접지의 기초

[아리랑]

접지 (Ground) 기초

1. 접지의 기본지식

① 전선로의 절연과 접지

모든 전선로는 선간에 절연이 확보되어야 하고 대지로부터 전기적으로 절연이 확보되어야 한다. 즉 모든 전로는 대지로부터 절연되는 것이 원칙이다. 간절연이 파괴되는 것이 단락 또는 합선이고, 대지절연이 파괴되는 것이 지락사고 이다. 그러나 도체의 일부를 대지에 전기가 통하도록 하는 경우가 있는데 이것이 접지이다.

② 접지의 최초

접지는 대지와 전기설비 사이에 확실한 전기적 접속을 하기 위한 것이다. 이는 간단한 기술 같이 보이기도 하지만 깊이 들어가면 들어갈수록 어려워 지는 기술이다. 역사적으로 접지의 시초는 피뢰침을 발명한 미국의 프랭크린이 1753년에 피뢰침의 아래쪽 끝을 땅속에 묻은 데서 시작되었다.

③ 대지는 도체다

대지는 도체이기 때문에 유선 전신에서 원래는 왕복 두 줄의 전선이 있어야 하지만 그림과 같이 한 줄만 설치하고 송수신기 양단에서 접지하면 나머지 한 줄은 대지를 사용할 수가 있는데 이런 경우의 귀로를 대지귀로라고 한다. 이와 같이 대지를 회로의 일부로 사용하기 위해서 하는 접지를 기능적 접지라고 한다.

④ 피뢰기

피뢰기는 그림과 같이 보호하고자 하는 기기 가까이에 설치해서 외부로부터 침입하는 서지(이상전압)을 대지로 방류하기 위한 것이다. 따라서 피뢰기는 정격전압에서는 통전하지 않고 있다가 이상전압이 내습하면 즉 시 방전하여 대지로 방류하고 이상전압의 방류가 끝난 뒤에는 즉시 속류를 차단 할 수 있는 특성을 가지고 있어야 한다.

⑤ 보안기

전화선에 직격뢰가 떨어지거나 유도뢰에 의해서 이상전압이 유기된 경우에 전화기 및 전화 사용자를 보호하기 위한 것이다. 보안기는 퓨즈와 방전갭으로 구성되는데 퓨즈는 과전류를 방지하기 위한 것이고 방전갭은 피뢰기의 역할을 하여 이상 전압을 대지로 방류하기 위한 것이다.

⑥ 지구는 전기 쓰레기통

지구는 하나의 거대한 콘덴서이다. 즉 지구는 하나의 커다란 “전기통” 이라고 할수 있다. 따라서 지구는 필요 없는 전기를 버리는 장소로 적격이다. 피뢰기, 보안기 등은 쓸데없이 피해만 주는 이상전압을 지구라는 전기 쓰레기통에 버리는 것이다. 고조파에 의한 각종 노이즈도 필터를 통해서 대지로 버린다.

⑦ 기본적인 접지방식

거의 모든 전기계통 즉, 전력설비, 통신설비, 컴퓨터, 피뢰설비 등은 모두 접지를 필요로 한다. 접지를 하는 목적도 안전을 위한 것, 전기적 기능을 하기 위한 것, 통신의 잡음을  없애기 위한 것 등 다양하다. 목적이 무엇이든 또는 설비가 어느 것이든 간에 접지를 하기 위해서는 대지에 전기적으로 접속되는 단자를 설치해야 하는데 이것이 접지극이다.

설비와 접지극을 연결하는 전선을 접지선이라고 한다. 전기설비로부터 접지선과 접지극을 거쳐 대지로 흘러 들어가는 전류를 접지전류라고 한다. 접지에서 접지극과 대지와의 접속 상태를 나타내는 것이 접지저항이다. 접속상태가 좋으면 접지저항은 작고 접속상태가 나쁘면 접지저항은 크게 된다.

2. 접지 저항의 의미

① 물질의 고유저항

저항은 길이에 비례하고 단면적에 반비례한다. 따라서 저항의 크기는 다음식으로 계산한다. 

고유저항 (또는 저항률)이란 물질이 가지고 있는 고유한 저항특성을 말하는 것으로 Ω·m 단위로 표시한다. 1 Ω·m 그림과 같이 가로, 세로 높이가 각각 1m인 정육면체의 양변에 도체 판을 대고 그 양단의 저항을 측정해서 구한 저항치를 말한다. 각 변의 길이가 1cm씩이면 이는 Ω·cm 가 된다. 몇 가지 물질의 상온에서의 고유저항을 표시하면 다음과 같다.

물질 (부도체)	고유저항 ρ [Ω·m]
구리	1.72×10^−8
알루미늄	2.75×10^−8
철	9.8×10^−8

 

물질 (부도체)	고유저항 ρ [Ω·m]
유리	10^9 ~ 10^11
세라믹(도자기)	3×10^11
베이클라이트	10^6 ~ 10^10

동선의 저항은 다음식으로 계산한다.

② 접지저항의 정의

하나의 접지 전극에 접지전류 I [A] 가 흘러 들어가면 접지전극의 전위는 E [V]만큼 올라간다. 이때

을 접지저항이라고 한다. 접지전극의 전위를 측정할 때는 접지전극으로부터 충분한 거리가 떨어져 있는 곳에서 해야 한다. 기준점을 너무 가까우면 그림에서와 같이 ΔE 만큼의 오차가 생기게 된다.

③ 접지저항의 구성요소

접지저항의 구성요소는

ⓐ 접지선과 접지전극 자체의 저항
ⓑ 접지극 표면과 대지와의 접촉저항
ⓒ 전극 주위의 대지 저항

의 3가지 인데 이들 중에서 대지 저항이 가장 커서 접지저항의 대부분은 접지극을 둘러싼 대지에 나타나는 저항으로 볼 수 있다. 저항은 단면적에 반비례하므로 접지극에서 먼 곳에서는 그 저항을 무시할 수 있을 정도로 작으나 접지극 가까이에서는 작은 단면적을 통해서 접지전류가 흘러나가기 때문에 저항이 커지게 된다.

④ 대지 저항률의 특성

완전히 건조된 토양은 거의 절연물이다. 수분이 많이 함유된 토양의 저항률은 작아진다. 접지저항은 온도와 계절 및 기후에 따라 변화하는데 일반적으로 겨울에는 높고, 여름에는 낮다. 다음표는 수분을 15% 함유하고 있는 점토의 온도에 따른 대지저항률의 변화를 보인 것이다.

온도	대지 저항률	비율
20℃	72 [Ω·m]	1
10℃	99 [Ω·m]	1.4
0℃	130 [Ω·m]	1.8
-5℃ (얼음)	790 [Ω·m]	11

대지 저항률은 항상 변화하기 때문에 특정한 토양의 저항률이 정확히 얼마라고 말하는 것은 곤란하다. 고유저항에 따라서 대지는 다음과 같이 구분한다.

분류	저항률의 범위 [Ω·m]	환경 조건
고저항률 지대	ρ ≥ 1000	물이 잘 빠지는 구릉지대
중저항률 지대	100 ≤ ρ < 1000	내륙의 평야지대
저저항률 지대	ρ ≤ 100	하구나 해안의 낮은 지역

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