33년간 여러 프로젝트를 진행했지만 설계 위주로 하고 현장에서 시운전을 지원하는 일만 해서 실제로 접지 저항을 측정한다든지 하는 경험이 없습니다. 그런데 많은 분들이 접지 저항 측정 방법을 궁금해하시고 저도 얼마 전에 수행했던 컨설팅 업무에서 접지 단자대에 Test 용 접지극을 연결하려고 검토를 하면서 이에 대하여 정리할 필요가 생겨서 포스팅을 작성하게 되었습니다. 이 접지 저항 측정에 대한 고찰이 많은 분들에게 도움이 되기를 바랍니다.
먼저 접지 저항 측정법을 살펴보겠습니다. 모든 방법을 다 확인하지는 않고 일반적으로 많이 사용하는 방법에 대해서만 정리해 보겠습니다.
1. 3전극법 (전위 강하법 - Fall of Potential Method)
접지 전극 시스템이 설계되고 설치되면 일반적으로 전극과 대지 사이의 저항을 측정하고 확인하는 것이 필요합니다. 접지 전극의 저항을 측정하는 가장 일반적인 방법은 그림 1에 표시된 3전극법 측정 기술입니다.
이 방법은 대지 저항 측정에 사용되는 4전극법에서 파생된 것입니다.
3전극법, 즉 "전위 강하법 (fall of potential method)"이라고 불리는 방법은 측정할 접지극과 다른 전기적으로 독립된 시험 전극 2개(P(전위)와 C(전류)로 표시됨)로 구성됩니다. 이 시험 전극은 접지저항이 높아도 됩니다. 하지만 측정할 전극과 전기적으로 독립되어야 합니다.
3전극법 EEP 자료
교류(I)가 접지극에서 외부 전극 C로 흐르면, 내부 전극 P를 사용하여 접지극과 외부 전극 C 사이의 중간 지점에서 전압을 측정합니다. 여기서 P극의 위치는 E와 C극의 가운데 즉 50% 위치입니다.
2. 3전극법 (전위강하법, Fall of Potential Method)의 추가 사항
이 방법은 아주 일반적인 측정 방법이지만 작은 접지 시스템에 최적화된 방법입니다. 넓은 지역을 커버하지는 못합니다. 이 방법은 단순히 측정하고 결과를 얻는데 최소한의 계산만 수행합니다.
접지극과 P극, C극 사이의 간격이 충분해야 간섭되는 사항을 줄일 수 있습니다. IEEE 81-2012, 8.2.2.4에 따르면 가장 큰 접지전극 사이즈의 5배 이상의 거리를 확보하도록 하고 있습니다. 위의 접지저항계 카탈로그에는 10-20m 간격을 띄우라고 되어 있습니다. 좀 더 많이 띄우면 간섭이 줄어서 정밀도가 높아집니다.
IEEE 81 - 2012, 8.2.2.4에 따르면 아래 그림과 같이 전압 보조전극은 G와 CP의 가운데 쪽에 설치할 수도 있으나 그 반대쪽에 설치하는 것도 가능한 것으로 설명하고 있습니다. 물리적인 이유로 G와 CP 사이에 설치가 안 된다면 참고할 필요가 있습니다.
정확한 접지 저항의 측정을 위해서는 위 그림에서와 같이 접지 저항값이 수평이 되는 부위에 위치해야 합니다. 이를 위해서 아래의 그림같이 P1의 위치를 좌우로 10%씩 이동하여 두 번 더 접지 저항을 측정하여 그 결과가 센터 위치의 값과 차이가 크지 않으면 접지 저항 곡선의 수평 부위에 위치한 것으로 보고 3개의 값을 더하여 평균을 내면 보다 정확한 접지 저항값으로 볼 수 있습니다. 즉 3번 측정하여 그 값이 변화가 거의 없으면 합하여 평균을 산출하는 것입니다.
3. 3전극법 (전위 강하법)에서 파생된 62% Rule
위의 3전극법에서는 전압전극 PP의 위치가 50% 지점 (0.5d)로 표시되어 있습니다. 그런데 위에 설명한 3전극법에서 전압전극 (PP)의 위치를 전류전극 (CP) 거리의 62% 위치에 설치하는 것이 더 좋은 결과를 얻을 수 있습니다. 이는 이 위치가 전압전극이 접지극이나 전류전극의 영향을 최소로 받는 위치로 가장 정확한 접지저항을 측정할 수 있는 방법으로 IEEE 81-2012에서 제시하고 있습니다 (62% Rule). 이 방법은 중간 크기의 접지 시스템에서 적용이 되고 메시 접지극의 접지 저항을 측정하는데도 사용됩니다. 이 방법에서도 P 전극을 좌우로 10% 이동해서 3번의 측정을 하는 것은 유효합니다.
62% Rule은 아래의 식에서 나온 것으로 실제는 61.8%지만 IEEE 81에서도 62% Rule이라고 표현하고 있습니다. 참조 바랍니다.
접지극(E)과 전류전극 (C) 사이의 간격을 얼마로 해야 하는지에 대하여 자료를 찾아본 결과 다음의 자료에 잘 나와있습니다. 이 자료는 "Megger의 Getting Down to Earth"라는 자료에서 가져온 것입니다. IEEE 81에서 "Typically, this distance is at least five times the largest dimension of the ground electrode under test."라고 했는데 여기서 the largest dimension of the ground electrode에 대한 해석이 없어서 고민을 했습니다. Mesh ground의 경우 어떻게 계산하느냐의 문제가 있었습니다.
(메시 접지극의 접지 저항 테스트)
Megger 자료에서 설명하기를 “Maximum Dimension” figure by taking the diagonal distance across your electrode system area. For example, if the area measures 100 by 100 ft, the diagonal equals about 140 ft. From the table, you run down the first column to 140 and read across. P should be 365 ft from the electrode and C should be 590 ft." 즉 최대치는 접지극 시스템의 면적에서 대각선의 길이라고 합니다. 이렇게 정의가 확실하면 이해가 잘 되는데 이런 정의를 설명해 주는 자료를 찾기가 참 어렵습니다. 그래서 아래의 표에서 자기 접지 Mesh의 대각선 수치를 찾으면 얼마의 간격으로 보조 전극을 설치해야 하는지가 명확해집니다.
위 테이블에 따라서 전극을 설치한다면 전극 간격이 100미터를 훨씬 넘어가는 경우가 많이 발생합니다. 공장이나 변전소의 Mesh 접지의 대각선 길이가 50m라고 하면 접지극과 C 전극의 간격은 200m가 넘게 됩니다. 그럼 어디에 이 전극을 설치해야 할까요? 근처에 전극을 설치할 장소가 나올까요? 쉽지 않겠죠.
2년전에 소규모 화학공장을 설계해 주면서 Test 접지극을 미리 설치하여 접지함의 Test Terminal에 연결하는 것을 반영한 적이 있습니다. 실제로 이런 간격으로 보조 전극을 미리 설치하는 것도 쉽지 않았습니다. 내 공장의 접지함에 Test 전극이 있다면 어떤 방식으로 설치가 되었는지 한번 체크해 보시기 바랍니다.
국내의 전기안전공사의 "공통 통합 접지 검사업무 처리방법"에는 아래와 같은 방법이 제시되었습니다. 대형 메시 접지극의 경우 거리의 제약으로 인해서 위의 3전극법을 적용하기 어려운 경우에는 전압극과 전류극을 대칭으로 설치하는 방법을 사용할 수 있습니다.
4. 접지 저항계를 이용한 측정
1) 3전극법
아래 카탈로그 자료를 보면 3전극법은 낮은 접지저항을 측정하는 데 사용되고 이전의 국내 규정인 1종 접지까지 측정이 가능하도록 되어있습니다. 이 방법은 위에 설명한 3전극법 (전위강하법)을 사용하는 것인데 아래 카탈로그에서 보면 E와 C의 간격이 20m에 불과합니다. 즉 어느정도 간이 측정법인 것이죠. 접지봉 한 개의 접지 저항을 측정하는데 적용하는 간격입니다. 3번 항에서 접지봉 2m 짜리의 접지 저항 측정에 사용하는 간격입니다. 따라서 이런 방법으로 측정된 값은 변화량을 참고하는 수치로 이해해야 합니다. 3전극법으로 실제 정확한 접지 저항을 측정하려면 위의 3항에서 설명한 간격을 적용해야 합니다.
2) 2전극법
위의 접지 저항계를 이용한 측정에서 카탈로그에 나와있는 2전극법은 3종 접지의 저항값이 높은 경우에만 적용되는 것으로 나와있습니다. 접지 저항을 측정할 때 특별히 유의해야 할 사항은 지하에서의 접지극간 연결이 어떻게 되어 있는가입니다. 석유화학공장 같은 대규모 공장은 접지 메쉬를 통해서 모든 접지가 연결되어 있습니다. 이런 경우에 어느 두 지점 간에 접지 저항을 2전극법으로 측정했다면 잘못 측정했을 가능성이 아주 높습니다. 위의 카탈로그 그림에서 보듯이 두 전극은 반드시 5m 이상 떨어져 있어야 하며 전기적으로 분리되어 있어야 합니다. 이것을 생각하지 않고 사용하면 실제 접지 저항이 얼마인지 알 수가 없게 됩니다.
실제로 공장에서 이 방법을 사용하려면 한전의 22.9kV 다중접지망과 공장의 Mesh 접지망을 두 점으로 잡고 측정하면 정확하지는 않지만 그래도 접지 저항을 측정할 수 있습니다. 공장의 접지망과 한전의 다중접지는 확실히 분리되어 있고 적어도 5m 이상 떨어져 있는 것이 확실하기 때문입니다.
아래의 IEEE 81-2012, 8.2.2.1의 2전극법에 대한 설명에서 이 방법이 저저항 접지를 측정할 경우 오차가 많다고 설명하고 있습니다. 그래서 이 방법은 제한적으로 사용되어야 합니다. 공장에서 간편하다는 이유로 2전극법으로 측정하는 경우가 많은데 이는 접지 저항을 바르게 관리하고 있다고 할 수 없습니다.
IEEE 81-2012
3) 클램프 접지 저항계의 적용
그리고 간편하다는 이유로 아래와 같은 클램프 접지저항계를 사용하는 경우가 많은데 이 접지저항계는 아래 그림에서 표현했듯이 다중접지의 접지저항에만 적용하는 것입니다. 다른 일반 접지 저항 측정에는 사용할 수 없습니다.
아래 그림에서 보이는 것처럼 하나의 중성선이 여러 곳에서 다중 접지되었을 경우에만 클램프를 이용해서 전압을 주입하고 전류를 측정해 최종적으로 접지 저항을 측정하게 됩니다. 그런데 공장 내에서 이 클램프를 사용하면 내부의 모든 접지가 지하에서 연결되어 있으면 의미가 없어집니다. 그 접지선의 저항을 측정하게 되는 것입니다. 다중 접지 회로는 국내에서 22.9kV 한전 라인에만 사용되고 일반적으로 사용이 안 됩니다. 그러므로 22.9kV 인입부를 접지했다면 한전의 다중접지선과 연계되어 접지 저항이 측정이 가능하겠지만 그 외에는 적용이 안된다는 점을 꼭 기억해야 합니다.
우리가 저압의 System 접지에서 보는 아래 그림의 TT 계통에서는 PE를 분리하여 PE와 N상 사이에 접지 저항계를 연결하면 2전극법으로 접지 저항을 측정할 수 있습니다.
그리고 아래 그림과 같은 TNS 나 TNC 계통에서는 접지극이 하나뿐이어서 접지저항 측정이 안됩니다.
실제 공장에서는 TNS라고 해도 각 기기의 외함을 별도로 대지에 접지를 하는데 이때에도 이 대지 접지가 사실상 중성점 계통 접지와 Mesh 접지선으로 다 연결이 되어 있어서 독립적인 접지극 역할을 하지 못합니다. 따라서 TN계통에서는 이런 2전극법 접지 저항 측정이 안되다는 것을 이해할 수 있을 겁니다.
실제로 접지 저항을 측정하는 것은 기술적인 부분이 중요하다는 것을 기억해야 합니다. 여러 요소들이 영향을 주기 때문에 정확한 접지 저항을 측정하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 그래서 접지극을 다른 곳에 설치하는 등의 여러 방법으로 접지 저항을 측정하고 그것의 평균값을 산출하는 것이 합리적인 방법이란 것을 이해할 필요가 있습니다.
5. 결론
이 포스팅을 정리하는 데 3일이 걸렸습니다. 실제로 써보려고 하니까 정보가 제한적입니다. 이유와 정의가 명확하지 않아서 차료를 찾는데 시간이 많이 소요되었습니다. 이렇게 정리하고 보니까 접지 저항을 측정한다는 것이 쉽지 않다는 것을 더욱 느낍니다. 현장의 제한된 여건 속에서 접지 저항을 측정하고 관리하는 분들이 참 어렵겠다는 생각이 들었습니다. 전에 설계할 때는 실제로 접지 저항을 어떻게 측정할지 생각하지도 않고 그냥 Test Well만 설치하면 되겠지 생각했었습니다. 그렇게 설계 때 접지 저항 측정에 대해서 전혀 고려하지 않으니까 실제로 정확한 측정이 어려울 수밖에 없다는 것을 느꼈습니다.
1) 공장이나 시설을 설계할 때 접지 저항을 측정할 보조 전극을 미리 특정한 위치에 매설해서 접지함의 Test 단자에 연결해 주면 좋겠다고 생각했습니다.
2) 요즘 공통접지, 통합접지를 하는 경우에는 클램프를 사용한 접지 저항 측정은 의미가 없다고 생각합니다.
3) 2전극법이 간단해서 좋기는 한데 실제로 정확한 접지 저항값을 측정할 수 있을지 의문이 듭니다. 히오키 접지 저항계에서도 2전극법은 3종접지 (100ohm)의 측정에 사용한다고 했는데 지금은 3종 접지도 없어졌기 때문에 효용성이 없다고 봅니다.
4) 간이 3전극법은 P전극이 50% 위치에 설치하고 E 와 C 간격을 10 - 20m로 해서 측정하는 것인데 이 정도면 어느 정도의 정확성을 확보할 수 있다고 생각됩니다. 그런데 실제로 이렇게 간이 접지봉을 설치하여 저항을 측정하시는지는 의문입니다.
5) 접지 저항은 그냥 접지 저항계를 아무 곳이나 연결한다고 측정되는 값이 아닙니다. 현장의 접지 시스템이 어떻게 구성되었는지를 이해하고 접지 저항 측정법을 숙지한 다음 정확히 측정해야 합니다.
플랜트의 경우에는 면적도 넓고 공간도 여유가 있어서 접지 저항을 측정하는 것이 크게 어렵지는 않은데 빌딩이나 아파트 등에서는 실제로 접지 저항을 측정하는 것이 상당히 어려운 것을 보게 됩니다. 그러다 보니 간이 측정이나 편법 측정이 동원되는 것 같습니다. 그러나 실제로 현업에서 일하시는 엔지니어분들은 이 포스팅을 보시고 정확한 측정 방법을 이해하고 현재 본인이 측정하는 것이 어떤 값인지 또 어떤 용도로 사용해야 하는지를 잘 알고 수행하시기를 바랍니다.
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