※총3회 연재물 입니다.

개요

접지저항은 접지전극의 형성과 재료, 크기, 접지 전극이 매설된 대지를 구성하는 토양의 형태와 조건, 대지 구조 등에 따라 변화하며 특히 대지저항률에 의해서 지배적으로 영향을 받는다. 접지전극이 매설되는 지점의 토양의 저항률(soil resistivity) 또는 대지 저항률 (earth resistivity)이 접지의 효과를 크게 좌우하게 된다. 대지 저항률이 낮은 장소 일수록 낮은 접지저항을 얻기 쉬우므로 접지의 설계와 시공에 있어서 접지전극 매설지점의 대지저항률과 지층의 구조를 정확하게 알아내는 것은 대단히 중요하다. 접지를 시공하는 장소의 대지저항률은 토질이나 토양내에 함유되어 있는 화학물질, 염분, 수분의 함유량 및 토양의 온도 등에 따라 상당히 변화하므로 이들의 특성에 따라 접지저항은 변동하게 된다. 따라서 대지 저항률을 정확하게 결정하는 것은 주변의 환경, 토질과 지층의 구조를 잘 이해 하여야만 가능하기 때문에 결코 간단한 일은 아니다. 그러나 개략적이지만 대지의 구조를 정량적으로 분석하는 방법이 제안되어 사용되고 있으며,본 장에서는 토양의 전기적 성질,대지저항률의 특성 및 측정 평가에 대해서 중점적으로 알아본다.

2.2 토양의 전기적성질

접지전극을 통하여 대지로 흐르는 전류 즉, 접지전류는 전자의 이동에 의한 전기전도와 이온의 이동에 의한 전기전도에 의해서 흐르게 된다. 전류의 흐름에 대한 물질의 저항은 전기저항률 또는 고유저항으로 특징지어지며, 전기저항률 또는 저항률(electric resistivity)[Ω.m]은 음의 법칙의 미분형으로 나타낸 다음의 식과 같이 표현할 수 있다.

E=ρ

여기서 E[V/m]는 전위경도(potential gradient), [A/m 2]는 전류밀도(current density)이다.

전자의 이동에 의한 전기전도는 도체 또는 반도체에 직류 전장이 인가되었을 때 자유전자(free electron)의 이동(drift)에 의해 이루어지며, 원자 구조의 차이 때문에 반도체의 저항률은 도체의 저항률보다 크다. 도체와 반도체의 전기적 특성은 저항률의 온도특성에 의해 명확하게 구별되며, 어느 온도 범위에서 도체의 저항률은 증가하지만 반도체의 저항률은 감소하며 변동폭도 크다. 토양 중에는 다른 물질에 비해서 금속성 도체와 반도체의 함유량은 비교적 적지만 순금속 상태로 약간 함유하게 되면 대지저항률은 대단히 낮아지게 된다.

지구의 표면상에 존재하는 모든 암석들은 기공성(porous)이며, 암석의 기공도는 그의 전기적 특성을 결정하는 중요한 요소이다. 화강암이나 석회암은 기공도가1[%]이하로 매우 적지만 기공도(porosity)가50[%]에 이르는 암석도 있다.

암석의 보이드(void)에 qua분을 포함한 물이 채워지면 저항률은 낮아지게 된다. 지구표면에 존재하는 암석의 전기전도(electric conduction)는 전해질에 의한 이온성 전도(ionicconduction)가 지배적이지만 수분의 함유량, 염분의 농도, 금속의 종류와 농도에 따라 암석에서의 전기 전도기구(electrical conduction mechanism)는 바뀌게 된다.

완전히 동경되어 있거나 깊게 매장되어 있어 높은 압력을 받는 암석에서는 전자성 전도(electronic conduction)가 우세하다. 대지표면 근처의 토양의 저항률은 수분의 함량과 수분에 용해되어 있는 염분의 특성에 따라 변화하므로 토양이나 암석의 저항률을 단일의 특정한 값으로 나타낼 수는 없다.

전기적관점에서 볼 때 대지는 다양한 모양과 크기, 다른 저항률을 갖는 물질의 혼합으로 이루어져 있으며 대지표면 가까이에서의 전기전도는 주로 전해질에 의해 일어나고 대지 저항률의 차이는 함유되어 있는 수분을 양과 염분의 특성에 따라 변화한다. 대지의 전기적특성을 지배하는 물리적 특성 요소중에서 비투자율(relative permeability) μ_r은 약 1로 일정하지만 비유전율( relative permittivity) ξ_r은 1~100의 범위이다. 대지저항률 ρ는 1~10,000[Ω.m]까지 변동하며 대지의 전기적특성에서 대지저항률ρ의 변동은 비유전율 ξ_r의 변동보다 훨씬 더 크게 영향을 미친다. 비투자율과 비유전율은 직류와 저주파 전류의 전도에 있어서 중요한 요소는 아니다.토양의 절연강도는 뇌서지와 같은 대전류(high current)의 통전현상에 대한 중요한 요소이며 이의 변동범위는 매우 좁다.

그림 2.1에 나타낸 바와 같이 지구의 전기 지질학적 모형(geoelectric model of earth)은 매우 낮은 저항율을 갖는 반경 3,500[km]인 고온마그마 핵(hot magma core)과 고온이며 단단하고 저항율이 낮은 물질로 구성된 2,850km두께의 두꺼운 cm으로 둘러 쌓인 구형의 고체덩어리(hot solid crust)로 모형화할 수 있다. 또한 비교적 저항률이 큰 암반으로 이루어진 또 다른 얇은 층이 그 외곽을 둘러싸고 있다. 균일한 저항율의 여러 수평층으로 이루어진 이와 같은 모형은 각 층에서의 저항률의 수직적 변동을 또 다른 층으로 볼 수 있는 것이 특징이다. 대부분의 접지를 설계시공하려 할 때 발생하게 되는 문제점에 있어서 대지의 구조가 실제의 측정에 의하면 좀더 복잡한 구조 일지라도 2층 구조의 대지모델이 개략적으로 잘 적용되는 경우가 있다.

접지전극의 매설되는 토양은 주로 저항체와 유전체로 작용하며, 고주파 영역을 제외하고는 순수저항체로 나타내는 것이 일반적이다. 또한 토양의 저항률은 접지전극 주변의 전위 경도가 절연파괴강도 이하일때는 전위경도에 영향을 받지 않지만 전위경도가 수 kV/cm 정도에서는 약간 변화한다.

접지전극의 전위경도가 토양의 절연파괴강도(dielectric breakdown strength)를 넘어서게 되면 접지 전극표면에서 아크방전(arc discharge)이 발생하며, 아크가 대지의 하부 지층을 향하여 진전하여 접지전극의 실효크기는 증가하며, 마침내 접지전극 주변의 전위경도는 절연파괴강도 이하인 상태로 된다. 이와같은 토양의 전기적 특성을 고려한 등가회로를 그림 2.2에 나타내었다.

또한 접지전극 주변의 토양의 저항률은 접지전극에서 대지로 유입됨에 따라 변동한다.
접지전극에 유입되는 접지 전류의 크기가 증가하거나 지속시간이 길어지면 토양이 건조하게 되므로 토양에 함유된 습기의 양이나 열적 특성(thermal characteristic)이 변화하므로 토양의 실효 저항률 (effective resistivity )은 증가하게 된다. 따라서 접지전류밀도는 1초 동안에 대해서 대략 200[A/m 2]이하의 값이 되도록 설계하는 것이 바람직하다.

대저 저항률

접지저항 및 접지효과에 영향을 크게 미치는 요인이 대지 저항률이므로 접지의 설계와 시공에 있어서 대지저항률(earth resistivity 또는 soil resistivity )을 정확하게 파악하는 것은 대단히 중요하다. 단면적이 1[m 2]이고, 길이가 1[m]인 토양의 전기저항을 대지저항률, 대지고유저항 또는 대지비저항(specific resistivity)이라고 정의하며, 단위는 [Ω . m]이다.

또한 대지저항률ρ[Ω . m]의 역수를 대지도전율(earth conductivity) σ[S/m]이라고 한다. 이들 동의어 중에서 대지 저항률이 가장 일반적으로 사용한다. 토양의 주성분은 규산(sio2)과 산화알루미늄(A12O3)이므로 완전한 건조상태에서는 전기가 흐르지 않는 절연체이다. 그러나 자연계의 토양이 완전한 건조상태에서는 아니므로 어느 정도의 도전성을 가지며, 토양에 수분이 함유되어 있으면 그 저항률은 급격히 낮아져서 전기가 잘 흐르게 된다.

즉,금속에 비하면 매우 도전율이 낮은 반도체로 볼 수 있으며,대표적인 물질의 저항률을 그림 2.3에 나타내었다. 지저항률이 토양의 구성성분에 따라 차이가 105배 이상 크게 나타나는 것은 진흙, 점토, 모래, 자갈, 암반 등 지질의 구성과 지형 등 장소에 따라 다른 값을 가지기 때문이다. 동(copper)의 저항률 108[Ω. m]에 비해서 일반적인 토양의 대지저항률은 100[Ω. m]이므로 1010배의 차이를 가지기 때문에 접지시스템을 설계할 때 접지전극 자체의 저항은 무시하여도 상관은 없다.

대지저항률에 영향을 미치는 요인

대지 저항률은 항상 일정한 값을 가지는 것이 아니라 기후, 온도, 습도나 주위환경의 조건에 따라 변화한다. 대지저항률의 변동에 영향을 미치는 요인으로는 토양의 종류, 토양에 용해되어 있는 화학물질의 종류와 농도, 수분의 양, 온도, 토양을 구성하는 입자의 크기와 분포, 대지 표면으로부터의 깊이에 따른 압력과 조밀도(compaction)등이 있다.
다시 말하면 대지저항률은 토양에 함유되어 있는 전해질의 저항률이라고 볼 수 있으며, 지표수(surface water)는 대지저항률에 크게 영향을 미치지는 않는다.

(1) 토양의 종류

일반적으로 토양을 구성하는 성분(composition), 입자의크기, 분포, 균질성(homegeneity), 조밀도 등에 따라 대지의 전기적 성질도 다르며, 여러 가지 토양의 저항률을 표 2.1에 나타내었다.

표 2,1 토양의 종류와 저항률

(2) 수분의 영향

토양에서의 전기전도는 근본적으로 전해질 중에 함유되어 있는 이온의 이동에 의한 전기전도에 의해서 이루어지므로 토양 중에 수분이 함유되면 저항률이 저하하며, 수분의 함유량이 증가하면 대지저항률은 급격히 감소한다. 그림 2.4에 수분의 함유량에 따른 대지저항률의 변화에 대한 예를 나타내었다. 토양의 종류에 따라 다르기는 하지만 수분의 함유량이 약16[%]이하에서는 수분 함수량의 증가에 따라 대지저항률은 급격히 감소하며, 16[%]이사이 되면 대지저항률의 감소는 완만하다.

토양에 함유되는 수분의 양은 토양을 구성하고 있는 입자의 크기와 다양성, 저밀도에 의존하게 된다. 균일한 토질의 토양에 매설되어 있는 접지전극의 접지저항은 대지저항률에 직접적으로 비례하므로 토양의 종류와 수분의 함유량은 접지저항을 결정하는 핵심적 중요한 요소라고 볼 수 있다. 또한 대지 저항률은 함유된 물의 종류에 따라 다르게 되며 여러 가지 종류의 물의 저항률의 개략 값을 표 2.2에 나타내었다.

표 2.2 여러가지 물의 저항률

(3) 온도의 영향

물질의 저항률은 온도에 따라 변화하며, 일반적으로 온도가 높아지면 금속의 저항률은 증가하는 데에 비해서 반도체나 전해질의 저항률은 감소한다. 토양에 함유되어 있는 수분도 전해질(electrolyte)이므로 대지저항률은 온도 상승과 더불어 감소한다. 그림 2.5에는 토양과 암반의 온도변화에 따른 대지저항률의 변화 특성에 대한 대표적인 예를 나타내었다.

토양이나 암반에 함유되어 있는 수분이 증발되거나 동결될 정도로 높은 온도 또는 낮은 온도로 변화되면 대지저항률은 수 배 정도 변화하는 경우도 있다. 그러나 수분이 증발되지않는 범위에서 온도가 상승하면 수분에 포함되어 있는 이온의 이동도(mobility)가 증가하여 대지저항률은 약간 감소하게 된다.모래와 자갈의 경우 대지저항률이 온도가0[℃]인 때 비선형적으로 증가하는 특성은 토양이 동결되었을 경우 대지저항률이 급격히 증가하기 때문이다. 0[℃]이하의 온도에서의 대지저항률의 변화율은 영상의 온도에서의 변화율보다 대단히 크다.

(4) 화학성분의 영향

토양의 저항률은 함유되어 있는 수분의 양에 따라 변화할 뿐만 아니라 토양중에 용해되어있는 염분, 산, 알칼리등 화학 물질의 양이나 조성에 따라 대단히 크게 변화한다. 그림 2.6에는 대지저항률의 염분(염화나트륨)의 농도에 대한 영향의 대표적인 예를 나타내었으며, 토양의 종류나 수분의 함유량에 따라 염분의 영향은 크게 다르다.

대지저항률은 염분의 농도가 증가하면 급격히 감소하므로 접지저항의 저감을 위해 소금이나 화학 성분(chemical composition)의 접지저항 저감제(ground resistance lowering agent)를 사영하기도 하지만 지속성이 유지되도록 주의 하여야만 한다.

(5) 개별적 영향

앞에서 기술한 바와 같이 대지저항률은 토양에 함유되어 있는 수분과 온도 등과 밀접한 관계를 가지고 있으므로 기후나 계절에 따라서도 크게변화한다. 계절이 변하면 온도 뿐만 아니라 토양에 함유되어있는 수분의 양도 함께 변하게 되므로 대지저항률은 대체적으로 기온이 낮으며 건조한 겨울철에 높고,기온이 높고 습기가 많은 여름철에는 낮게된다.대지저항률의 계절적 변동량은 동일한 토질이라고 하더라도 장소와 시간, 접지전극의 형태와 매설깊이 등에 관련된다.

또한 접지전극이 대지에 평행하게 매설되기도 하지만, 많은 경우 접지전극의 매설형태는 대지의 표면에 대하여 수직으로 설치되기도 한다. 토양은 그 깊이에 따라 온도가 다르거나 토질이 다른 이른바 다층 구조(multiple structure)를 이루기 때문에 실제로 대지 표면의 어느 한 점에서 그 아래 지층의 토양상태를 평가하기란 쉽지 않으므로 특정한 토질에 대해서 대지 저항률을 명시하기는 곤란하다.

인천지역의 평지에서 대지저항률의 평균값에 대한 연간 변동률의 예를 그림 2.7에 나타내었으며, 특히 접지전극의 매설깊이에 대한 의존성이 크게 나타남을 알 수 있다. 대지저항률의 연간 변동량은 지역에 따라 다르지만 대략 2~5배 정도인 것으로 알려져 있으며,접지공사를 시설 할 때는 연간 접지저항의 변동을 고려하여 설계.시공 할 필요가 있다.