접지의 목적 및 기능

접지의 근본 목적은 전자기적 충격으로부터 인체의 안전성 확보와 전기 전자, 통신설비와 같은 대상 설비를 보호하고 그 기능을 향상시켜서 안정적인 운용을 달성하고자 하는 것이다. 낙뢰 surge 방호와 관련하여 접지의 목적은 기준전위(reference electric potential)를 확보하는 것이 중요한 목적이 되기도 하다. 전자기 시스템에서 접지를 하는 기본적 이유를 3가지로 정리하면, 사람과 장비의 안전 확보, 보호장치의 동작 그리고 잡음 억제이다.

사람의 안전

전력 시스템에서 접지하는 가장 중요한 이유는 사람의 안전에있다. 안전 접지라고 때로 부르듯이 접지는 전기 장치의 어떤 한 부분에서 있을 수 있는 누전사고 시에 고전압 접촉의 기회를 줄이거나 없애기 위한 것이다. 전압 접촉이란 어떤 두 물체 사이에 전압차이가 있고, 사람이나 짐승에 의하여 두 물체를 동시에 만질 수 있는 것을 말한다. 이때 장치의 일부에 “고압(hot)” 도체가 접촉된 경우, 정상적인 경우는 안전 접지가 완전하여, 이러한 상태가 되면 바로 보호 장치가 동작할 것이 틀림없다.

그러나 안전접지가 되지 않은 상태에서는 장치의 케이스가 그 기반을 통하여 땅과 연결되지 않았으므로 “고압”과 땅(ground) 사이 전압이 그것을 만지는 사람에게 똑같이 전해져서 심각한 상해를 입히게 될 것이다.

접지 경로 임피던스=(그라운드에서 잰 최대 전압)/(과전류보호 정격전류X5)

보호 장치 동작

위에 언급한 바와 같이 누전 시 보호 장치가 동작하도록 하기 위한 누전 전류의 귀환 경로가 있어야 한다. NEC(National Electric Code)에서는 어떤 효과적인 접지 경로가 기계적으로 또 전기적으로 지속성이 있어야 하며, 전류 용량은 피해가 없도록 하는데 적합한 어떤 전류를 흘릴 수 있어야 한다고 되어 있다. NEC는 또한 접지 경로는 전압을 억제하고 보호 장치의 동작을 조성하기에 충분히 낮은 임피던스를 가져야 한다고 되어 있다. 접지 경로의 최대 접지 전류 임피던스를 결정하는 공식은 다음과 같다.

노이즈 억제

노이즈 제어는 접지의 셋째 이유이다. 노이즈는 접지 시스템에 흐르는 원치 않는 전압과 전류이다. 이것은 방사되거나 전도된 모든 근원에서 오는 신호이다. NEC나 지방 표준에 기재되기로는 접지하는 첫째 이유가 안전이라 되어있다. 접지의 어떤 변경으로서 성능을 개선하거나 노이즈 억제를 제거하는 것은 NEC 최소 요구 사항이다.

저전압 케이블 예를 들어 통신 케이블에서 다른 접지 시스템간에 전위차가 생기면 절연에 자극을 주거나 순환전류가 흐를 수 있다.

오늘날의 전기 환경에서는 서로 물리적으로 꽤 거리가 떨어져 있는 건물이 통신 회로를 통하여 연결될 수 있다. 그 한 예로 대학의 캠퍼스는 몇 평방 마일의 면적을 가지며 각 건물은 각각 접지시스템을 가지는 경우를 들 수 있다. 만약 이 접지시스템이 서로 연결되지 않았으면 통신 케이블을 통해 접지전류가 흘러 노이즈가 통신에 끼어들 수 있다. 접지의 노이즈 억제를 위한 숨은 아이디어는 등전위 시스템을 만들어 내는 것으로서 바꾸어 말하면 접지시스템 사이의 전위차를 제거하는 것이다. 등전위 접지시스템에서 접지시스템에 전류가 유입되면 전체 시스템이 전위가 올라갔다 내려갔다 할 뿐 전위차는 생기지 않을 것이다.

공통접지와 독립접지의 배선 관계의 문제점

전원품질에 관련된 대표적인 접지 배선문제를 여기서 다룬다. 이들 문제에 대한 가능한 해법이 주어지고 더불어 접지 시스템에서 본 문제의 원인도 살펴본다.

그림1-1(a) 독립접지의 모델

그림1-1(b) 공통접지의 모델
그림 1-1 독립접지방식과 공통접지방식 모델

그림 1-1(a)와 같이 접지 R1, R2, R3, R4가 각각 독립적으로 구성된 접지방식을 독립접지방식이라 하고, 1-1(b)과 같이 접지 R1, R2, R3, R4가 모두 공통적으로 구성된 접지방식을 공통접지방식이라고 한다. 본 그림에 접지간의 전위차를 표기하지 않았지만, 독립접지 방식은 각 접지 간에 전위차가 0.5 V 이상이고, 그림 1-1(b)의 공통접지방식에서는 상호 접지간의 전위차가 0.5 V 이하의 값을 갖는 것이 이상적이다.

절연된 접지(insulated ground)

절연된 접지는 그들 간의 문제가 없다. 그러나 잘못 사용되는 절연된 접지는 문제가 될 수 있다. 절연된 접지는 접지 시스템에서 노이즈를 억제하는데 사용된다. 이것은 절연된 접지 리셉터클(receptacle)을 사용함에 의하여 이루어지는데 아울렛(outlet)의 바깥쪽에 “D” 표시가 되어 있다. 1996년에 이것을 절연된 접지라 말하게 되었다.

접지 루프(ground loop)

그라운드 루프는 몇 가지 이유로 생길 수 있다. 통신회로와 같이 분리된 접지 시스템을 연결하는 여러 장치가 한 공통접지회로를 나누어 쓰는 경우가 그 하나이다. 이러한 문제를 해결하는 방법은 한 빌딩 안에서의 접지시스템은 단 하나의 접지로 하는 것이다. 하나 이상의 접지전극을 사용할 때에는 그들을 반드시 함께 연결해야 한다.(NEC 250-81, 250-83, 250-84)

복수 중성의 접지 접합

접지 장치에 관한 다른 잘못된 개념은 중성(neutral)은 반드시 접지도체에 연결해야 한다는 것이다. 어떤 시스템이나 보조 시스템에서 중성과 접지는 단 한곳에서 이루어져야 한다. 이것은 대체로 서비스 입구(service entrance: 배전반, 분전반)에서만 한다.

다만 변압기(절연 변압기)나 발전기 또는 어떤 형태의 변환기와 같은 분리공급 시스템에서는 NEC 250-26(그림 1-2)에 의하여 접지 한다. 서비스 입구에서 내려온 중성과 접지 도체는 모든 판넬과 접속 박스에서 분리되어 있어야 한다. 별도의 중성 접지의 접합은 중성 전류가 접지시스템으로 흐르게 할 수 있다. 전력 시스템에서 이러한 접지로의 전류 흐름은 병열 경로를 형성하게 된다. 다시 말하면 접지 루프(ground loop)가 만들어 진다. 이 접지 루프에 장비의 접지를 같이 사용하는 통신 또는 측정 장치에서는 입력 신호 선이 다른 장비와 연결된 경우 중성 전류에 의한 노이즈가 분명히 문제가 될 것이다.

만약 앞에서 언급한 분리공급시스템을 사용할 때에는 중성 또는 기준점 전압이 그라운드로부터 높거나 또는 흔들리는 까닭에 새로운 접지된 도체(중성, 기준점)를 수립해 주어야 한다(중성 또는 기준점을 그라운드와 접합).

그림 1-2 NEC 250-26의 중성선 접지시스템

접지전극(접지봉)의 추가

접지봉의 추가는 접지시스템에서 다른 한 문제이다. 장비나 건물을 위한 접지봉은 접지시스템의 일부분이어야 한다. 접지봉은 빌딩의 모든 접지전극이 함께 묶여진 곳에 연결되어야 한다. 격리된 접지는 NEC의 격리 접지 섹션에 기술되어 있는 그대로 해야 하지만, 분리(개별)접지전극과 혼동해서는 안 된다. 분리접지전극은 허용되지 않는다. 접지봉 추가의 주된 문제는 뇌 치는 것과 같은 순시 전류의 2차 경로를 만든다는 것이다. 빌딩이 한 개의 접지봉을 사용한다면 빌딩 안으로 들어온 뇌에 의한 어떤 전류도 한 점으로 들어올 것이다.

전 건물의 접지 전위는 같이 올라가거나 내려갈 것이다. 그러나 만약 하나 이상의 접지봉이 있다면 건물 안으로 들어오는 순시 전류가 각 접지봉으로 흐르므로 장치의 접지 전압은 다른 수준으로 올라갈 것이다. 이것은 그 결과로 심각한 순시 전압 문제와 도체의 과부하 조건을 초래하게 된다.

불충분한 중성도체

상업적인 건물에서 접지 장치 사용이 증가하면 접지된 도체(중성도체)에 부여한 전류 증가 관련 문제도 증가한다. 밸런스가 잡힌 일반적인 3상에서는 이론적으로 중성 도체에 아무런 전류도 흐르지 않는다. 그러나 레이저 프린터나 타 전기 사무기기들은 그것들이 동작하기에 필요한 전력을 받는 기본적인 파워를 받는 기술이 모두 동일하다. 즉, 사용 전력은 일반적인 220 V이고 내부 전자 부품에 필요한 전압은 다양한 직류 전압(예를 들어 ±5 V, 12 V DC)이다.

이 DC 전압은 AC 전압을 일정 타입의 정류 회로를 통하여 변환하여 얻는 것이다. 이러한 형태의 전원 공급 장치는 스위치 모드 파워 서플라이(SMPS)라 한다. SMPS를 사용하는 장치들은 전력 시스템에 3의 홀수 배수 고조파(harmonic)를 배출한다.

3의 홀수배수 고조파는 기본 수파수의 3의 배수 중 홀수인 3, 9, 15, 21,…배 고조파를 말한다. 밸런스 잡힌 3상 부하 시스템에서는 기본 주파수와 3배 고조파 성분이 존재한다. 키르히호프의 전류법칙을 중성 노드(node: 회로에서 부품이 만나는 점)에 적용하면 중성에서는 기본 주파수는 “영”이다. 그러나 밸런스가 잡힌 경우 3차 고조파는 각 상에서 위상이 일치하기 때문에 중성에서 3차 고조파의 상전류가 합쳐져서 진폭이 3배가 되어 흐른다. 이것이 사무용 건물에서 여러 개의 단상부하를 3상 시스템에서 공급받는 때에 문제를 일으키는 원인이다.

공통접지와 독립접지의 배선 관계의 문제점 요약

앞에서 논한 바와 같이 전기적 시스템에서 접지하는 세 가지 주 이유는 다음과 같다.

1. 인명 및 장비의 안전성 확보
2. 적당한 보호 장치 동작 확보
3. 잡음 억제

접지 목적을 수행하기 위해 수반하는 가이드 라인은 아래와 같다.

• 모든 장치는 안전 접지가 필요하다(한 개의 공통접지 도체)
• 접지시스템으로 부하 전류가 흐르지 않도록 한다.
• 한 접지시스템 안에서 모든 장치는 같은 등전위 기준에 놓는다.