A Study on How to Lower the Grounding Impedance by Needles-typed Grounding Rods

접지침봉에 의한 접지임피던스를 낮추는 방안 연구

Abstract

Purpose: One of the methods for preventing disasters such as fire, explosion, and electric shock caused by electricity is to perform grounding. In case of the grounding current includes a frequency component having a high, it is preferable to measure grounding impedance rather than grounding resistance. This study proposes countermeasures to reduce grounding impedance to suppress an ground potential rise due to a grounding current having a frequency component of several kHz or more. Method: General grounding rods and needles-typed grounding rods were buried in the ground, and grounding resistance and grounding impedance were measured, respectively. The characteristics of grounding impedance according to frequency were identified. Result: There was little difference in the measurement results of the grounding resistance between general grounding rods and needles-typed grounding rods. In a frequency range lower than 62.5kHz, there was little difference in the measurement results of the grounding resistance between general grounding rods and needles-typed grounding rods. In a frequency range higher than 62.5kHz, the grounding impedance of needles-typed grounding rods was reduced by about 15% than the grounding impedance of general grounding rods. Conclusion: In the commercial frequency domain, it is effective to connect several grounding rods (common grounding) to lower the grounding resistance value. In the frequency domain of several kHz or more, it is expected that needles-typed grounding rods can effectively reduce the ground potential rise due to the grounding current.

연구목적: 전기로 인한 화재·폭발·감전 등의 재해를 예방하기 위한 방법 중의 하나가 접지를 시행하는 것이다. 접지전류가 높은 주파수 성분을 포함하는 경우에는 접지저항보다는 접지임피던스를 측정하는 것이 바람직하다. 본 연구에서는 수 kHz 이상의 주파수 성분을 가지는 접지전류에 의한 대지전위상승을 억제하기 위한 접지임피던스를 줄이는 방안을 제시하고자 한다. 연구방법: 대지에 접지동봉과 접지침봉을 매설하여 각각 접지저항과 접지임피던스를 측정하였고, 주파수에 따른 접지임피던스의 특성을 파악하였다. 연구결과: 접지동봉과 접지침봉의 접지저항 측정 결과는 거의 차이가 없었다. 62.5kHz 보다 낮은 주파수 영역에서는 접지동봉이나 접지침봉의 접지임피던스 측정 결과는 거의 차이가 없었으며, 62.5kHz 보다 높은 주파수 영역에서는 접지침봉의 접지임피던스가 접지동봉의 접지임피던스보다 약 15% 정도의 저감효과가 있었다. 결론: 상용주파수 영역에서 접지저항 값을 낮추기 위하여 다수의 접지극을 공통으로 접지하는 것이 효과적이고, 접지임피던스가 낮은 접지침봉을 설치하는 경우 수 kHz 이상의 주파수 성분을 가지는 접지전류에 의한 대지전위상승을 효과적으로 억제할 수 있을 것으로 보인다.

서론

전기로 인한 화재·폭발·감전 등의 재해를 방지하기 위한 방법 중의 하나가 접지를 시행하는 것이다. 접지를 시행함으로써 자연재난에 해당하는 낙뢰로 인한 재해를 방지하고, 사회재난에 해당하는 전기로 인한 화재·폭발·감전 등의 재해를 방지할 수 있다(Framework Act on the Management of Disasters and Safety, 2020). 이러한 전기로 인한 재해를 방지하는 방법 중의 하나인 접지 상태가 양호한지 또는 그렇지 않은지를 평가하기 위하여 접지저항을 측정하고 있다. 그러나 접지저항 측정은 상용전원의 접지전류가 흐를 때 적용하고 있으며, 뇌서지전류(lightning surge current)나 개폐서지전류(switching surge current) 등과 같이 높은 주파수 성분을 포함하는 경우에는 접지저항을 측정하여 적용하는 것이 바람직하지 않다.

뇌서지전류나 개폐서지전류 등과 같이 높은 주파수 성분을 포함하는 경우에는 접지를 통한 방출이나 유입, 선로를 통한 전달, 투과, 반사에 있어서 R, L, C를 포함하는 임피던스 차원의 고려가 필요하다. 즉, 서지(surge)에 대한 보호는 단순히 정상 상태의 접지저항 값을 낮추는 것만으로는 효과를 볼 수가 없다. 임피던스 차원의 고려는 이미 오래전부터 많은 연구가 이루어지고 있으나, 아직도 정상상태의 접지저항 값을 줄이는데 큰 관심을 가질 뿐 접지임피던스에 관한 관심은 부족하다. 특히 뇌서지에 대한 시스템의 보호는 접지임피던스 차원에서 검토되어야 접지전극의 대지전위상승을 효과적으로 억제할 수 있다. 접지시스템이 소규모이거나 시설하는 장소의 대지저항률이 큰 경우에 접지임피던스는 저항 성분이 큰 값을 가지므로, 접지저항 측정값이 접지임피던스 측정값과 거의 동일하다. 하지만 접지시스템의 규모가 크거나 접지저항이 대단히 작아서 상대적으로 리액턴스 성분이 큰 값을 가질 때는 단순한 접지저항으로 접지시스템의 성능을 평가하는 것은 정확성이 떨어진다. 접지전류가 뇌서지와 같이 빠른 상승시간을 가지는 높은 주파수 성분을 포함하는 경우에는 접지저항보다는 접지임피던스를 측정하여 접지시스템의 리액턴스 성분을 분석한 후 성능평가의 지표로 삼는 것이 바람직하다.

일반적인 상용주파수 개념에서 보면 전류의 도통을 방해하는 요소로 저항만을 검토하게 되는데, 접지 측면에서는 이것을 접지저항이라고 한다. 궁극적으로 접지저항은 DC성분을 기준으로 한 것이며, 주파수적 개념이 없는 통상적인 것으로 종래에는 산업발달의 미온적 상태에서 크게 문제가 되지는 않았다. 그러나 정보통신 산업의 발달과 건물의 초고층화･복잡화로 인한, 차단기의 차단동작, 낙뢰전류 유입 등의 과도현상에 의한 고장전류 관점에서 검토하면 주파수는 상용주파수 개념을 벗어나게 되고 대부분 고주파 전류가 발생한다. 고주파수의 경우 리액턴스 성분을 검토해야 하고, 접지의 측면에서는 ‘접지임피던스’ 개념을 도입해야 한다. 접지임피던스는 주파수의 개념을 포함한 교류적 상태를 기준으로 한 것으로 과도적 상태를 쉽게 이해할 수 있다.

따라서, 본 논문에서는 접지침봉(Needles-Typed Grounding Rods)으로 접지임피던스를 낮추는 방안을 제시하여 성능 면에서나 경제적인 면에서 가장 우수한 접지를 설계할 수 있도록 이바지하고자 한다.

실험방법

접지극

본 논문에서는 산업현장에서 접지극으로 많이 사용하고 있는 접지동봉과 접지침봉을 대상으로 실험하였다. 접지동봉은 Fig. 1과 Fig. 2와 같이 동피막을 한 접지봉으로 길이가 1,800mm이고, 직경이 16mm인 접지봉을 일부 절단하여 그 길이를 접지침봉과 같은 1,500mm로 맞추었다. 반면에 접지침봉(Needles-typed grounding rods)은 Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3과 같이 길이가 1,500mm이고, 직경이 14mm이며, 4개의 침을 4방향의 방사형으로 100mm 간격으로 14개소에 부착한 접지봉이다. 접지동봉과 접지침봉의 사진을 Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3에 나타내었고, 접지동봉과 접지침봉의 제원을 Table 1에 나타내었다.

Fig. 1. Grounding rods schematic diagram

Fig. 2. Needles-typed grounding rods (up) & general grounding rods (down)

Fig. 3. A magnified photograph of Needles-typed grounding rods

Table 1. Specification of Grounding Rods

접지저항 및 접지임피던스를 측정하기 위하여 경기도 하남시 소재 건설 현장의 대지에 접지동봉 및 접지침봉 4개를 1조로 하여 Fig. 4와 Fig. 5와 같이 4방향의 방사형으로 각각 매설하였다. 3.5m × 3.5m의 넓이로 터파기를 하였으며, 동결깊이를 고려하여 지면으로부터 1m 깊이에 접지동봉과 접지침봉을 각각 매설하였다.

Fig. 4. Excavation schematic diagram

Fig. 5. Excavation photographs

측정시스템 구성

대지저항률 측정에는 Chauvin Arnoux 社의 ｢C.A. 6470N TERCA 3｣를 사용하였고, 대지저항률은 52Ω·m로 측정·분석 되었다(Kim et al., 2019). 접지동봉과 접지침봉을 방사상(4방향, 수평)으로 각각 매설하였으므로, 예상되는 접지저항 값은 식 (1)에 따라 계산할 수 있다. 접지봉의 매설깊이가 1m, 접지봉의 길이는 1.5m이고, 접지동봉의 직경이 16mm, 접지침봉의 직경이 14mm이므로, 예상되는 접지저항 값은 식(1)에 따라 접지동봉은 11.73Ω, 접지침봉은 11.92Ω으로 약간의 차이가 있는 것으로 계산되었다. 접지저항 계산식에서 접지봉의 직경에 따라 예상되는 접지저항 값이 조금 달라짐을 알 수 있다(Lee et al, 1999).

\(\begin{aligned}R=\frac{\rho}{8 \pi l}\left\{\ln \frac{2 l}{a}+\ln \frac{l}{h}+2.912-2.142 \frac{h}{l}+2.58 \frac{h^{2}}{l^{2}}-2.32 \frac{h^{4}}{l^{4}} \cdots \cdots\right\}\end{aligned}\)       (1)

단, ρ : 대지저항률 [Ω·m]

l : 접지봉의 길이 [m]

α : 접지봉의 반경 [m]

h : 대지의 지표면으로부터 접지봉을 매설한 깊이 [m]

Fig. 6과 같이 측정시스템을 구성하고 IEEE Std. 81에 제시된 전위강하법으로 접지저항 및 접지임피던스를 측정하였다. 접지극 및 보조전극은 일직선 형태로 배치하였으며, 접지극(E극)-전류보조전극(C극)의 간격은 30m이고, 접지극(E극)-전류보조전극(C극) 사이의 61.8%인 지점에 전위보조전극(P극)을 위치시켰다. 접지저항 측정에는 Chauvin Arnoux 社의 ｢C.A. 6470N TERCA 3｣를 사용하였고, 접지임피던스 측정은 오은씨엔아이社의 ｢GIT-01V｣를 사용하였다. 3전극법 측정 방식으로 접지저항 및 접지임피던스를 측정하였다. ｢GIT-01V｣의 측정 주파수는 100Hz ~ 1MHz로 가변 시의 측정된 데이터를 확인할 수 있으며, 접지시스템의 저항성분, 리액턴스성분, 임피던스성분 측정을 통해 접지시스템의 정확한 상태 진단이 가능하다.

Fig. 6. Configuration of the measurement system

Table 2와 Table 3에 ｢C.A. 6470N TERCA 3｣와 ｢GIT-01V｣의 제원을 각각 나타내었다.

Table 2. Specifications of ｢C.A. 6470N TERCA 3｣

Table 3. Specifications of ｢GIT-01V｣

결과 및 고찰

접지저항 측정

일반적으로 접지저항은 100Hz 내외의 상용주파수 전류를 인가하여 측정하며, 고주파 영역에서는 접지임피던스로 측정한다. 접지저항과 접지임피던스는 접지극의 리액턴스 성분에 의한 영향이다. 단순히 저항성분으로 표시되는 것은 저주파로 리액턴스의 영향을 거의 받지 않기 때문이며, 고주파 즉, 낙뢰나 지락 등의 과도전류가 유입되는 경우에는 접지극의 리액턴스에 의한 전위상승, 도체 간의 유도전압 및 대지의 커패시턴스 등의 영향을 많이 받게 되어 접지임피던스로 측정된다. 이때 접지저항과 접지임피던스의 크기에 상당한 차이가 있어 주파수에 따라 전위상승이 달라진다. 따라서 접지의 성능은 저주파영역에서의 접지저항뿐만 아니라 수 kHz 이상의 고주파 영역에서의 접지임피던스도 평가해야 한다.

접지저항 측정은 각각의 접지봉을 매설한 직후부터 1개월간 4회에 걸쳐 측정하였으며, 그 측정결과를 Table 4에 나타내었고, 측정사진을 Fig. 7에 나타내었다. 접지봉을 매설한 직후 측정한 접지저항 값은 다소 높게 측정되었는데, 이는 접지봉과 토양과의 안정화가 되지 않은 상태인 것으로 판단된다. 접지침봉의 접지저항 값은 접지동봉의 접지저항 값 보다 다소 높게 측정되었으나 큰 차이를 보이지 않고 있으며, 식 (1)에 따라 예상한 접지저항 값과도 큰 차이를 보이지 않았다. 접지봉 매설 1개월 후에 측정한 접지저항 값은 접지동봉이 10.8Ω, 접지침봉은 11.4Ω, 접지동봉과 접지침봉을 접속하여 공통접지로 하여 측정한 접지저항 값은 6.70Ω으로 측정되었다.

Table 4. Measured values of grounding resistance

Fig. 7. Measurement photographs of grounding resistance

접지임피던스 측정

접지임피던스 측정은 매설한 접지봉이 토양 속에서 안정화가 되기를 기다린 후에 측정하였다. 접지봉을 매설한 지 약 1개월 후에 접지임피던스를 측정하였으며, 측정결과와 측정사진을 각각 Table 5와 Fig. 8에 나타내었다. 62.5kHz 보다 낮은 주파수 영역에서는 접지동봉이나 접지침봉 모두 주파수에 따른 접지임피던스 값에 있어서 전반적으로 차이가 없었으며, 62.5kHz 보다 높은 주파수 영역에서는 주파수가 높아질수록 접지임피던스 값도 함께증가하는 것을 알 수 있었다. 낮은 영역의 주파수에서 접지임피던스에 변화가 거의 없는 것은 용량성 리액턴스의 영향을 받은 것으로 판단되며, 높은 영역의 주파수에서 접지임피던스가 증가하는 것은 유도성 리액턴스의 영향을 받는 것으로 판단된다. 일반적으로 뇌서지(lightning surge) 또는 스위칭서지(switching surge) 등은 수 kHz ~ 수 MHz의 주파수 성분을 가진 것으로 알려져 있으며, 이는 증가하는 접지 임피던스로 인하여 전위상승을 초래할 수 있음을 의미한다. 따라서 수 kHz 이상의 주파수 영역에서는 접지임피던스가 낮으면 낮을수록 안전하다고 볼 수 있다.

Table 5. Measured values of grounding impedance

Fig. 8. Measurement photographs & curves of grounding impedance​​​​​​​

Fig. 9에서 62.5kHz 보다 낮은 주파수 영역에서는 접지동봉의 접지임피던스가 접지침봉의 접지임피던스와 비슷하거나 다소 낮게 측정되었으나, 62.5kHz 보다 높은 주파수 영역에서는 주파수가 증가할수록 접지동봉의 접지임피던스 상승률이 접지침봉의 상승률보다 크기 때문에 접지동봉의 접지임피던스가 더 큰 값으로 측정되었다. 즉, 62.5kHz 보다 높은 주파수 영역에서는 접지침봉의 접지임피던스 값이 접지동봉의 접지임피던스 값보다 약 15% 정도 저감효과가 있음을 알 수 있었으며, 주파수가 증가할수록 접지임피던스를 낮추는 효과가 더 좋다는 것을 알 수 있다.

Fig. 9. Curves of grounding impedance as a function of frequency​​​​​​​

또한, 접지동봉과 접지침봉을 접속하여 공통접지로 하여 측정한 접지임피던스는 저주파수 영역에서는 접지저항과 마찬가지로 접지임피던스를 줄이는 효과에 기여하고 있으나, 수십 kHz 이상의 고주파수 영역에서는 접지임피던스를 줄이는 효과가 거의 나타나지 않았다. 즉, 고주파수 영역에서는 접지동봉과 접지침봉을 접속하여 공통접지로 하더라도 접지침봉 단독의 접지임피던스 값과 큰 차이를 보이지 않았다. 이는 접지침봉과 다수의 접지동봉을 함께 접속하여 공통접지로 하더라도 접지임피던스를 낮출 수 있는 효과가 거의 없음을 의미한다. 따라서, 낮은 접지임피던스 값을 실현하고자 할 때는 접지극으로 접지침봉을 단독으로 사용해도 충분할 것으로 판단된다. 상용주파수 영역에서는 종래의 규정에 따라 접지저항 값을 낮추기 위하여 다수의 접지극을 접속하여 공통접지로 할 경우 상당한 효과가 있어 많이 적용하고 있으나, 접지임피던스의 경우 고주파수 영역에서는 여러 접지극을 접속하여 공통접지로 하더라도 접지임피던스를 낮추는 효과는 거의 없을 것으로 판단된다.

결론

본 논문에서는 길이가 같은 접지동봉 및 접지침봉 4개를 1조로 하여 4방향의 방사형으로 각각 매설하여 접지저항과 접지 임피던스를 측정하였다.

상용주파수 영역에 해당하는 접지저항은 접지동봉의 경우 10.8Ω, 접지침봉의 경우 11.4Ω으로 각각 측정되어 큰 차이가 없었으며, 접지동봉과 접지침봉을 접속하여(공통접지) 측정한 접지저항 값은 6.70Ω으로 측정되었다. 낮은 접지저항 값을 실현하고자 할 때는 다수의 접지전극을 접속하여 공통접지로 하면 접지저항 값을 낮추는 효과가 있음을 알 수 있었다.

반면에 접지임피던스 측정 결과는 62.5kHz 보다 낮은 주파수 영역에서는 접지동봉이나 접지침봉 모두 주파수에 따른 접지임피던스 값에 있어서 전반적으로 차이가 없었다. 62.5kHz 보다 높은 주파수 영역에서는 접지침봉의 접지임피던스 값이 접지동봉의 접지임피던스 값보다 약 15% 정도 낮게 측정되어 접지임피던스 값을 낮추는 효과가 있음을 알 수 있었으며, 주파수가 증가할수록 접지임피던스를 낮추는 효과가 더좋은 것으로 나타났다. 하지만, 접지동봉과 접지침봉을 공통접지로 하여 측정한 접지임피던스 값은 접지침봉 단독의 접지임피던스 값과 큰 차이를 보이지 않았으며, 이는 접지침봉을 단독으로 설치하여도 충분하다는 것을 의미한다.

본 논문에서는 상용주파수 영역에 해당하는 접지저항 값을 낮추기 위해서는 다수의 접지극을 공통으로 접지하는 것이 효과적이지만, 수 kHz 이상의 고주파 영역에서 접지임피던스 값을 낮추기 위해서는 접지침봉을 설치하는 것이 바람직하고, 접지동봉과 접지침봉을 접속하여 공통접지로 하더라도 접지침봉 단독으로 설치할 때의 접지임피던스 값과 거의 같음을 알 수 있었다.

따라서 접지극으로 접지침봉을 단독으로 설치하거나 접지침봉을 다른 접지극과 접속하여 공통접지로 할 때는 수 kHz ~ 수 MHz의 주파수 성분을 가진 뇌서지(lightning surge) 또는 스위칭서지(switching surge)가 접지극에 유입되더라도 접지임피던스를 낮춰 대지전위상승을 효과적으로 억제할 수 있을 것으로 보인다.