3세대 접지기술 관련 자료

1. 접지관련 일반사항

접지의 개념

접지를 유럽권에서는 “Earthing”, 미국에서는 “Grounding” 이라고 표현하고 있다.

접지는 1754년 미국의 프랭크린이 연날리기에서 피뢰침을 착상한 것이 접지와 피뢰침의 시작이다. 1835년에 피뢰침의 다음으로 접지가 필요하게 된 유선전신의 모르스에 의해 실용화되었다. 1876년에 벨의 전화발명으로 전화용 가공선로에 낙뢰가 발생되면 시설 및 인명에 재해가 초래되기 때문에 이를 방지하기 위하여 등장한 것이 피뢰기이고 전화기의 보안기에도 접지가 필요하게 되었다.

이와 같이 초기의 접지는 낙뢰와 정전기 등으로부터 인명과 장치를 보호하는 역할에 주력하였으나 오늘날의 접지는 낙뢰는 물론 원하지 아니하는 과전류 및 과전압 유입, 전기적 잡음으로부터 전원, 통신 제어시스템 등의 복잡한 전기, 전자적 시스템을 안정적으로 동작하게 하는 기능용 접지에 이르기 까지 많은 관심을 가져야 할 것이다.

접지는 그 사용분야 및 목적에 따라 분류되며 인명이나 설비의 안전을 목적으로 한 경우에는 보안용 접지라 하며, 장비나 시스템의 안정적 가동이나 운용을 목적으로 한 경우에는 기능용 접지라 한다.

지금까지 접지는 주로 전기 및 전력 분야에서 송.배전 설비 및 낙뢰에 의한 인명과 설비의 손상을 방지하기 위한 차원원서 다루어져 왔다. 하지만 오늘날의 전기, 전자 , 통신 그리고 반도체 기술의 눈부신 발전은 거의 모든 설비의 소형화, 고 집적화를 가능하게 하였고, 초고속 종합정보통신망을 이용하여 각종의 데이터, 음성, 화상에 이르는 모든 정보를 서비스할 수 있게 되었으며, 또한 컴퓨터를 통해 모든 정보를 공유할 수 있는 고도의 정보화 시대를 맞이하고 있다.

이러한 소자 및 장비 기술의 비약적인 발전은 전자회로의 고 기능화 와 고 밀집화를 이룩하였으며 이로 인한 전자파의 간섭과 장해는 매우 심각한 수준에 이르고 있다.

따라서 고도화된 정보 통신 시스템의 효율적이고 안정한 운용 및 우수한 통화 품질의 확보와 오동작을 방지하기 위해서는 고 신뢰성의 우수한 접지가 요구된다.

접지시스템이 불량하여 전위상승에 따르는 장해로서는 최악의 경우는 감전사고 발생이

있으며 기기에 대해서는 손상, 잡음(Noise)발생, 오동작 등이 발생하게 된다. 구체적으로 비가 많이 오는 여름철이나 심한 먹구름(적란운)을 동반하는 날씨에서는 교통 신호등의 오동작, 순간적인 정전, 전주 위에서의 변압기나 고압선의 방전(아아크 현상), 라디오 전파 혹은 무선전파 등의 불량 송수신(잡음현상), 사무실내에서의 OA기기의 순간 정전 등이 이러한 접지시스템이 불량하거나 순간적인 써지(Surge) 현상에 의해서 나타나는 것이다.

접지의 최대 목적

접지시스템의 설치 목적은 인명 및 가축의 안전을 확보할 뿐만 아니라 전기, 전자, 통신 및 각종의 제어기기의 손상 방지와 안정적 운용에 있다. 이러한 필요성을 만족하기 위해서는 접지설계에서 시공까지 접지시스템에 대한 전반적인 이해 및 적용이 필요하다. 접지란 학문적인 정의에 의하면 전기설비를 전기적으로 대지와 결합하는 것을 의미한다. 이러한 접지시스템은 2가지의 목적을 가진다.

첫째, 전력계통내부에서 야기되는 사고 또는 낙뢰와 같은 외부적인 요인에 의해 발생되는 고장전류 혹은 써지를 효과적으로 대지로 분산시킴으로서 기기의 절연파괴를 방지하는 기기보호측면에 기여하고, 무한대의 기준점을 전위로 볼 때 접지점에서의 전위인 접지전위의 상승을 억제함으로서 안전사고와 같은 인적사고의 예방에 기여한다.

둘째로 확장된 접지시스템, 특히 직접접지방식의 경우에 꼭 필요한 기준전위는 대지를

전위로 하므로, 양호한 접지를 통한 기준전위의 제공은 모든 전기전자 장비를 하나의 대규모 시스템이 되는 것을 가능하게 한다. 접지란 통신장비 혹은 전기설비와 같은 시스템을 대지 즉 지구에 전기적으로 접속시키는 것을 말한다. 이러한 대지와 설비 간의 전기적 접속을 통해 사람 및 전기설비 혹은 전기기기의 안전을 확보하며, 또한 통신장비, 제어장비 그리고 전자 및 전기 설비의 안정적 운용을 확보할 수 있게 한다.

또한 안정적 접지는 누설전류 혹은 고저압 혼촉에 의한 감전 사고를 예방하고, 낙뢰나 뇌 서지로 인한 인명 혹은 설비의 피해나 화재를 예방하여 인명의 안전 및 기기의 안정적 운용을 확보할 수 있도록 한다.

따라서 현대의 산업설비 및 기술의 눈부신 발전과 초 고속통신의 고도 정보화 시대에 맞는 접지의 중요성과 설치 목적에 부합된 접지시스템의 구축은 절대적이며, 이를 통해 우리는 안전성이나 경제성면에서 많은 유익을 얻을 수 있다.

접지의 필요성

* 낙뢰 및 Surge 피해로부터 전자통신정보화 시설물을 보호하기 위함

* 전기전자통신기기의 원활한 기능을 확보하기 위함

* 낙뢰, 지락, 감전 등과 같은 전기적인 충격으로 부터 인명을 보호하기 위함

* 충격전류를 신속히 제거하기 위함

접지의 분류

접지의 분류에 관해서는 사용분야,목적,접속형태,접속위치,시공방법등의 조건에 따라 많은 종류로 분류할 수 있으나 이론상의 분류로, 그 뜻이 무의미해져 버린 경우가 많아 접속 형태에 따른 공통 및 독립접지에 관해서만 살펴본다.

특기: 국내의 접지기술규정은 국제기술규정(IEC)과 동일한 KSC-IEC 기술규정으로 2005년 개정이 이루어졌다. 따라서 국내의 접지방식은 국제기술규정이 공통접지방식을 적용하고 있다.

그동안 접지방식에 많은 문제점이 있었던 이유는, 일본의 델타결선방식의 3선 전원공급방식에나 적합한 독립접지방식을 우리는 Y결선방식의 4선 전원공급방식을 사용하면서도 일본의 접지방식인 독립접지방식을 채택하였던 것이 가장 큰 원인이다.

*3선 델타방식을 채택한 국가(일본, 온두라스, 소말리아 등 7개 국가)이고, 미국과 선진 외국 그리고 우리나라를 비롯한 대다수 국가에서는 4선 Y방식으로 전원공급방식을 채택 하고 있음.

*공통접지

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 철골 구조를 이용 각각의 접지 전극을 연접하여 공통접지를 구성하고, 접지를 필요로 하는 모든 설비를 이 공통접지에 접속하는 방법이다.

① 접지선이 짧아지고, 접지 배선 및 구조가 단순하여져 보수 점검이 쉽다.

② 각 접지 전극이 병렬로 연결되므로 합성 저항을 낮추기가 쉽다.

③ 공통의 접지 전극에 연결되므로 등 전위가 구성되어 전위차가 발생되지 않는다.

④ 시공 접지봉 수를 줄일 수 있어 접지 공사비를 줄일 수 있다.

*독립접지

독립접지는 접지의 성능악화나 접지 손상시 독립적으로 장비나 설비를 보호할 수 있다는 장점이 있으나, 시공시 각각의 접지 간에 충분한 이격거리를 두어야 하며, 서지나 노이즈 전류 그리고 뇌 전류 유입시는 장비 간에 그리고 설비간에 전위차가 발생하여 장비나 설비에 손상을 주거나 오동작을 유발하는 단점이 있다. 독립접지 시공시 하나의 접지에 의해 다른쪽 접지가 전위 상승을 일으키지 않도록 하기 위해서는 두 접지간의 거리는 무한대로 이격되어야 한다. 하지만 이것은 현실적으로 불가능하므로, 접지의 전위상승이 일정한 범위 내에 수용되면 독립 접지로 볼 수 있다.

공통접지 기술규정(Common Grounding)

<특성 및 방식 공통 접지 기술 규정>

IEEE STD 142-1982, IEEE/ANSI STD 81-1983, ANSI/NEPA-70, ANSI/NEPA-780,

NEC 규정, IEC, IEC-KSC.

<접지 구성>

빌딩내의 통신, 전기, 피뢰 접지를 하나의 접지에 공통으로 연결하는 접지

<낙뢰 보호>

뇌 전류는 전류랑은 크지만 지속시간이 극히 짧아 신속하고 안전한 방전경로를 구성하여 안전하게 대지에 방전시키는 방식보다 접지선을 통한 2차 피해를 방지할 수 있는 에너지 변환방식으로 전기특성을 제거하는 것이 3세대 접지방식임.

*뇌 전류 용량 : 1KA~140KA 이하, *지속 시간 : 40μS ~ 50μS 이내

IEEE STD C62.41, IEEE/ANSI STD 81-1983, ANSI/NEPA-70, ANSI/NEPA-780,

IEC, IEC-KSC

<확인 사항>

공통 접지에 뇌 전류 유입시 각 장비가 등 전위로 구성되어 유입된 전류는 일부 대지로 방전도 되지만 접지선 혹은 전원선, 데이터 선로를 통하여 장비들에 유입이 되어 2차 피해가 발생하는 것을 방지하기 위하여 대지로 방전이 아닌 접지장치 자체에서 에너지변환을 통하여 전기적 특성을 제거 하는 방식이 3세대 접지방식임.

접지와 Surge의 관계

인명이나 기기의 보호를 위해서 접지는 설치가 필수적이지만, Surge의 측면에서 보면 접지가 있으므로 인하여 훨씬 많은 Surge가 유입되며 접지의 성능이 우수할수록 Surge의 유입은 많아진다. 그 이유는 낙뢰 등으로 지면에 형성된 강한 Surge가 접지선을 타고 들어가 전기. 전자기기의 Ground의 전위가 상승하므로 부품의 파손을 일으킨다. 따라서 이와 같은 낙뢰전류와 Surge의 유입으로 인한 피해를 예방하기 위해서는 근본적으로 낙뢰전류나 Surge의 전기적 특성을 접지장치에서 근본적으로 제거하여서 2차 피해를 예방할 수 있는 3세대접지방식의 대책이 요구 된다.

2. 접지측정/평가 관련 국제/국내 기준 방법

국제기술기준:

IEC 60364, IEC 61643, IEC 62305, NEC, ANSI, IEEE

국제제품인증 기준:

ISO14001, ISO 9001, CE, UL

소결: 접지 및 피뢰기술과 관련하여 등전위 접지 및 피뢰시스템에 근거한 공통접지방식을 규정하고 있으며, 접지저항에 대한 기준은 없다. 미국과 유럽 선진국의 경우에 발전소, 송 변전소와 같은 대규모 설비를 제외하고는 접지저항값에 대한 기준이 없다.

특히 미국의 경우에 접지저항 기준이 없고, 안전 전위상승에 대한 규정을 하고 있다.

제품인증은 미국과 북미에서는 UL 인증, ISO14001, ISO 9001을 주로 적용하고 있고

유럽과 아시아에서는 CE인증, ISO14001, ISO 9001을 제품인증기준으로 이용 한다.

국내기술기준:

KSC-IEC 60364, KSC-IEC 61643, KSC-IEC 62305, 내선규정, 한국전기안전공사

소결: IEC 규격을 가감 없이 원본번역을 활용을 하기 때문에 국내기술규격은 IEC의 기술규격과 동일하다.

국내제품인증 기준:

조달청 우수제품인증, 중소기업청 성능인증, ISO14001, ISO 9001, CE, UL, Q 마크.

제품인증은 CE 인증, UL, ISO14001, ISO 9001을 주로 이용하고, 제품의 품질과 제품의 성능인증은 조달청 우수제품인증서와 중소기업청 성능인증서를 인정한다.

시험성적서는 한국전기연구원(KERI)과 한국전자시험연구원(KETI)을 이용한다.

3. (주)그라운드의 접지기술 및 제품 소개

3.1. 3세대 접지장치(eca3G)

◆ 3세대 디지털 접지장치 (조달청 우수제품 인증번호- 2007093호)

인류 최초이자 세계 최초로 "땅에 매설할 필요가 없는 접지장치"로 국제특허(PCT /KR 2006002907)를 받은 최첨단 "3세대 디지털 접지장치"이며, energy converter apparatus의 이니셜로 "eca3G"라고 한다.

eca3G는 전원을 통하여 유입되어 장비를 손상하는 이상전압과 이상전류를 분석하는 검출장치, Surge와 Noise 감쇄장치, 이상전압 방전장치와 전하 중화장치로 구성되어있으며, 전위불변을 만들어주는 전위동반상승 장치와 전위불변 원리를 이용한 3세대 디지털 접지장치이다.

eca3G는 피뢰침에 유도된 낙뢰전류, 전원선에 유도된 낙뢰 Surge전류, 장비에 유입된 SurgeㆍNoiseㆍESDㆍEMI 접지전류와 Surge Protector의 방전전류를 서지 프로텍터(SPD)나 서지어레스터와 같이 접지전극을 이용하여 대지에 단순 방전시키는 것이 아니라, 열변환과 Arc 변환과 같은 에너지 변환을 이용하여 전기적 특성 자체를 원천적으로 제거하는 접지 및 피뢰장치이다.

eca3G가 개발됨으로써 낙뢰방호와 접지대책에 있어서 기존의 접지봉 매설, 피뢰침 설치 등의 2세대 접지 및 피뢰장치를 대신하는 경제적이며 과학적인 혁신이 이루어진 것이라고 할 수 있다.

특히 3세대 접지장치인 eca3G는 2006년도부터 현장 운용시험을 실시하였고, 서울시도시철도공사 마포구청역, 청와대 경호처 통신실, 국통사, 해군, 해병대, 전파중앙관리소, KBS(함백산, 팔공산, 일월산, 우암산, 흑성산), MBC 초록봉 중계소, 창원시 상하수도 사업소, 수원시상수도사업소, 산림청, 강원소방서(강원 전역 70개 사이트), 수협, 항만청 등 관공서 및 군부대, 산업체 등에 1000 Set 이상을 설치 운용하고 있고, 특히 2008년 00월부터 00사령부 00통신단 통신차량에 eca3G 4대를 시범 설치하여 운용 중에 있으며, 2008년 00월 00일에 FTX 훈련에 참가하는 지원차량에 LM Series 8대, 통신차량에 CM Series 8대를 각각 설치하여 FTX 실전훈련에 참여하여 검증을 실시하였고, 그 결과는 아래와 같다.

■ 상태측정: eca3G 설치 차량 중대의 자체 측정

■ 대상차량: 00부대 00중대

■ 측정내용: 통신기기 FTX 훈련 운용 중에 통화품질을 측정

■ 측정기준:

UHF 다중채널운용무전기

Local Level: -57dBm *자국과 타국의 수신세력이 -76dBm 표시.

BER: 0E-6(에러율)* 백만 개 중에 에러가 하나도 없음을 나타 냄.

■ 설치부대: 00통신단 000대대 00중대

- eca 3G 장비설치 후 정전기 및 감전 현상이 일어나지 않는다.

- 접속부대가 많아도 통신 품질이 떨어지는 현상이 전혀 없다.

- 접지봉을 설치하지 않아서 매우 신속하게 작전을 전개 할 수 있어서 좋다.

- 접지봉을 박는 것과 또 접지봉을 빼내는 어려움이 모두 해소 되었다.

- 특히 동절기 훈련 때에 땅이 얼었을 때 매우 유용하게 사용 할 수 있을 것 같다.

▶ ISO 인증제품- ISO14001:2004 인증

▶ CE-인증제품- 제 PGS-0101∼3

▶ 전기전자시험연구원(KETI)성능확인시험 필

▶ 신기술벤처기업 생산제품-제061625231-1-00669호

▶ INNOBIZ기업 생산제품- 제6066-3249호

▶ 수출제품-수출유망중소기업 생산제품-제2006-27호

▶ 국제특허등록 제품- PCT/KR2006002907

▶ 특허등록 제품- 제 10-0599359호

▶ 중소기업성능인증제품 - 제27-098호

▶ 정부조달우수제품 인증 - 제2007093호

3.2. PGS-접지봉

◆ PGS 접지봉 (조달청 우수제품 인증번호-2007120호)

접지촉매제와 함께 사용되는 PGS 접지봉은 XL과 XC가 공진이 되도록 구성되었고, 병렬집합계수 효과와 전위간섭효과, 중첩 효과를 방지하도록 Runge-Kutta수치해석 프로그램과 컴퓨터 simulation으로 설계하였으며, 접지 임피던스(Impedance)를 최저화하고 형태와 규격을 현장의 여건에 적합하게 조절하여 시공된다. 이러한 설계를 통하여 낙뢰. Surge, Noise, ESD와 같은 고주파 Impulse 특성전류를 신속하게 방전 중화함으로써 100% 완벽한 장비와 인명보호의 목적을 달성할 수 있다.

- 99.8%의 순 동(Cu)재질

- 접지봉의 수명 30년 이상보증

- 병렬집합계수 방지 효과 특허

- 전위간섭 방지 효과 특허

- 중첩효과 방지 효과 특허

▶ 국가지원사업-중소기업청 기술혁신과제 "성공" 판정 제품

▶ 신기술벤처기업 생산제품 제061625231-1-00669호

▶ INNOBIZ기업 생산제품 제6066-3249호

▶ 수출유망중소기업 생산제품 제2006-27호

▶ 한국전기연구원(KERI)성능확인시험 필

▶ UL-인증 획득제품 E258509 UL America

▶ 특허등록 제품 제10-0561179 호

▶ 중기청 성능인증 획득제품 제27-098호

▶ 정부조달우수제품 인증-제2007120호

3.3. PGS-접지저감제

◆ 접지저감제 (조달청 우수제품 인증번호- 2007094호)

접지 촉매제(Active Catalyzer)는 PGS 공법을 구성하는 한 요소로서 낙뢰의 물리학적 특성을 근거로 하여 고주파수 임펄스특성인 낙뢰전류의 전기적 특성을 중화 시키고, 또한 접지 임피던스가 낮아 고주파 전류를 빠르게 방전 할 수 있다.

접지촉매제의 특징은 다음과 같다.

- 낙뢰 및 Surge전류의 전기적 특성을 중화 제거하는 중화 촉매제

- pH10 미만의 알카리성 이온 전해질 생성

- 접지저항 저감 효과

- 수분흡수로 응고가 되지 않아 겔 형태로 저항변화 없음. 30년 이상 보증

- 음전하를 갖는 특성으로 전류를 신속방전 하는 촉매 효과 매우 양호

- Pore, Channel로 이온교환 금속이온이 있어 전기적 촉매효과 양호

- 천연의 광물질로 구성 환경친화제품 - 한국화학시험연구원 시험합격

- Active, lon Catalyzer의 결합으로 전해질 방출로 전기적 전도성이 양호한 특성이 있다.

▶ 국가지원사업-중소기업청 기술혁신과제 "성공" 판정 제품

(과제명: 뇌서지 보호를 위한 접지저감제의 개발제품)

▶ 신기술벤처기업 생산제품-제061625231-1-00669호

▶ INNOBIZ기업 생산제품-제6066-3249호

▶ 수출제품-수출유망중소기업 생산제품-제2006-27호

▶ 한국전기연구원(KERI)성능확인시험 필

▶ 한국화학시험연구원 시험 필

▶ ISO 14001, ISO 9001-인증 획득제품

▶ 특허등록 제품 제 0444909 호

▶ 중기청 성능인증 획득제품 제27-098호

▶ 정부조달우수제품-제2007094호

3.4. (주)그라운드 국내외 취득 인증서