GROUNDING(EARTHING)에 대하여 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
접지에 대한 考察[펌글]
1. 접지란 각종 전기, 전자, 통신 설비를 대지와 전기적으로 접속하여 전기적 단자의 설치를 말하며, 이 전극과 대지사이에 발생하는 접촉저항, 즉 대지와 접지전극 사이의 전기적 저항이 접지저항 이다. 따라서 접지 저항(R「Ω」 = E「V」/I「A」)이 낮을수록 전류의 흐름이 좋다.
< 접지저항의 정의> 하나의 접지 전극에 접지전류 I<A>의 접지전류가 유입하면 접지전극 전위가 주변의 대지에 비해 E<V>만큼 상승한다. 이때 전위상승 값과 접지전류의 비(E/I)<Ω>를 그 접지전극의 접지저항이라 한다. R = ρ×f R = 접지저항(Ω) ρ= 대지 저항율(Ω×L) f = 전극의 형상과 치수(1/L)
따라서 낮은 접지저항을 얻기 위해서는 대지 저항율을 작게 하고, 함수f를 작게 하면 된다. 대지 저항율이 고정된 경우는 전극의 형상이나 치수를 고려한다.
< 접지저항의 구성3요소 > 1) 접지선의 저항 및 접지 전극 자체 저항 2) 접지 전극의 표면과 이에 접하는 토양사이의 접촉저항 3) 전극 주위의 토양의 저항
< 접지의 역할 > 전기설비 계통에 고장전류가 흐르면 전위 상승이 생기고 이 상승전위는 고장전류와 전기설비 계통의 전기저항의 곱으로 표시된다. 이 전위 상승을 억제하기 위하여 접지를 하거나, 설비 계통을 동전위로 하고자 할 때, 측정 정밀도를 유지 하고자 할 때 접지를 함.
강전용 접지 : 주로 보안목적 평상시에 접지계에 전류가 흐르지 않는다. 약전용 접지 : 회로 기능용 평상시 접지계에 전류가 흐른다.
2. 대지 저항율의 측정 및 분석 토양자체의 고유저항을 대지의 고유저항이라 하며, 토양의 종류에 따라 달라진다. 똑같은 토양이라도 온도, 습도 등 외부의 기후조건에 의해 아주 큰 영향을 받는다. 1) 매설깊이에 따른 대지 저항율의 차이 매설 깊이가 깊을수록 온도 및 습도 등 여러 인자의 영향이 적어 경년 변화에 의한 저항율 변동이 적어 유리하다. 통상 매설 깊이는 0.5m ∼ 1.0m정도의 깊이로 매설되는 것이 보통이며, 지락 및 고장전류의 반발까능성을 고려하여 1.5m이상으로 매설하면 무난하다.
2) 대지 저항율의 변동요인 - 지역별 차이 대지 고유 저항율 100Ω 이하 : 강, 바다 등 물이 풍부한 지역 대지 고유저항율 100Ω∼1000Ω : 지하수가 풍부한 준 평원 지역 대지 고유저항율 1000Ω 이상 : 자갈, 암반빈도가 높은 지역 - 수분 함유율의 차이 수분 함유율 0 % : 대지고유 저항율 3000Ω 이상 5 % : 대지고유 저항율 1650 Ω 이내 10% : 대지고유 저항율 530 Ω 이내 15% : 대지고유 저항율 190 Ω 이내 20% : 대지고유 저항율 120 Ω 이내 30% : 대지고유 저항율 64 Ω 이내 - 주변 온도 차이 주변 온도 20° : 대지고유 저항율 72 Ω 이내 10° : 대지고유 저항율 99 Ω 이내 0°(WATER) : 대지고유 저항율 138 Ω 이내 0°(ICE) : 대지고유 저항율 300 Ω 이내 -5° : 대지고유 저항율 790 Ω 이내 -15° : 대지고유 저항율 3300 Ω 이내 - 계절별 차이 2월과 7월은 2배의 차이가 나지만 지표층 깊은곳의 변동폭이 상대적으로 적어 심굴 접지로 경년변화에 대처가능 함. - 전해질 성분 차 함유율 0 % : 대지고유 저항율 110 Ω 이내 0.1 % : 대지고유 저항율 20 Ω 이내 1 % : 대지고유 저항율 10 Ω 이내 5 % : 대지고유 저항율 7 Ω 이내 10 % : 대지고유 저항율 4 Ω 이내 20 % : 대지고유 저항율 3 Ω 이내(접지재료의 부식방지에 적합한 재료선택이 중요 함)
- 토질에 따른 대지의 고유저항 차 매립토, 재, 소금성분이 혼합된 진흙 : 대지고유 저항율 20 ∼ 80 Ω 이내 늪지, 진흙 : 대지고유 저항율 80 ∼ 200 Ω 이내 비옥한 점토, 모래 질 : 대지고유 저항율 150 ∼ 300 Ω 이내 모래와 자갈이 섞인 혼합토 : 대지고유 저항율 250 ∼ 1000 Ω 이내 사암 및 암반 지대 : 대지고유 저항율 1000 ∼ 100000 Ω 이내
※ 매설 깊이가 깊을수록 대지의 접지저항 변동율은 낮아진다.
3. 접지의 종류 및 접지저항 계산 법 1) 접지 방식별 특성 - DRIVEN ROD TYPE : 접지봉을 박는 방식. 저가 시공이 가능하고, 좁은 시공면적에서도 사용가능 하지만, 신뢰정도가 낮다. 타 접지방식과 연계가 가능하고, 추가 시공이 용이하지만 대지 저항율이 높은지역에서는 사용이 어렵다 습도, 온도 등의 영향이 크고 시공 수명이 짧으며 저항 변동율이 크다. 강한 뇌격전류에 의해 접지봉의 파괴가능성이 있다.
- PLATE TYPE : 동판을 수직 혹은 수평으로 매설하는 방식으로 비교적 넓은 대지를 필요로 한다. 대지 저항율이 높은 지역에서도 접지 효과가 매우 크지만 시공비용이 고가 이다. 시공이 어렵고, 유지보수가 불가능 하지만 습도, 온도 등의 영향이 작고 경년 변화가 적다. - MASH TYPE : 대지를 금속 망(MASH)형태로 시공하므로 신뢰도가 매우 높지만 시공비용이 고가이다. 낮은 접지저항과 보폭전압을 얻을수 있으므로 발전소 등 안전이 우선시 되는 장소에 시공한다. 넓은 시공면적이 필요하고, 시공 비용이 고가이고, 유지 보수가 불가능 하다. - MASH & DRIVEN ROD TYPE : MASH 형태에 접지봉을 연결하는 형태. 주변환경의 영향을 받지 않고, 신뢰도도 매우 양호하지만 시공비용이 고가이고, 시공면적이 넓다는 단점이 있다. - RADIAL TYPE : 도선을 방사상 형태로 대지에 수평으로 매설하는 형태로 사막, 암반 등 저항율이 높은 지역에 사용되며 AM 송신ANT의 접지에 많이 사용된다. 주위환경의 영향은 적고 암반, 산악지역에 적합하다. - 매설 지선 형 : 도선을 대지에 수평으로 매설하는 형태로 온, 습도의 영향이 크다. 산악지역에 적합하며, 신뢰정도는 보통이다. - BORING TYPE : 직경 10㎝이상의 HOLE을 수분층 까지 뚫어 접지 저감제로 HOLE을 체움. 모든 지역에 시공가능하나 시공비용이 고가이다. ※ 당사의 접지시설은 PLATE & DRIVEN ROD 형태로 시공하고 있으며, 접지저항은 울진의 경우 전기접지 1.6Ω, 통신접지 2.1Ω 으로 시공되어 있다.
2) 단독접지와 공통접지의 비교
※ 검토사항 1. 위 각각의 접지SYSYTEM이 전기기기 및 통신장비에 미치는 영향은 증명되지 않은 상태 임. - 개별접지는 단순히 접지저항을 저감시키는데 목표를 두고 있지만 IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers, 전기전자 기술자 협회) 나 IEC(Internatoinal Electrotechnical Commission, 국제전기 표준회의)의 GUIDE는 전위차를 경감시켜 안전에 초점을 두고 있으며, 2. 일반적인 통합 접지형태의 경우 등전위 효과를 고려하여 2Ω이하로 설계하고 있음. 보통 1종 접지 10Ω이하가 원칙이지만 통신의 경우 NOISE문제를 고려하여 5Ω이하로 설계하고 있으며, 별도의 기기접지를 하고 있음.
3) 설계상의 최적의 접지저항 산출 및 계산 식 1) 설계시 검토사항 - 건물의 용도 및 형태에 대한 이해 - 주 사용목적 및 시설 장비에 대한 이해 - 시설 지역의 특성에 대한 이해 - 접지SYSTEM 및 접지저항의 목표치에 대한 이해 - 접지도선의 굵기 및 접지방식
2) 전극별 접지저항의 계산 식 - 접지봉의 계산 식 R = (ρ/2πl)ln(2l/r) R = (ρ/2πl)ln(4l/r)-1 ρ : 대지 저항율 l : 접지 전극의 길이 r : 접지전극의 반지름 - 접지동판의 계산 식 R = (0.1×ρ×K1)/b ρ : 대지 저항율 K1 : McCrocklim의 계수 b : 접지전극의 치수 R = ρ/2√(π/a×b) ρ : 대지 저항율 a,b: 접지전극의 치수(가로×세로)
4. 접지재료 설비 기기에서 대지까지의 전기적 회로를 구성하기 위한 접지선과 접지극을 필요로 한다. 이때 접지선은 전류의 용량, 접지선과 접지전극간의 접속 신뢰성, 내 부식성, JOULE열 등과 관계되므로 신중히 검토되어야 한다. 1) 접지선로의 굵기 계산 - 접지선로의 굵기 계산 : IEEE Std 80자료 A = I√[{(tC αr ρr ×104)}/TCAP]/ln{1+(Tm - Ta)/(Ko + Ta) 여기서 I : 접지선에 흐르는 전류 (kA) A : 접지선의 단면적 (㎟) Tm : 최대 허용 온도 (℃) Ta : 주위 온도 (℃) Tr : 물리정수의 기준 온도 (℃) αO : 0 ℃때 도체의 열 저항율 ρr : Tr일때의 도체의 열 저항율(μΩ/㎤ ) Ko : 1/αO tC : 통전시간 [S] TCAP : 열 용량 계수[ J/㎤C ]
※ 접지 재료의 물리정수
- - 접지선로의 굵기 계산 예 A = I√[{(tC αr ρr ×104)}/TCAP]/ln{1+(Tm - Ta)/(Ko + Ta) 여기서 I : 14.340 (kA) Tm : 600 (℃) Ta : 30 (℃) αO : 0.00393 ρr : 1.7241(μΩ/㎤ ) Ko : 234 tC : 2 [S] TCAP : 3.422[ J/㎤C ] A = 14.340√[{(2 0.00393 1.7241 ×104)}/3.422]/ln{1+(600 - 30)/(234 + 30) = 14.340√(135.51426/3.422)/ln3.159091 = 84.13933 ㎟ 따라서 100㎟ 이상의 연(나)동선 사용하여야 한다.
5. 접지설비 설계 시 고려 사항 접지설계는 접지 목적을 명확히 하여 설계할 필요가 있다. 즉 시공면적, 시공위치의 지질특성, 시공위치의 외부 환경, 접지방식 및 공법, 접지 목적,(감전방지용, NOISE방지용) 접지전극의 재료(접지 봉, MASH, PLATE등)을 고려해야 한다.
< 접지SYSTEM 설계 기본 > 1) 기준 접지저항의 설정 - 전기, 통신, 피뢰 접지 등 2) 접지 망 구성방법의 선정 - 공통접지, 단독접지 3) 접지공법의 선정 - 접지 봉, MASH. PLATE등 4) 접지SYSTEM의 구성 - 접지전극 결정 - 접지저항 계산 - 접지선 굵기 선정
※ 전기에서의 NEUTRAL LINE 과 EARTH LINE의 차이
1. 용어의 정의 - NEUTRAL LINE : 단상 3선식의 경우나 3상교류 계통에서 변압기를 Y결선하는 경우 중성점에서 접속되어 인출되는 전선. - EARTH LINE : 대지의 접지극(대지, 大地)과 연결되는 전선.
2. 사용 예 - NEUTRAL LINE : 전기공급 방식에서 3상4선식, 단상 2선식 등에서 접지선과 달리 전기회로를 구성하여 부하에 전류를 공급 함. 380V/220V 3상 4선식의 경우 R-S, S-T, T-R등 상선에서 380V의 전압을 R-N, S-N, T-N 의 결선으로 220V의 전압을 얻는다. 즉 배전 계통에서 일반 상선 사이의 선간 전압 이외에 상선(R, S, T LINE)과 중성선(N) 사이의 전압 상전압의 이용이 가능하다. - EARTH LINE : 부하에 전류를 공급하지 않고 대지와 등전위를 목적으로 하고 있으며, 정상적인 전기회로 이외의 누설(漏泄)전류 등을 대지로 귀로(歸路) 시켜 인축(人畜)을 전격(電擊)으로부터 보호하기 위함.
3. 차이점 - NEUTRAL LINE : 전기회로의 일부로 전기회로를 구성하며 상시전류가 흐르는 상태. 즉 통전(通電)상태를 유지하게 됨. - 중성선은 내선규정에서는 전압선으로 분류되어 있음. - 중성선에는 상전류의 20%이상의 전류가 흐르지 않도록 하고 있다고 하지만 이는 불평형 정류만을 고려한 값이며 비선형 부하(정류기, INVERTER, UPS, COMPUTER, MONITOR 등) 나 전기로, 용접기 등 고조파를 발생하는 부하가 있을 경우는 다름. - 이 경우 √(불평형 전류)2 + (상 고조파 전류합성)2 에 해당하는 전류가 중성선에 흐르게 됨. - 상 고조파 전류합성 이란 정상과 역상고조파는 벡터 합이고, 영상고조파는 스칼라의 합을 의미 함. - EARTH LINE : 지중의 접지극(대지)과 등전위를 만들거나 이상전압을 대지로 방전하는 등의 기능을 수행하며 정상 상태에서는 전류가 흐르지 않는 상태를 유지 함.
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