공통접지와 독립접지

 

 

접지의 구성 방식

 접지 구성 방식이란?

접지를 필요로 하는 여러 장비나 설비의 접지를 공통으로 하느냐 독립으로 하느냐 하는  “공통접지 혹은 독립접지”의 문제는 완전한 해답이 해결되지 않고 있으며, 외국에서도 이 문제에 대한 많은 문헌이 발표되고 있고 계속해서 연구되고 있다.

그 동안 국내에서는 대부분 독립접지를 시공하여 왔지만, 접지의 세계적인 추세는 공통접지 방식이며, 국내에서도 공통접지를 시공하는 추세이다.

통신시스템이나 전산시스템, 제어 기기나 의료 설비 그리고 전기나 전력 설비들은 각각의 장비가 갖는 운용 사양이나 사용 전압이 다르기 때문에 공통접지나 독립접지가 모두 장단점을 지니게 된다. 하지만 도시지역에서 접지시공 면적은 제한되어 있고, 빌딩들은 고층 대형화됨에 따라 안정된 접지시공이 점점 어려워지고 있다. 따라서 접지 방식을 구성할 때 공사현장의 여건, 장비의 사양 및 사용 전압등과 같은 특성들을 고려하여 장비나 설비 보호를 위한 최적의 접지 방식을 구성하여야 한다.

 

1. 빌딩에서의 접지의 다양화

최근 공간의 효율적 이용을 위해 여러 목적에 쓰이는 소위 다목적 빌딩이 많아지고 있으며, 하나의 빌딩에 점포, 사무실, 전자계산기실, 식당, 병원 등이 있는가 하면 심지어 공장까지 있는 경우도 있다.

이러한 빌딩 내에는 각지각색의 전기설비기기가 설치되어 있으며, 이들 기기는 반드시 접지를 해야 한다.

 

(1) 접지의 현상

접지에는 앞에서 설명한 목적에 따라 여러 가지가 있고, 이들 각각에 대해 빌딩 부지에 포설되어 있고, 대형 빌딩인 경우 접지전극의 수도 많아진다.

한정된 부지에 시공되어 있는 접지가 과연 독립접지라고 말할 수 있을까에 항상 의문이 생기는 문제이다. 빌딩내의 테넌트는 여러 가지의 전기설비 기기가 도입되어 있고, 접지를 필요로 하는 주요설비기기의 대부분은 기기접지(프레임 접지)를 필요로 하고 있다. 이 외에 피뢰침, 배전계통의 제2종 접지 등이 있다.

뇌에는 피뢰침 설비의 접지, 뇌 서지(surge)등이 이상전압이 옥내에 침입하는 것을 방지하기 위하여 피뢰기를 설치하는데 이 접지가 문제가 되고 있다. 가공배전계통에서는 피뢰용 가공지선이 광범위하게 시설되므로 제2종 접지와 공용으로 하느냐, 독립으로 하느냐가 중요한 문제이다.

이 밖에 피뢰침, 배전계통의 제2종 접지 등이 있고 또한 요즈음은 전원설비에 큐피클이 많이 채용되고 있는데 큐피클의 피뢰기는 별도로 하고 제1종, 제2종, 제3종의 접지는 공통이며 여기서도 공통과 독립의 문제가 있는 것이다.

[그림 1] 빌딩 접지의 현상

 

빌딩의 각 층에는 [그림 1]처럼 접지를 해야 할 설비기기가 있는데 빌딩에서 공사준공 후에 접지공사를 한다는 것은 매우 곤란하며 더구나 도시의 밀집지역에서의 대형 빌딩, 고층빌딩 등의 접지개수공사는 거의 불가능하기 때문에 빌딩의 설계단계에서 접지에 관한 계획을 충분히 검토해야 한다.

 

(2) 접지 방식의 형태

하나의 빌딩 안이나 구내에 접지를 해야 할 설비기기가 여러 개 있는 경우의 접지방식으로는 4종류의 형태를 생각할 수 있다.

 

① 개개를 독립해서 접지한다.

② 독립적으로 접지한 접지선을 연접한다.

③ 공통으로 접지한다.

④ 건축구조체의 철골·철근 부분에 접지선을 연결한다.

 

이들 접지 형태를 두가지로 대별하면 ①은 독립접지, ②③④는 공통접지로 나눌 수 있다.

 

 

  공통접지(Common Grounding)  

공통접지는 여러 다른 시설인 통신시스템, 전기설비, 제어설비 및 피뢰설비와 같은 여러 설비를 하나의 접지전극을 구성하여 공통으로 접속하여 사용하는 접지방식이다.

즉, 하나의 건축물 부지 내에서 접지선 혹은 철골구조를 이용 각각의 접지전극을 연접하여 공통접지를 구성하고, 접지를 필요로 하는 모든 설비를 이 공통접지에 접속한다.

이러한 공통접지를 구성하는 방법은 접지전극을 연결하는 것 혹은 접지선을 모으는 것 그리고 건축의 철골구조체를 이용하여 연결하는 방법 등이 있다.

 

[그림 2]은 공통접지의 구성 방법들을 나타낸다.

 

[그림 2] 공통접지의구성방법

 

1. 공통접지의 특성

협소한 면적에 독립적으로 시공되어 있는 각각의 접지를 완전한 독립접지로 볼 수 있느냐 하는 의문과 대형빌딩 내에 설치된 여러 설비가 고정볼트나 혹은 인접도선에 의해 대부분 철골과 연결되어 있다고 볼 때 이미 공통접지가 구성되었다고 가정할 수 있으므로, 한정된 부지 내의 독립적으로 설치되는 여러 접지를 공통으로 묶어 하나의 양호한 접지로 사용한다는 측면에서 공통접지는 많은 장점들을 지니고 있다.

 

공통접지의 장점들은 다음과 같다.

 

① 접지선이 짧아지고 접지배선 및 구조가 단순하여져 보수 점검이 쉽다.

② 각 접지전극이 병렬로 연결되므로 합성저항을 낮추기가 쉽고, 건축의 철골구조체를 연결하여 접지성능을 향상시키고 보조효과를 높인다.

③ 여러 접지전극을 연결하므로 노이즈전류방전이 용이하다.

④ 여러 설비가 공통의 접지전극에 연결되므로 등전위가 구성되어 장비간의 전위차가 발생되지 않는다.

⑤ 시공 접지봉 수를 줄일 수 있어 접지공사비를 줄일 수 있다.

전원측 접지(제2종 접지)와 부하측 접지(제3종 접지)의 공통에 있어서는 지락보호, 부하기기에 대한 접촉전압의 관점에서 유리하다. 부하기기의 절연이 저하해서 지락사고가 발생한 경우 지락전류는 독립접지면 대지를 경유해서 전원에 되돌아가나 공통접지면 시종 금속회로를 지나서 전원에 되돌아간다.

공통접지가 되면 금속회로를 흐르는 전원이다. 따라서 금속회로로부터 전류경로의 임피던스가 낮아 큰 지락전류가 흐르는데 따라서 이 지락전류로 과전류보호기를 동작시킬 수 있는 가능성이 생긴다(즉, 과전류보호기로 지락보호를 할 수 있게 된다).

지락전류가 대지를 경유하지 않고 전원에 되돌아가는 것에는 또 하나의 장점이 있는데 그것은 절연이 저하한 부하기기의 금속제외함 등에 사람이 닿을 경우 인체에 큰 지락전류가 흐르지 않는다는 것이다. 그 만큼 안전하다는 것인데 이것은 인체-대지를 경유하는 회로의 임피던스가 금속회로보다 훨씬 크기 때문이며, 접지의 공통에 의한 일종의 바이패스 효과라 할 수 있다.

공용접지는 위와 같이 많은 장점이 있지만 단점도 있다. 모든 설비가 공통으로 연결되므로 접지전극의 성능악화나 손상으로 연결된 시설 모두가 손상을 받을 수도 있다. 따라서 처음 접지를 시공할 때 강한 내구성의 신뢰성 있는 접지를 시공해야 한다.

 

전위상승 파급의 위험에 대해서는 접지시스템의 접지저항이 매우 작은 경우는 거의 문제가 되지 않는다. 따라서 접지를 시공할 때 유입되는 서지전류나 전위상승 요인 등을 고려하여 보조적으로 건물의 철근, 철골구조체에 접속하거나 전위상승을 최대한 억제하는 접지배선을 시공할 필요가 있다.

 

2. 해외공통접지규정(IEEE, NEC 규정)

공통접지방식은 미국이나 유럽에서 권고하는 접지방식이다. 건물접지를 포함한 빌딩 내에 설치된 모든 설비를 하나의 접지전극에 연결할 것을 권고하고 있다.

[그림 3]은 IEEE, NEC에서 권고하고 있는 공통접지 구성방식으로 빌딩 내에 모든 시설물을 공통의 접지전극에 접속하는 것을 보여준다.

 

[그림 3] IEEE, NEC 규정의 공통접지 구성 방식

 

     

      [그림 4] NEC 250-81                          [그림 5] NEC 1999-192P(250-106)

 

공통접지에 관한 사항은 NEC(미국전기공사규정)의 제250절에 명문화되어 있다.

보안용 접지와 약전용 접지의 입장을 택하는 기술자들 사이에 견해차를 종종 볼 수 있다. 그러나 시스템적으로 생각한다면 이 독립접지 시공법은 전위 등의 문제점이 많아서 바람직하지 못하다. 전산기를 정상적으로 가동시키기 위해서는 전위의 안정된 기준점이 필요하다. 이 방법으로서 하나의 바닥에 설치되어 있는 모든 전산기 관련기기의 접지를 그 바닥의 기준접지극에 연결하여 전위 기준점을 설치하는 것이다.

이와 같이 전산실의 바닥에 기준접지를 잡으면 효과적인 접지를 얻을 수 있다. 덧붙여서 기준접지를 설치하면 접지 임피던스가 저감된다. 여기에서 유의해야 할 것은 전산기의 관련기기와 마루의 접지극을 서로 결부시키는 접지선은 필히 짧게 부설할 필요가 있으며, 전산기 접지점은 원 포인트로 해야 한다.

 

(3)공통접지의 권고 규정

방식 특성	공    통    접    지	기  술  규  정
접지 구성	빌딩내의통신, 전기, 피뢰접지를 하나의 접지에 공통으로 연결하는 접지	IEEE Std 142-1982 IEEE/ANSI Std 81-1983 IEEE Std-142-1991 ANSI/NFPA-70 ANSI/NFPA-780 NEC 규정
접지저항	접속하는 장비의 가장 낮은 사양을 만족하는 접지저항을 권고 - 대용량교환장비 : 1Ω, 혹은 2Ω - 일반통신장비: 2Ω, 혹은 5Ω - 통신시스템 : 10Ω - 대용량변전,송전 및 발전소 : 1Ω - 산업용변전설비 : 1~5Ω 단, 단일접지전극의 접지저항은 25Ω을 초과해서는 안됨.
확인사항	공통접지에 뇌전류 유입시 각 장비가 등전위로 구성되어 유입된 전류는 저항이 낮은 대지로 방전됨. 단, 접지봉은 대용량의 뇌전류를 손상받지 않고 안전하게 대지에 방전하기 위한 넓은 표면적, 강한 내구성의 접지봉이 필수적임.

 

  독립접지(Isolation Grounding)  

독립접지란 접지를 필요로 하는 설비들 각각에 개별적으로 접지를 시공하여 접속하는 방식으로 각각의 장비나 설비에 개별적으로 시공한 접지를 독립접지 혹은 단독접지라 한다.

 

1. 독립접지의 구성

독립접지란 각각의 설비에 개별적으로 접지를 시공하는 방식이다.

 

[그림 6] 독립접지의구조

 

이상적인 독립접지는 2개의 접지전극이 있는 경우에, 한쪽 전극에 접지전류가 아무리 흘러도 다른 쪽 접지극에 전혀 전위상승을 일으키지 않는 경우이나, 이상적으로는 2개의 접지극이 무한대의 거리만큼 떨어지도록 하지 않으면 완전히 독립이라 할 수 없다. 독립접지는 각각의 접지 상호간에 접지전류 혹은 서지로 인해 전위상승이나 간섭을 일으켜서는 안된다.

 

2. 독립접지의 특성

독립접지의 목적은 개별적으로 접지를 시공함으로써 다른 접지로부터 영향을 받지않고 장비나 시설을 보호하기 위한 것이다. 독립접지는 각각의 접지를 일정거리 이상의 이격거리를 두고 시공함으로써 다른 접지로부터 어떠한 접지전류가 흘러도 전위상승이나 간섭을 받지 않도록 하는 접지방식이다.

독립접지는 접지의 성능악화나 접지손상시 독립적으로 장비나 설비를 보호할 수 있다는 장점이 있으나, 시공시 각각의 접지간에 충분한 이격거리를 두어야 하며, 서지나 노이즈전류 그리고 뇌전류 유입시는 장비간에 그리고 설비간에 전위차가 발생하여 장비나 설비에 손상을 주거나 오동작을 유발하는 단점이 있다. 독립접지 시공시 하나의 접지에 의해 다른 쪽 접지가 전위상승을 일으키지 않도록 하기 위해서는 두 접지간의 거리는 무한대로 이격되어야 한다. 하지만 이것은 현실적으로 불가능하므로, 접지의 전위상승이 일정한 범위내에 수용되면 독립접지로 볼 수 있다.

 

따라서 접지의 전위상승에 따른 이격거리는 다음 세 가지 요인에 의해 결정된다.

 

① 접지전극으로 유입되는 전류의 최대값

② 전위상승의 허용치

③ 그 지점의 대지저항률(Soil Resistivity)

 

이러한 요인을 분석하여 허용 가능한 독립접지의 이격거리를 결정하게 된다.

[그림 12]는 두 접지간의 간섭 작용을 나타낸다.

 

[그림 7] 독립접지 전극 사이의 간섭

 

접지전극 A에 접지전류 I가 흐르면, 접지전극 B에서 발생되는 전위상승 ΔV의 분석에 의한 이격거리 S를 계산할 수 있다.

전위상승의 허용치는 설비 및 인명의 안전에 손상이 없는 전위상승의 허용치이므로, 보폭 및 접촉전압의 크기가 검토되어야 한다. 유입되는 접지전류에 따른 접지전위의 상승허용치를 계산하면 다음과 같다.

 

[표 1] 독립접지의이격거리