접지선의 굵기 및 접지저항 계산

1. 계산 목적

이 계산의 목적은 전기설비의 안전운전을 위하여, 접지선의 굵기 및 접지저항의 적절한 값을 선정하는데 있다.

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2. 접지선의 굵기 선정

접지선에 지나치게 큰 전류가 흐르면 주울 열에 의하여 절연피복이 연소되거나 주위의 가연물에 화재위험을 미치게 되고, 최악의 경우 접지선 자체가 용단될 수도 있으므로, 전로로서의 그 기능을 만족하기 위하여 충분한 전류용량, 즉 도체의 충분한 단면적이 필요하다.

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접지선의 단면적은 통전전류, 통전시간, 온도, 재료의 특성 값 등을 감안하여 식(2-1)과 같은 미국 전기전자공학회(IEEE)의 표준식으로 구한다.

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〈그림 1〉접지선의 전류용량

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<표 2-1> 재료의 물리정수

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식(2-2)를 이용하여 계산하는 경우는 전원측 과전류차단기의 동작특성과 관계되고, 다음과 같은 조건이 필요하다.

(1) 접지선의 고장전류 크기는 전원측 과전류차단기 정격전류의 20배

(2) 과전류차단기의 동작감도는 정격전류 20배의 전류에서 0.1초 이하

(3) 고장전류가 흐를 때의 접지선 주위 온도 30 ℃

(4) 고장전류가 흐를 때 접지선의 최대 허용온도 Τｍ은 150 ℃

따라서 최대 허용온도 Τｍ=150 ℃, 주위 온도 Τa= 30 ℃를 식(2-2)에 대입하고, 통전시간을 파라미터로 한 전류와 단면적 관계를 보면 〈그림 2〉와 같다.

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〈그림 2〉고장전류와 접지선 굵기의 관계

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3. 접지저항의 계산

(1) 봉전극의 접지저항

막대모양 전극의 접지저항 계산식 중 대표적인 것은 다음과 같으며, 여기서 ρ는 대지저항률 (Ω-m), ℓ은 전극길이 (m), r 은 전극반지름 (m), ｔ (ｍ)는 매설깊이 이다.

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① Tagg & Ollendorff 계산은 식(3-1)과 같다

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② Sunde & Dwight 계산은 식(3-2)와 같다

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(2) 선상 전극의 접지저항

선모양 전극(매설지선)의 접지저항 계산식 중 대표적인 것은 다음과 같으며, 여기서 ρ는 대지저항률 (Ω-m), ℓ은 전극 길이 (m), r 은 전극 반지름 (m), ｔ(ｍ)는 매설깊이이다.

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① Rűdenberg & Zingraff 계산은 식(3-3)과 같다

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② Tagg & Dwight 계산은 식(3-4)와 같다

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③ Sunde & Schwartz 계산은 식(3-5)와 같다

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(3) 그물망(Mesh) 전극의 접지저항은 〈그림 3〉과 같다

〈그림 3〉그물망 전극의 형태

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그물망 전극에서의 접지저항 계산식은 매설깊이에 따라 약간의 차이가 있는데, 매설깊이가 0.25 (m) 이하일 때에는 식(3-6)을, 0.25～2.5 (m)에서는 식(3-7), 식(3-8)을 주로 이용한다. 여기에서, 식(3-6), 식(3-7) 및 식(3-8)은 간략화한 계산식이다.

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① Laurent & Niemann 계산은 식(3-6)과 같다

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② Sverak 계산은 식(3-7)과 같다

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③ Schwarz 계산은 식(3-8)과 같다

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〈그림 4〉Schwarz식에서의 계수 K1, K2

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접지선의 굵기 및 접지저항 계산