접지

접지는 '땅(대지)을 거대한 0V 기준 도체로 삼아 전기설비의 한 점을 거기에 묶는 일'이다. 목적은 크게 네 가지다.

첫째, 감전보호(보호접지). 기기 내부 절연이 망가져 전압이 금속 외함에 새어 나오면(지락), 외함이 충전되어 사람이 만지면 감전된다. 외함을 접지해 두면 고장전류가 사람 몸이 아니라 접지선을 통해 대지로 흘러 보호장치(누전차단기·과전류차단기)를 동작시켜 회로를 끊는다. 즉 접지의 1차 목적은 '대지로 흘리는 것' 자체가 아니라 '차단기를 확실히 떨어뜨리는 것'이다.

둘째, 기기보호. 고장전류·이상전압이 기기 절연에 가하는 부담을 줄여 절연 파괴를 막는다.

셋째, 계통안정(계통접지·기능접지). 변압기 중성점 등 계통의 한 점을 접지해 대지를 기준 전위로 고정함으로써, 평상시 상전압·중성점 전위를 안정시키고 1선 지락 시 건전상 전위상승을 억제한다.

넷째, 뇌서지·이상전압 방전. 낙뢰나 개폐서지가 침입했을 때 피뢰기·SPD(서지보호장치)가 그 에너지를 대지로 방류하도록 한다. 피뢰기는 접지가 제대로 되어 있어야 비로소 제 기능을 한다.

이 네 목적은 서로 얽혀 있고, 현대 KEC는 여기에 '등전위본딩으로 접촉전압을 없애는' 개념을 더해 감전보호를 완성한다.

계통접지방식은 '전원(변압기) 측 접지'와 '설비(기기 외함) 측 접지'를 어떻게 연결하느냐로 나뉜다. 앞글자는 전원 측 대지 관계(T=직접접지, I=비접지/임피던스접지), 뒷글자는 노출도전부(외함)의 접지 관계(T=독립 대지접지, N=전원 중성점에 연결)를 뜻한다.

TN 계통: 전원 중성점을 접지하고, 기기 외함을 보호도체(PE)로 그 중성점에 전기적으로 연결한다. 지락 시 고장전류가 금속 도체 경로(PE)로 크게 흘러 과전류차단기가 빠르게 떨어진다. 세부적으로 ① TN-S는 중성선(N)과 보호도체(PE)를 전 구간 분리, ② TN-C는 한 도체가 N과 PE를 겸용(PEN), ③ TN-C-S는 전원 측은 PEN(TN-C)으로 오다가 수용가 내부에서 N과 PE로 분리(TN-S)하는 혼합 방식이다. 우리나라 저압 인입에서 가장 흔한 형태가 TN-C-S다.

TT 계통: 전원 중성점은 접지하되, 기기 외함은 전원과 무관한 별도 접지극으로 대지에 접지한다. 지락전류 경로가 '대지'를 거치므로 임피던스가 커 고장전류가 작다. 따라서 TT에서는 과전류차단기만으로는 차단이 어렵고 누전차단기(RCD/ELCB) 설치가 사실상 필수다. 전통적으로 국내 수용가에 많았던 형태다.

IT 계통: 전원을 비접지하거나 고임피던스로 접지하고, 외함은 따로 접지한다. 1선 지락이 나도 계통이 즉시 정지하지 않아(연속성 우선) 병원·공장 등 무정전이 중요한 곳에 쓰며, 절연감시장치로 1차 고장을 감지한다.

핵심: 어느 방식이든 '저압 고장 시 규정 시간 내 자동차단'이 보장되도록 보호도체·접지저항을 설계하는 것이 KEC의 원칙이다.

이 부분이 현장 혼선의 핵심이다. 2021년 1월 KEC 전면 시행 전까지는 '종별접지'를 썼다. 옛 판단기준상 ① 제1종접지 10Ω 이하(고압·특고압 기기 외함), ② 제2종접지(변압기 고저압 혼촉방지, 150/1선지락전류 등으로 산정), ③ 제3종접지 100Ω 이하(400V 미만 저압 기기 외함), ④ 특별제3종접지 10Ω 이하(400V 이상 저압 기기 외함)로 고정값이 정해져 있었다.

그러나 KEC 시행으로 이 '종별접지' 구분과 100Ω/10Ω 같은 고정 저항값 규정은 폐지됐다. 현행 KEC는 종별로 숫자를 못 박는 대신, 채택한 계통접지방식(TN/TT/IT)에서 고장 시 '자동차단 조건'이 충족되도록 보호도체와 접지저항을 설계하라고 요구한다. 즉 접지저항은 '몇 Ω 이하'가 절대 목표가 아니라, 고장전류가 보호장치를 정해진 시간 안에 동작시킬 만큼 충분히 흐르게 하는 값이어야 한다.

저압의 자동차단 시간 기준(KEC 보호 규정)은 대략 ① TN 계통 일반회로 0.4초 이내(공칭 220V 기준), 배전선로·고정설비 등은 5초 이내 ② TT 계통은 더 짧은 시간(예: 0.2초급) 또는 누전차단기로 보호한다. 정확한 값은 계통전압·회로종류에 따라 표로 규정되므로 실제 설계 시 KEC 해당 조항을 확인해야 한다.

실무 주의: 100Ω/10Ω 값은 더 이상 현행 기준이 아니다. 다만 2021년 이전 시공된 기존 설비 점검·옛 도면(E1/E2/E3, 특3종 표기) 해석에는 여전히 등장하므로, '옛 값으로 시공된 설비를 현행 관점으로 재해석'하는 능력이 필요하다.

접지선(보호도체, PE)은 평소에는 전류가 거의 흐르지 않는다. 그런데도 일반 전선보다 굵게 만드는 이유는, 지락·고장 순간에 매우 큰 고장전류가 짧은 시간 흐르고, 이 전류를 보호장치가 동작해 끊을 때까지 도체가 녹지 않고 견뎌야 하기 때문이다. 단순한 '안전여유'가 아니라 고장전류 내량(열적 등가) 기준이다.

KEC의 보호도체 단면적 산정에는 두 가지 방법이 있다. ① 상도체 단면적에 연동하는 표(선택표): 상도체가 16㎟ 이하이면 보호도체도 상도체와 동일 단면적, 상도체가 16㎟ 초과 35㎟ 이하이면 보호도체는 16㎟, 상도체가 35㎟ 초과이면 보호도체는 상도체의 1/2 이상으로 한다(동일 재질 기준). ② 계산식(열적 등가): S = √(I²·t)/k 로 산정한다. 여기서 I는 고장전류(A), t는 차단시간(s), k는 도체·절연 재질에 따른 계수다. 두 방법 중 하나로 산정하되, 별도 보호도체의 최소 단면적은 기계적 보호가 있으면 구리 2.5㎟, 없으면 4㎟ 이상이어야 한다.

PEN 도체(중성선 N과 보호도체 PE를 한 도체로 겸용)는 TN-C 구간에서만 허용되며, 단면적은 구리 10㎟ 또는 알루미늄 16㎟ 이상이어야 한다. 또 보호도체에는 보통 보호도체와 같은 굵기를 요구하는 등전위본딩 도체 규정도 별도로 있다.

허용온도 측면에서도 보호도체는 절연 종류에 따라 단시간(고장지속시간) 동안 더 높은 온도까지 견디도록 k값으로 반영해 설계한다.

변압기 2차(또는 발전기) 중성점을 접지하는 이유는, 불평형이나 1선 지락이 생겼을 때 중성점이 대지로부터 떠오르는(부동, floating) 현상을 막아 전위를 대지에 붙잡아 두기 위함이다. 중성점이 떠버리면 건전상(고장나지 않은 상)의 대지 전압이 크게 상승해 기기 절연에 큰 부담을 주고, 지락전류가 작아 보호계전기가 고장을 못 잡는다. 중성점을 접지하면 ① 건전상 전위상승 억제 → 기기 절연부담 경감, ② 지락전류 확보 → 보호계전기·차단기 확실 동작, ③ 이상전압(아크지락 등) 억제 효과를 얻는다.

접지 정도에 따라 방식이 나뉜다. ① 직접접지: 중성점을 임피던스 없이 대지에 직결. 지락전류가 크고 건전상 전위상승이 가장 작아(상전압의 약 1.3배 이하) 절연을 낮출 수 있다(절연저감). 154kV·345kV 등 초고압에 사용. ② 유효접지: 1선 지락 시 건전상 대지전압이 상규 대지전압의 1.3배를 넘지 않게 관리하는 직접접지의 한 범주. ③ 저항접지(NGR, 중성점접지저항기): 중성점과 대지 사이에 저항을 넣어 지락전류 크기를 적정 범위로 제한. 22.9kV 배전, 발전기 등에서 지락전류·기기 손상을 줄이는 데 사용. ④ 비접지: 중성점을 접지하지 않음. 1선 지락이 나도 계통운전이 가능하나 건전상 전위가 선간전압 수준(√3배 부근)까지 상승하므로 절연부담이 크다. 소규모 6.6kV 등에 사용.

안전 주의: 중성점 접지선은 정상 시에도 계통 안정을 붙잡고 있는 도체다. 활선 중 함부로 분리하면 전위차가 발생해 감전·아크 위험이 있으므로, 한전 N상이나 중성점 접지는 활선에서 절대 분리하지 않는다.

[측정] 표준 측정법은 접지저항계를 이용한 전위강하법(3점법)이다. 측정 대상 접지극(E)과 두 개의 보조전극, 즉 전류극(C)과 전압극(P)을 일직선으로 충분히 이격해 박고, 전압극을 옮겨가며 전위강하 곡선의 평탄부(보통 E~C 거리의 약 61.8% 지점) 값을 읽는다. 보조극을 박을 수 없는 옥상·도심·포장지역에서는 ① 2점법(이미 저저항인 기준접지나 한전 중성선을 한 극으로 이용), ② 클램프(후크)식을 쓴다. 단, 클램프식은 측정 전류가 흐를 폐회로(병렬 접지경로)가 있어야만 측정되므로, 단독 피뢰침접지처럼 회로가 닫히지 않으면 측정이 되지 않는다. 이 점을 먼저 확인해야 헛수고를 피한다.

[저감] 접지저항이 규정값에 안 나올 때는 ① 접지극 추가(병렬)·연접·다본수 접지봉, ② 심타(깊게 타입)·깊은 우물접지, ③ 메시·판상(板狀) 접지로 접촉면적 확대, ④ 접지저감제(도전성 자재) 사용, ⑤ 습윤·도전성 토양 선정 등을 쓴다. 자갈·건조 토양은 대지저항률이 높아 불리하다. '피복을 벗겨 그냥 묻는' 식 임시방편은 부식·열화로 비권장이다. 여러 접지를 본딩해 합성저항을 낮추는 공통·통합접지도 정식 저감 수단이다.

[단독·공통·통합접지] ① 단독접지는 설비마다 접지극을 따로 두는 방식, ② 공통접지는 같은 전압계통 설비들을 하나의 접지극에 묶는 방식, ③ 통합접지는 전기·통신·피뢰 등 모든 접지를 하나로 본딩해 건물 전체를 등전위로 만드는 방식이다. KEC는 등전위 확보가 쉬운 공통·통합접지를 권장하되, 서지가 한 접지를 타고 다른 계통 약전기기로 침입해 손상시키는 것을 막기 위해 통합접지에는 SPD(서지보호장치) 설치를 요구한다.

[등전위본딩] 접지가 '대지로 전류를 흘려보내는 것'이라면, 등전위본딩은 '사람이 동시에 만질 수 있는 금속체들의 전위를 같게 만들어 접촉전압(전위차)을 없애는 것'이다. 수도·가스 배관, 철골, 보호도체 등을 주접지단자에 묶는 보호본딩과, 욕실 등 위험장소의 국부 보조(추가)본딩이 있다. 접지저항이 다소 높아도 등전위가 잘 잡히면 두 금속체 사이 전위차가 거의 0이 되어 감전위험이 크게 줄어든다. 그래서 현대 KEC는 등전위본딩을 감전보호의 핵심 수단으로 본다. 참고로 접지전류가 대지로 퍼질 때 지면을 따라 생기는 전위차를 사람이 두 발로 밟으면 보폭전압, 기기와 발 사이로 걸리면 접촉전압이 되는데, 등전위본딩과 적정 접지설계로 이 두 전압을 안전한도 이하로 관리한다.