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접지
접지(接地, Earth, Earth grounding, Earthing)는 지면을 회로에 연결하여 전류가 흐를 수 있도록 하는 것을 말한다.
목차
개요
접지는 감전 등의 전기사고 예방 목적으로 전기기기와 대지(大地)를 도선으로 연결하여 기기의 전위를 0으로 유지하는 것을 말한다.
지구는 거대한 도체이며 전위가 0이다. 접지를 하게 되면 전기기기도 전기적으로 지구의 일부가 되어 전위가 0으로 유지된다. 전류는 전위차가 있을 때 흐르는 것이므로, 이론상 접지가 되어 있는 전기기기에 사람의 몸이 닿아도 감전되지 않는다.
높은 건물 꼭대기에 피뢰침을 설치하는 것도 접지를 응용한 것으로 전기 사고를 예방하여 번개의 강한 전류로부터 건물을 보호하기 위한 것이다. 컴퓨터를 수리하는 일 등 전기적으로 예민한 기기를 다룰 때 전하가 누적되는 것을 방지하여 기기와 사람을 보호하기 위해 그라운드매트(ground mat)를 깔기도 한다.
이밖에도 비용절감을 위해 송전시 단선의 전신회로를 땅에 묻어 대지를 도체로 활용하기도 하는데 해저나 누전으로 인한 위험이 적은 시골에서 사용된다. 또한 고주파용 장치를 안정적으로 사용할 목적으로 접지를 하기도 한다. 신호지(signal ground)는 전류의 양에 관계없이 0V를 유지하는 것이 가장 이상적이며, 이때는 발사전력손실의 최대원인이 되는 접지저항을 감소시키는 것이 무엇보다 중요하다. 접지시 도선의 저항으로 인해 약간의 전위차가 발생하게 되므로 저항값이 작은 도선으로 대지에 연결하며, 지표와 닿는 전극의 면적을 넓히거나 여러 개의 금속 막대를 병렬로 연결하여 접지하거나 토양을 습하게하여 토양의 전도도를 높인다.
소규모의 송신 안테나의 경우는 땅속에 깊게 매설한 얇은 동판이나 땅밑 1~2m 정도의 깊이로 매설한 동선망을 사용하고, 대규모의 안테나에서는 안테나 수평부의 투영면적(投影面積)보다 약간 큰 지역에 지선망(地線網)을 만들고 이것을 가공지선(架空地線)으로 접속하여 지선전류의 균일화를 꾀한다.
접지 시에는 구리판·구리선·구리관을 비롯하여 흑연·탄소 등을 주재료로 한 판 또는 막대를습기가 많은 땅 속에 묻어 도체로 접지하고 있다. 그리고 금속제 수도관을 이용해 접지하기도 하지만 가스관의 이용은 금지하고 있다.
접지의 종류
접지는 신호접지(Signal ground), 섀시접지(Chassis ground), 대지접지(Earth ground 혹은 Earth) 세 가지로 나눌 수 있다. 회로도에서 기호가 다르다. 심플한 삼각형 모양이 신호접지 기호, 갈퀴 모양이 섀시접지 기호, 이 항목의 개요 위에 나와있는 접지 기호가 대지접지이다. 특히 신호접지는 회로의 정상동작을 위해 노이즈가 타고 들어가지 않도록 간섭의 영향을 최대한 받지 않도록 주의해서 설계해야 한다.
목적에 따른 분류
- 계통접지 : 저/고압 혼촉에 의한 전력선의 재해를 방지하기 위한 접지방식이다. 전력선의 재해를 예방하기 위한 목적이기 때문에 주로 변압기 2차측 계통의 가장 안전한 위치에 하는 접지이며 전력계통에 행하는 접지이다.
- 기기접지 : Equipment grounding. 금속제 외함, 감전사고 예방 목적으로 사용되는 접지방식이다. 전기기기 내에서 절연이 파괴되어 금속재로 노출된 부분에 전류가 흐르게 되면(지락 발생) 감전이 될 수 있다. 이를 방지하기 위해 미리 기기를 대지에 접지해놓는 것으로 외함접지라고도 한다. 주로 전기기기의 프레임이나 외함, 철가 등에 설치한다.
- 뇌해방지접지
- 피뢰침에 연결되는 접지
- 정전기방해용 접지
- 등전위와의 접지
- 노이즈방지 접지
- 기능용 접지
- 지락방출용 접지
- 보안용 접지 : 화재나 감전사고를 예방하기 위한 접지
접지 시공
접지는 기본적으로 대지에 다수의 동봉 또는 동판을 땅 깊이 매설하여 대지와 접촉시킨 후에 접지선을 배선하여 이루어진다. 항아리 등을 흙으로 채운 후 동봉이나 동판을 매설하여 접지하는 것은 당연하게도 전혀 의미가 없다. 접지저항 확보를 위해 접지저항 저감제를 같이 매립하거나 동 재질이 아닌 다른 재질의 접지기구를 매설하기도 한다. 또한 가능한 깊이 매설해야 계절/온도 변화에 영향을 적게 받는다.
접지는 땅과 접촉되는 저항에 따라 급이 나뉜다. 정밀기기나 고압전류를 다루는 경우 당연히 저항치가 낮은 접지가 쓰여야 한다.
접지공사 방법은 다음과 같다. 간단히 말해 우리가 흔히 보는 전신주의 접지 방법이라고 생각하면 된다. 분전반이나 전신주에서 내려와 땅으로 들어가는 녹색 또는 녹-황색 피복의 전선이 바로 접지선이다. 그러나 전기설비업자가 규격을 따르지 않고 녹색이나 녹-황색을 전력선으로 시공한 경우도 많으므로 건물 내외부의 녹색선을 무조건 접지선이라고 생각해서는 안 되며 함부로 잡거나 작업을 해서는 안된다. 무적격 업자뿐만 아니라 전기공사업 면허가 있는 업체에서도 녹색을 전력선으로 사용하여 시공한 사례가 있다. 더 심한 경우 전압선, 중성선, 접지선을 포함한 모든 전선이 녹색인 시설물]도 있으므로 전선을 만질 때는 활선 경보기, 테스터 등 계측 기기로 직접 확인하면서 작업해야 안전하다. (예시)녹색 전선을 전력선으로 사용한 분전반
- 접지극은 지면으로부터 75cm 이상의 깊이에 매설해야 한다.
- 접지선은 절연 전선이나 케이블을 사용해야 한다.
- 접지선은 지하 75cm부터 지상 2m의 높이까지 보호관을 사용해서 보호해야 한다.
- 접지극은 지하에 존재하는 금속체(수도관등의 물체)에서 1m 이상 이격하거나 30cm 더 깊이 매설해야 한다.
접지 공사의 생략
놀랍게도 접지는 생략할 수 있는 기준이 마련되어 있다. 말이 안 된다고 생각하겠지만, 접지 공사가 생략되었다는 말은 그만큼 안전한 위치에 놓여 있다는 뜻으로 해석할 수도 있다. 그러나 이 기준은 어디까지나 사람이 죽거나 큰 상해를 입을 일이 없다고 판단하여 접지를 생략하는 것이지, 전자제품의 누전으로 인한 고장을 예방해주는 수준까지 기대하기는 힘들다. 그러므로 일부러 건드려서 감전되는 행동을 해서는 안 된다. 그리고 냉장고, 전자레인지 등 직접적으로 손이 자주 닿는 가전제품과 습기가 적은 곳의 전기 제품은 접지가 없는 상태로 접촉하면 불쾌감을 느끼거나 약간의 통증을 유발할 정도의 미세 전류는 통하기도 하므로 가급적이면 접지설비를 마련하고, 접지 설비가 마련돼 있다면 적극적으로 사용하는 것이 좋다.
- 직류 300V / 교류 대지전압 150V 이하의 기계기구를 건조한 장소에 시설 시
- 기계 기구를 사람이 쉽게 접촉할 우려가 없는 나무 전봇대(목주) 위에 설치. 미국의 경우 지금도 종종 볼 수 있지만, 우리나라의 경우 최소 1990년대 이후로는 실제로 사용하는 나무 전봇대는 거의 볼 수 없다.
- 이중절연 구조의 기계. 헤어드라이어, 히팅건 등 열풍기와 드릴, 그라인더 같은 전동공구가 대표적이다. 이들의 전원 플러그는 접지 연결부위가 없는 무접지 플러그이다.
- 발전소 및 개폐소에 시설한 기계기구
- 철대 또는 외함의 주위에 적당한 절연대를 설치한 기기
- 절연을 하는 것이 기술적으로 곤란한 기기. 전기로나 시험용으로 제작한 변압기 등
- 정격 감도 전류 30mA이하, 동작 시간이 0.03초 이하의 누전차단기 설치 시
- 저압용 전로의 전원측에 출력이 300V 이하, 용량 3kVA 이하의 절연변압기를 시설하고 부하측 전로를 비접지로 한 경우
송배전 계통의 접지
길에서 흔히 보이는 전신주가 아니라 산에서 흔히 볼 수 있는 송전탑의 송전선에서 사용되는 접지 방식이다. 3상 교류를 기본적으로 사용하고 있기 때문에 일반 접지방식과는 조금 다르게 Y형과 △형식에 따라 접지유무가 또 달라지며, 그중에서도 Y형식에 사용되는 중성점 접지를 다루고 있다.
3상 교류는 Y결선으로 연결을 하였을 때 3상의 파장이 상쇄되어 0이 되는 지점인 중성점이 존재하게 되는데, 그 지점을 접지한 것을 중성점 접지라고 부른다. 특이한 경우 중성점이 접지가 되어 있고, 접지와 같은 낮은 전위(이론상 0V)를 가진다고 하여 접지로 대용하는 경우가 간혹 있는데, 접지된 중성선은 활선에서 나온 전류가 흐르는 전력선이므로 접지의 역할을 하지 못한다.
해외에서는 한 가닥의 전선으로 전력을 공급하고, 접지를 통해 변전소와의 회로를 완성시키는 단선 대지귀로(Single Wire Earth Return) 방식으로 배전하는 경우도 있다. 주로 인구밀도가 낮은 지역에 설치되며, 비용을 낮추기 위해 인장력이 높아 전신주를 적게 세워도 되는 강철 전선을 사용한다.
중성점 접지 방법
방식 보호 계전기 동작 확실성
지락전류 대지전위 상승치
과도안정도 유도장해 특징 직접접지 가장 확실함 가장 높다 1.3배 가장 적다 가장 크다 중성점영전위 단절연 가능
대한민국에서는 154kV 이상에서 사용
저항접지 확실함 높다 √3배 적다 크다 비접지 없음 낮다 √3배 크다 작다 저전압 단거리 송전에 사용 △에서 사용
소호리액터접지 불확실함 가장 낮다 √3배이상 가장 크다 가장 작다 LC 병렬공진
- 용어 설명
- 보호 계전기: 접지선로를 통해 지락전류, 즉 땅으로 흐르는 전류가 발생했을 때 해당 전류를 검출하여 지락이 발생했음을 제어 패널에 보내는 계전기. 단독으로 작동이 불가능하다.
- 전위상승치: 해당 지락전류가 발생하였을 때 중성선 선로의 전압이 상승하는 정도.
- 과도안정도: 과도안전성이라고도 쓰는데, 사고발생이나 급격한 부하 변동 시 3상전류는 새로운 전압/전류 평형점을 찾아 이동하는데 이 때 이 전류가 얼마나 빨리 안정화 되는가를 의미한다. 송전선로에서도 쓰지만 발전기 쪽에서 과도응답성이라는 용어로도 쓰고 뭐 다른데 가서도 많이 쓰는 말이지만 그냥 "얼마나 빨리 안정화되는가"를 해당 분야에 맞춰보면 거의 들어간다.
- 유도장해: 전력선에는 고조파라고 해서 일종의 노이즈 같은 것이 흐르는데, 이때 발생되는 노이즈가 변압기에 유입되어 순환전류를 일으키며 변압기 과열을 발생시키는 경우가 있고 전력선 그 자체의 전류가 만들어내는 전기장 및 자기장이 통신선로나 기타 선로에 전압을 유도해 일으키는 경우가 있다. 케이블에 유도되는 것은 정전유도와 자기유도 두 가지 관점에서 해석된다.
- LC 병렬공진: L(코일) + C(커패시터, 콘덴서)를 병렬로 연결하였을 때 두 소자가 공진하는 현상. LC 병렬공진은 L, C의 값에 따라 특정 대역 주파수를 저지하는 특성을 띠게 된다.
- 중성점영전위단 절연: 변압기의 중성선은 Y결선 시 3상 전류의 전압벡터가 합쳐져 0 부근에 도달하는데 이것을 중성점이라 하고 또한 전압이 이론적으론 안 뜨기에 영전위단이라고 한다. 이곳을 접지하지 않고 절연하는 것.
각종 전자기기에서의 접지
전자기기가 작동될 경우 그 케이스 등에 전하차가 생기게 된다. 이때 케이스로도 전류가 누전되는 경우가 있는데 이를 피하기 위해 접지를 시행하게 된다. 회로는 기준전압, 즉 그라운드 역할을 하는 도체를 기준으로 부품들이 결선되어 있는데, 그 기준전압을 하술한 여러 이유로 접지선과 케이스에 연결해 놓는다. 만약 우리가 전자기기의 케이싱을 만질 때 전기가 통하는 느낌이 든다면 우리 몸을 통해서 그 전하가 방바닥으로 방출되고 있다는 것을 의미한다. 한마디로 우리 몸이 접지선으로써 전기적인 역할을 하고 있다는 것을 의미한다. 접지체계가 고장난 전자기기에서 잘못 하다가는 치명적인 감전을 당할 수 있다.
이때 마이크나 전자기기에 전기가 통하는 것은 제대로 접지를 안 했다는 증거인데, 그럴 경우 우리 몸보다 저항이 적은 전선으로 접지를 해서 기기의 전하를 땅 속으로 방출할 필요가 있다. 접지를 할 경우, 땅과 우리 몸, 그리고 기기의 케이스가 같은 전위를 유지하므로 전기가 통하지 않게 된다.
이렇듯 접지는 전자기기에 있어서 필수적이다. 앞서 제시한 공통접지가 회로에서 말하는 기준전압을 제시하는 역할을 하고 있다. 또한 공통접지와 접지도 서로 연결되어 있다. 공통접지는 회로 내부는 물론 장비와 장비 간에서도 매우 중요한데, 장비간에 기준전압이 맞지 않는다면 오작동하거나 상호간 신호전달이 애초에 불가능해질 가능성이 높다. 그렇기에 케이블을 통해서 장비 간에 기준전압을 꼭 맞춰줘야 한다.
캐논케이블이나 TRS 라인케이블에서 접지란 그냥 단순히 장비간의 접지 역할도 있지만, 회로의 공통접지와 같은 여러 부품들이 하나의 접지로 음극을 공유하고 있다는 것을 뜻하기도 한다. 이것이 무엇을 의미하냐면 캐논케이블이나 TRS 라인케이블, 스테레오 라인케이블처럼 두 개 이상의 신호를 동시에 보내고 있는 케이블들은 당연히 내부 선도 4가닥 이상이 되어야 한다는 것. 캐논케이블의 경우, Hot 신호 2가닥과 Cold 신호 2가닥이 필요하다. 하지만 캐논케이블은 3개의 심으로 구성되어져 있는데, 여기서 공통접지의 역할이 중요하다. 공통접지는 Hot과 Cold 신호가 서로 회로에서처럼 음극을 공유해서 기준전압을 제시하고, 그 공통접지를 기준으로 Hot 신호와 Cold 신호를 전송하게 만든다.
당연하지만 캐논에서 1번 심이 공통접지, 그리고 2번 심이 Hot, 3번 심이 Cold 역할을 한다. 이것이 가능한 이유는 회로에서와 마찬가지로 접지를 공유하고 있지만 각각의 부품들이 서로 전기적으로는 연결되어 있지 않기 때문이다. 마찬가지로 접지에서도 그냥 선만 땅에 같이 묻는다고 전기적으로 상관이 있는 것이 아니라, 음극과 양극이 서로 회로적으로 연결이 되어야만 비로소 전기적으로 관련이 있다. 공통접지와 Hot, 또는 공통접지와 Cold 이렇게 두 극이 서로 회로적으로 관련이 있을 때에만 말이다. TRS나, 스테레오 케이블에서도 마찬가지인데, 공통접지를 기준으로 한 심, 한 심 만으로 두 개의 채널을 만들어낸다.
이 음향 장비들의 접지를 제대로 안 해서 배철수가 젊음의 행진 때 감전당한 것이다. 그리고 해외에서도 이런 사고가 터져서 그 후 가수들의 매니저들은 무대의 모든 장비의 접지 상태를 깐깐하게 따져서 미흡한 점이 보이면 절대 가수를 무대로 올리지 않는다. 무선마이크는 접지를 공유할 선 자체가 없어 감전에 안전하니 마이크를 사용할 일이 생긴다면 가능하면 무선마이크를 사용하는 것이 좋다.
접지와 중성선(N선)은 다르다. 접지와 중성선은 전기적으로 연결되어 있긴 하지만, 중성선은 정상적으로 기기를 통과한 전류가 전력망으로 돌아가는 선로이고, 접지선은 비정상 전류(누전)를 지면으로 흘려보내기 위한 케이블이다. 접촉 저항때문에 전위차가 있어 중성선과 접지선 사이에 LED를 넣으면 켜지기도 한다.
아무튼 가정이나 산업현장에서는 중성선과 접지선을 구분하지 않고 사용할 경우 전기사고의 위험이 커지니 꼭 구분해서 시공하자. 다만 3상 4선식 혹은 3상 3선식 교류전원을 바로 공급받아 사용하는 일반적인 가정이나 산업현장에서 주로 보기 힘들 뿐 접지선을 중성선으로 사용하는 기기도 존재하기는 한다. 예를 들면 전기 기관차가 있는데, 열차의 전차선을 자세히 보면 전차선에는 1개의 Hot상 케이블만 존재하는 것을 볼 수 있다. 전동차를 통과하여 빠져나가는 전류는 선로를 통해 대지로 흐르게 된다. 즉 접지선을 중성선으로 사용하는 것인데, 접지선이든 중성선이든 0V의 전위를 가진다는 점에서 물리적으로는 동일하기 때문에 그렇게 사용할수도 있는 것이다. 사실 가정에서 접지를 중성선으로 사용하지 못하는 이유는 가정용 전기 시스템이 공학적으로 그렇게 사용하도록 설계되지 않았기 때문이지, 물리적으로는 문제 없다. 그리고 이렇게 사용하려면 당연히 접지시공을 매우 까다롭게 해야 한다.
송전탑에서는 중성선은 송전하지 않고 활성선만 송전한다.
차량에서의 접지
차량을 관리할 때 흔히 접지라는 말을 쓰는 작업이 있는데, 사실 이것은 접지라는 말이 적절치 않은 경우이다. 이것은 접지가 아니라 차량에서 여러 장치에 전력을 소모하고 배터리로 다시 들어가는 전류의 마이너스(-)극 연결을 보강하는 것이다.
차량에서는 차체 그 자체가 마이너스(-)극으로서 이용된다. 연식이 지나고 외부 환경에 노출되다 보면 차체와 배터리 마이너스(-)극이 연결되어 조여진 차체측의 케이블 단자(홀, 볼트, 너트, 케이블 압착부위 등)가 산화되어 녹이 발생한다. 이때 필연적으로 저항이 높아져 전류 흐름에 방해는 될 수 있으나 녹을 제거하거나 환원시킨 후 다시 케이블 단자를 잘 조여주기만 하면 될 일이지 여기저기에 접지 튜닝이랍시고 케이블을 갖다 추가로 달아놓는 것은 당연히도 특별한 효과가 없다. 마이너스(-)측 케이블들에 문제가 없다면 차량에서 체감하는 문제는 다른 문제일 가능성이 99.9%이다.
다만 유조차 같이 정전기에 취약한 차량은 정전기 방출을 위해 지면으로 연결되는 접지선을 가지는 경우도 많다.
RF에서의 접지
사실 이것도 접지라 보기에는 좀 힘들다. 모노폴 안테나를 사용할 때 땅이 나머지 반쪽 역할을 하게 되어 결론적으론 안테나가 잘 매칭이 되게 하는 것이다. 카운터 포이즈는 땅에 선을 늘여놓 은거라 생각하면 되고, 레디얼은 공중 같은 곳에 안테나를 설치할 때 1/4 파장의 금속성 막대를 소자 아랫쪽에 달아놓는 것이다. 차량에 안테나를 설치하고 접지를 할 때에는 차체 도색을 벗기고 편조선으로 접지한다. 차체가 나머지 1/4 역할을 하게 하는 것.
광석 라디오를 들으려면 안테나 반대편 극을 접지해야 한다. 모노폴 안테나는 한쪽 극을 접지해야 하기 때문에 위와 같은 이유도 있다. 하지만 광석 라디오를 접지하면 소리가 더 커지긴 하는데 접지상태에 따라 저항이 줄어들기 때문이다.
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