비간의 접지 역할도 있지만, 회로의 공통접지와 같은 여러 부품들이 하나의 접지로 음극을 공유하고 있다는 것을 뜻하기도 한다. 이것이 무엇을 의미하냐면 캐논케이블이나 TRS 라인케이블, 스테레오 라인케이블처럼 두 개 이상의 신호를 동시에 보내고 있는 케이블들은 당연히 내부 선도 4가닥 이상이 되어야 한다는 것. 캐논케이블의 경우, Hot 신호 2가닥과 Cold 신호 2가닥이 필요하다. 하지만 캐논케이블은 3개의 심으로 구성되어져 있는데, 여기서 공통접지의 역할이 중요하다. 공통접지는 Hot과 Cold 신호가 서로 회로에서처럼 음극을 공유해서 기준전압을 제시하고, 그 공통접지를 기준으로 Hot 신호와 Cold 신호를 전송하게 만든다.

당연하지만 캐논에서 1번 심이 공통접지, 그리고 2번 심이 Hot, 3번 심이 Cold 역할을 한다. 이것이 가능한 이유는 회로에서와 마찬가지로 접지를 공유하고 있지만 각각의 부품들이 서로 전기적으로는 연결되어 있지 않기 때문이다. 마찬가지로 접지에서도 그냥 선만 땅에 같이 묻는다고 전기적으로 상관이 있는 것이 아니라, 음극과 양극이 서로 회로적으로 연결이 되어야만 비로소 전기적으로 관련이 있다. 공통접지와 Hot, 또는 공통접지와 Cold 이렇게 두 극이 서로 회로적으로 관련이 있을 때에만 말이다. TRS나, 스테레오 케이블에서도 마찬가지인데, 공통접지를 기준으로 한 심, 한 심 만으로 두 개의 채널을 만들어낸다.

이 음향 장비들의 접지를 제대로 안 해서 배철수가 젊음의 행진 때 감전당한 것이다. 그리고 해외에서도 이런 사고가 터져서 그 후 가수들의 매니저들은 무대의 모든 장비의 접지 상태를 깐깐하게 따져서 미흡한 점이 보이면 절대 가수를 무대로 올리지 않는다. 무선마이크는 접지를 공유할 선 자체가 없어 감전에 안전하니 마이크를 사용할 일이 생긴다면 가능하면 무선마이크를 사용하는 것이 좋다.

접지와 중성선은 다르다. 중성선은 스마트 홈에 사용된다. 아무튼 접지와 중성선은 전기적으로 연결되어 있긴 하다. 물론 전신주의 중성선 접지점과 접지용도로 가설된 접지선의 접지점의 거리는 최소 100m라고 보면 되기 때문에, 절대로 한 곳에 물려있는 그런 전기적 연결이한아니다. 또한 접촉 저항때문에 전위차가 있어 중성선과 접지선 사이에 LED를 넣으면 켜지기도 한다. 아무튼 중성선과 접지선 구분 안 하면 전기사고의 위험이 커지니 꼭 구분해서 시공하자.

차량에서의 접지

차량을 관리할 때 흔히 접지라는 말을 쓰는 작업이 있는데, 사실 이것은 접지라는 말이 적절치 않은 경우이다. 이것은 접지가 아니라 차량에서 여러 장치에 전력을 소모하고 배터리로 다시 들어가는 전류의 마이너스(-)극 연결을 보강하는 것이다.

차량에서는 차체 그 자체가 마이너스(-)극으로서 이용된다. 연식이 지나고 외부 환경에 노출되다 보면 차체와 배터리 마이너스(-)극이 연결되어 조여진 차체측의 케이블 단자(홀, 볼트, 너트, 케이블 압착부위 등)가 산화되어 녹이 발생한다. 이때 필연적으로 저항이 높아져 전류 흐름에 방해는 될 수 있으나 녹을 제거하거나 환원시킨 후 다시 케이블 단자를 잘 조여주기만 하면 될 일이지 여기저기에 접지 튜닝이랍시고 케이블을 갖다 추가로 달아놓는 것은 당연히도 특별한 효과가 없다. 마이너스(-)측 케이블들에 문제가 없다면 차량에서 체감하는 문제는 다른 문제일 가능성이 99.9%이다.

RF에서의 접지

사실 이것도 접지라 보기에는 좀 힘들다. 모노폴 안테나를 사용할 때 땅이 나머지 반쪽 역할을 하게 되어 결론적으론 안테나가 잘 매칭이 되게 하는 것이다. 카운터 포이즈는 땅에 선을 늘여놓 은거라 생각하면 되고, 레디얼은 공중 같은 곳에 안테나를 설치할 때 1/4 파장의 금속성 막대를 소자 아랫쪽에 달아놓는 것이다. 차량에 안테나를 설치하고 접지를 할 때에는 차체 도색을 벗기고 편조선으로 접지한다. 차체가 나머지 1/4 역할을 하게 하는 것.

광석 라디오를 들으려면 안테나 반대편 극을 접지해야 한다. 모노폴 안테나는 한쪽 극을 접지해야 하기 때문에 위와 같은 이유도 있지만, 땅의 전하를 사용하여 크리스탈 이어폰을 울려야 하기 때문이다...는 틀린 표현이다. 하지만 광석 라디오를 접지하면 소리가 더 커지긴 하는데, 이는 AM 송신탑의 한쪽 극은 안테나로써 전자기파의 형태로 에너지를 방출하지만 반대 극은 땅에 접지되어 있어 땅을 타고 직접 전류가 오기 때문이다. 따라서 전류가 커지므로 소리도 커진다.

주의 사항

경우에 따라선 건물에 접지 선이 설치되어 있지 않아 임시방편으로 동축 케이블 등을 통해 접지 하는 경우가 있는데, 동축케이블의 접지는 신호를 보호하기 위한 것이다. 따라서 동축 케이블의 접지로는 다른 사람들에게 피해를 줄 수 있고, 누전 시에 사용자를 보호할 수 없다. 또한, 동축 케이블이 번개에 맞으면 오히려 과전압/과전류가 역으로 타고 흘러 들어올 가능성이 있다.

또 수도관에 접지를 하는 경우가 있는데, 이 경우 동축케이블과 마찬가지로 상당한 민폐가 될 수 있다. 수도관이 부식될 수 있는 것은 덤이다. 교류 성분이라도 직류와 마찬가지로 금속을 부식하는 것은 똑같다. 금속 관으로 된 라디에이터에도 똑같이 해당된다. 다만 1966년에 발행된 전기 안전 학회지 내용을 인용하면, '수도관에 교류 회로의 접지를 허용하더라도 전식 작용(전기가 금속을 부식시키는 작용)은 발생하지 않고 수도 사용자에게 위험을 주지 않는다'고 기술되어 있긴 하다. 전기기사/전기공사기사 및 산업기사에서 전기법규 과목 내용 중에 “접지저항 3Ω 이하에서 수도관 접지가 허용된다.”라고 나와 있다. 추가로 “접지저항 2Ω 이하인 경우 철골에 접지 할 수 있다.”고 나와 있다. 그러나 요즘은 수도관들이 수도꼭지 제외하고 비금속 재질로 되어있는 경우가 많아 불가능하다.

가스 파이프에 접지를 하면 폭발의 위험이 있다. 1980년대~1990년대에 생산한 세탁기나 탈수기의 주의 사항에 “단, 가스 파이프 (등)에는 폭발의 위험이 있으니 접지 하지 마십시오.”라고 써져 있었다.

황금귀 중에서는 접지박스라는 요상한 물건이 판매되고 있는데, 전기적으로 효과가 전혀 없는 물건이다. 멀티테스터로 찍어봐도 1uA의 전류도 안 흐르는 것을 볼 수 있다. 따라서 사기 제품이고, 전기적으로 효과도 전혀 없다. 이게 왜 전기적으로 효과가 없는지 궁금한 사람들은 키르히호프의 법칙을 참고하라. 전류는 폐회로에서만 흐른다는 기본적인 이론도 무시하는 제품이다.

일부 아파트에서는 오히려 접지선을 타고 노이즈가 들어오는 경우가 있다. 특히 엘리베이터가 작동할 때 노이즈가 생긴다. 이건 접지저항이 높아서 생기는 문제이니 아파트 시공사에 항의해 보자. 심한 경우에는 오디오는 물론이고 컴퓨터나 충전기, TV에서까지 지이이이잉~ 하는 고주파 노이즈가 올라온다.

[管韻]

아파트와 같은 대규모 공사는 접지가 제대로 되어 있지만 단독주택인 경우 공사비 절감으로 접지가 생략되는 경우가 있습니다. 만약 집에서 오디오를 청취한다면 오디오의 마이너스 전류가 전원접지로 흘러 나가야 하는데 그렇지 못하면 케이스 금속 표면에 전류막이 형성되어 소리에 영향을 줍니다. 손으로 만져도 약간 찌릿찌릿합니다. 통신과 오디오와 음향기기는 직류전류를 사용하기 때문에 접지가 매우 중요합니다.

[管韻]

교환기 같은 경우 요즘은 220V 꼽아서 바로 정류해서 발신음을 만들어 내지만 예전에는 직류전원 48V와 접지를 연결해 줘야 했는데 접지선을 잘못 결선하게 되면 교환기가 자주 다운된다는 것을 알았습니다. 아마도 마이너스 선과 접지선을 혼동한 것으로 보입니다. 고수들은 단번에 알아차리지만 초보자는 교환기가 고장났는가 보다 생각하게 됩니다. 누가 가르쳐주지 않으면 도저히 알 수 없는 부분입니다. 삼성교환기 같은 경우 운영 프로그램을 잘못입력하면 교환기가 자주 다운됩니다. 우리나라에서는 대부분 LG 교환기를 사용합니다. 교환기보다 규모가 작은 것을 키폰이라고 하는데 키폰도 대형으로 만들수 있기 때문에 그 경계가 모호합니다.