□□□□□□ 접지 저항의 측정 기술 □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□

접지 저항 측정에 관한 문제점

Some Knowledge on Earth Resistance Measuring

井 上 一 男

中央防雷 (株)

(株)海光防雷

1. 머리말

접지 저항의 측정은 □접지□에 관한 마지막 마무리이다. 그렇지만, 의외로 의문점이 남아 있으며, 아는 듯하지만 모르는 문제가 접지 저항 측정에 있어서 몇 가지가 있다.

그 가운데 □접지□ 그것을 전기 공학과 수학의 고도의 해석 수법을 구사하여 이론적으로는 깊이 연구·해석되어져 온 것에 반해 실제 현장에서는 대지의 만만치 않은 반격을 받아, 이론식과 실제는 아직도 차이가 있음을 느낀다.

접지 설계의 결과를 증명하는 것이 □측정□이지만, 이것은 또한 대지의 다양함에 따라 많은 오차가 있어, 측정 결과의 신뢰성을 논하지 않으면 안 되는 경우가 적지 않은 것이다.

접지 저항의 설계치와 공사 실시 후의 측정치, 이 두 개의 차를 줄이는 일이 연구자, 기술자의 숙원이며 필자도 그 말석의 한사람이다.

접지 설계는 현시점에서는 대지 저항률의 측정을 시작으로 가능한 한 많은 조사 자료를 근거 삼아, 공사 방법을 취사 선택하고, 더욱이 그 위에 상당한 안전율을 고려하여 목표 저항치를 결정하고 있는 것이지만. 이렇게 하여 공사한 값이 설계 값을 조금 넘는 경우 측정 상에 문제가 있는 것은 아닐 까라고 하는 의문이 생기는 것은 당연하다고 생각된다.

접지 저항 측정 상의 문제점에 대하여 필자가 항상 경험하고 있는 것 중에서 몇 가지를 들어 문제의 분석, 대책 등에 대하여 제안하고 싶다.

본문에 들어가기 전에 필요하다고 생각되는 □접지 저항의 정의□에 대해서 언급하겠다.

접지 저항이라는 것은 대지에 직접 접촉하고 있는 □①접지봉, 그 것의 전기 저항  ② 도체와 대지 사이의 접촉 저항 ③ 대지를 전류가 확산하며 흘러 무한 원점에 이르는 경로의 대지 저항에 의한 □[eqn: i]·□의 3자의 총합이다□라고 되어 있다. 통상은 제 3번째의 요소가 90%를 점유한다. 실제는 이들 저항은 많은 조건(소위 대지 파라미타)(계절,기후조건 등도  포함된다)에 의해 크게 변화한다. 또 전극과 대지와의 접촉 저항만을 분리하여 측정하려고 하더라도 무리이다. 따라서 실용상 □측정 대상의 접지 극에 충분한 원거리에서 일정의 전류를 흘려 그 전위 상승을 통전 전류로 나눈 값□을 그 접지 극의 접지 저항이라 하고 있다.

충분한 원거리라고 하는 것은 어느 정도인가, 전위 상승을 측정하는 기준점은 어디로 잡으면 좋을까 등이 문제이지만, 이들에 대해서는 접지 저항 측정 상의 커다란 문제이므로 뒷장에서 설명해 보기로 한다.

접지 저항 측정은 위의 정의에 준하며, 직독계기이건, 간접법(전압전류계법)이건, 측정 대상극(이하, E극이라 칭하기로 한다)에 시험 전류를 흘려 전위를 상승시키고 가상 무한 원점을 정하여 그 점에서 측정한 상승 전위와 시험 전류치에서 산출 또는 직독하는 방법으로 되고 있다. 이 때문에 시험 전류 발생 장치 및 조정 장치, 전류 주입을 위한 보조극의 시공, 배선, 가상 원점의 설정, 전극봉의 길이, 전위 보조선의 배선, 전류계, 전압계 등에 의해 구성된 직독계에서는 전류 발생과 측정기가 함께 내장되어 있는 것이지만, 이 변수들 때문에 측정기의 오차는 당연하고 그 외 측정치에 영향을 주는 요소가 적지 않으리라는 것은 예상되고 있는 것이다. 이하, 다음과 같이 구분하여 논하고 싶다.

1.  측정기의 문제

2.  보조극 위치 및 보조 배선의 문제

3.  NOISE의 문제

4.  그 외

2. 측정기의 문제

2.1 접지 저항 직독계

접지 저항 직독계에는 먼저 JIS C 1304 □접지 저항계□에 규정된 것이 있다. 전지 또는 발전기를 내장하여(JIS는 전지식만, 단지 원리는 같은 것이므로 적용할 수 있는 곳은 이 규격에 따르도록 해설에 기록되어 있다), 시험 전류를 발생시켜 접속 단자에서 그 전류를 보조극으로 흘려, 규정 대상극의 전위 상승을 전류치로 나누어 저항치를 직독한 것으로 다음의 종류가 있다.

(1) JIS C 1304 로 정해진 종류

a. 전위차계식 접지 저항계

b. 전압 강하식 접지 저항계

a는 영위법(평형법), b는 편위법(지시법)이며, b는 a와 같이 BALANCE를 취할 필요는 없다.

이 외 a의 원형인 시멘스식 측정 장치, 대지 저항률 측정 장치를 사용하는 방법 등이 있지만, 원리는 대부분 비슷하므로, JIS를 주체로 기술할 필요가 있다고는 하지만 그 외의 측정기도 언급한다.

a. 전위차계식 접지 저항계

JIS의 제정품에 들어가기 전에 이 방식의 원조라 생각되는 □시멘스식□이 알기 쉬우므로 시멘스식에 대하여 설명한다.

그림-1에서 준비한 자석 발전기 G에 의해 발생시킨 교류 [eqn: I]1(30Hz정도)은 측정 대상 접지극 E극에서 대지를 통하여 되돌아온다. 전위 보조극 P극은 E, C극 중간에 EC간의 전위가 + - 반전하는 부근(가상 영전위점)에 박아 넣고, RECEIVER T를 통하여 SLIDE 저항으로 접속된다. SLIDE 저항에는 CT의 2차 전류 [eqn: I]2가 흐르고 있다. 지금 CONTACT(접점) S를 조절하여 BALANCE가 잡히면(T의 음이 없어진다. 또는 최소가 된다), PS간의 전류는 최소가 되고 EP간의 전위차는 E극의 전위 상승분 [eqn: I]1[eqn: R]만이 된다(물론 EP간의 대지를 흐르는 전압 강하도 포함되어 있다(접지 저항 정의 참조)). [eqn: I]1과[eqn: I]2는 A점에서 접속되어 있다(이것은 전위의 기준점을 만들기 위함이고, 전류 [eqn: I]1, [eqn: I]2는 각각 회로(귀로)가 정해져 있기 때문에 혼류하는 것은 아니다).

CT의 변류비를 1:1 이라 한다면 [eqn: I]1 =[eqn: I]2 이므로 [eqn: I]1[eqn: R]1 =[eqn: I]2r이 되기 때문에, [eqn: R]1 = r이다.

CT의 변류비 [eqn: I]1/[eqn: I]2 를 10, 100이라 한다면, 측정 범위를 확대할 수 있다.

JIS에 정해진 전위차계식 접지 저항계도 원리는 시멘스식과 같지만, 측정 정도를 올리기 위해서 여러 가지 기술이 도입되어지고 있다.

그림-2는 전위차계식 접지 저항계의 예이다.

전지는 이 예에서는 단일 건전지 4개 6V, 이것을 전원으로하여 MULTI-VIBRATOR등에 의해 약 500Hz의 구형파를 발진시킨다(사진-1 참조). 또한 증폭한 전류를 E극 및 C극간에 흘린다. EP간의 전위를 SLIDE 저항으로 평형을 잡으면, 접지 저항치를 직독할 수 있다.

통전 전류치가 불과 (수 10mA ∼ 수 mA)이므로 PS간의 전류치는 □A 정도이다. 따라서 AC 그대로는 오차가 크기 때문에 정류하여 검류계를 읽도록 되어 있다(1예에서는 50□A의 검류계가 쓰이고 있다), 정류는 전류 파형이 구형파에 가까우므로 그림-2의 우측 설명도와 같이 전원에서 신호를 보내 소위 □동기정류□를 하고 있다.

b. 전압 강하식 접지 저항계

이 방식은 제조자가 □자동식□이라 이름 붙인 예도 있듯이 시험 전류 통전 즉시 지시계로 저항치가 읽히도록 되어 있는 것이다. 그림-3은 전압 강하식 접지 저항계의 예이다. 전원에 기준 전압 발생기와 자동 전압 조정기를 가진 출력 전류에 센서를 넣고 항상 일정 전류를 흐르게 하고 있다. 대지로 흐르는 AC는 D-A 변환기 (직류-교류 변환 장치, 앞서 말한 MULTI-VIBRATOR도 그 한 종류이다)를 사용하여 발생시킨다. 출력 전류치는 3∼5mA정도로 표-5와 비교하면, 적은 감도 있지만, JIS의 여러 조항은 충분히 만족하고 있다. 그림-4에 정전류 발생의 BLOCK 설명도를 나타낸다. 그림-3에 나타나는 E-P간의 전압을 전압계에 유도하여 정전류로 나눈 눈금을 표시해 두면 접지 저항을 직독할 수 있는 방법이다.

(2) 문제점

JIS의 적용 범위는 규격 제정의 경과에서 전기 공사자, 사업소의 전기 담당 기술자가 평상시 사용하는 일반적인 접지 저항계가 대상이며, 현재 가장 많이 생산되고 있는 것 - 전지식, 최대 눈금 1000□이하 - 라고 규정되어 있다. 그렇다고 해서 규정이 느슨하다는 것이 아니라, 중요한 것은 적정 또는 동시에 충분하다고 생각되어지는 규제가 되어 있다고 생각할 수 있다.

그중 문제점이라고 생각되어지는 곳을 발췌한다. 자세하게는 해당 JIS를 참조하기 바란다.

a. 접지 저항 측정치의 허용 오차

먼저 가장 중요한 점은 접지 저항 지시치의 오차이다. JIS에서는 이것을 표-1과 같이 규정하고 있다. 측정계의 저항 눈금은 일반적으로 전압강하식은 등분 눈금으로 10, 100, 1000□과 같은 RANGE 변환이 있으며, 전위차계식은 1 RANGE에서 단지 대수 눈금에 근접한 듯하다. 단지 전위차계 식에서 거의 등분 눈금의 것도 제작되어 있다.

표-1 접지 저항 측정의 허용 오차

단위□

□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□

□    눈금 양식     □     측정 범위    □   허용 오차    □

□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□

□                  □       0∼1000    □    □ 50       □

□   등분 눈금      □       0∼ 100    □    □  5       □

□                  □       0∼  10    □    □  0.5     □

□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□

□                  □ 200초과∼1000    □    □ 50       □

□ 상기 이외의 눈금 □  20초과∼ 200    □    □  5       □

□                  □   0    ∼  20    □    □  0.5     □

□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□

표-1의 단위는 □이므로 일반 지시계의 오차를 표로 나타내면, □5%급이 되고 여유도가 있게 된다. 어쨌든, RANGE가 작은 쪽에서 측정한 수치가 오차가 적고 신뢰성이 있다.

오차의 시험 판정은 JIS에서는 그림-5와 같이 실시한다.

가변 저항기를 쓰도록 되어 있지만, 고정 저항에서도 지장은 없다. 단, 등가 접지 저항 R□에 대해서는 오차율이 0.1□정도 이상의 것이 바람직하다고 한다. 0.1□은 상당히 심한 듯하지만, 전자 기기 관계의 저항이라면 2∼3개 조합하면 그렇게 곤란한 것은 아니다. 주지하고 있다고 생각되지만 참고로 표준 저항을 만드는 법을 언급한다. 지금 예를 들어 1.05 k□의 저항이 있고,  이것을 1k□□0.5□으로 하고 싶다. 병렬로 한 저항을 [eqn: R]x 로하면,

1.05 x [eqn: R]x

□□□□□□□□□□□ = 1에 의해, [eqn: R]x = 21k□

1.05 + [eqn: R]x

21k□은 표준 품이 아니므로 현재 시중에 있는 22.5k□을 사용하여 병렬 계산한다면, [eqn: R]=1.00318k□이 되어, 목표치는 1 자릿수 내리지 않으면 안 된다. 같은 방법으로 계산하여 303k□을 또 1개 병렬로 한다면, [eqn: R]=0.99987이 된다(그림-6 참조).

측정기의 출력 전류는 작으므로 WATT수에는 그다지 구애받지 않아도 좋지만, 온도가 상승하면 저항치가 변화하기 때문에 1∼2WATT이상 가능한 한 큰 쪽이 바람직하다. 그러면 이 측정기의 소유자가 정기적으로 점검·시험한다고 해서 어느 점을 영점 조정치로 보면 좋을까? JIS에는 특별히 규정은 아니고 [주요한 점]으로 되어 있으므로 어디라도 좋지만, 현장에서 사용될 때 측정 빈도가 큰 값이 있다면, 그 점을 중점으로 하면 좋겠다고 생각한다. 참고로, JIS에서 정해진 성능을 인정해 주는 [일본 전기 계기 검정소]에서는 표-2의 점에 대하여 시험하고 합격 기준으로 하고 있다1).

표-2 허용 오차의 시험점

시 험 점 (□)	허 용 오 차
300 100 10 3	± 50 ± 5 ± 0.5 ± 0.5

備考: 시험점의 값이 둘 이상인 RANGE일 때에는

하위 RANGE를 선택한다.

b. 지전압(地電壓)의 영향

지전압이라 하는 용어는 그다지 사용되고 있지 않는 듯하지만 달리 적절한 용어가 제안되지 않았기 때문에 이대로 쓰인다고 설명되어 있다.

지전압은 그림-7에 있어서 [eqn: i] = 0 이라고 한 경우에 E-P간의 전압이라 정의되어 있다. 이것이 발생하는 가장 큰 원인은 접지 도체에 접속된 기기·설비 등에서 유입하는 전류에 따른 전위 상승이지만, 경우에 따라서는 전기 철도, 방송 안테나 및 대지를 귀로로 이용한 전기 시설의 영향과, 특별 고압 송전선, 고압 배전선 및 뇌에 의한 유도 전압 등도 생각할 수 있다.

측정기의 E단자에 지전압이 가해지면 당연히 메타는 흔들린다. 규격은 이 영향의 정도를 규제하고 있는 것이다. 현장에 있어서는 측정기가 발생하는 전원과 지전압과의 주파수의 간섭(이것은 FILTER에 따라 어느 정도 제거된다)과 위상에 따른 문제 등이 있지만, 실내 시험법으로써 JIS에서는 그림-8에 따라 방법을 정하고 있다. 시험 점은 눈금치가 10□ 점에 대하여(시험 점의 값이 2개 이상의 RANGE에 있는 경우는 하위 RANGE를 선택한다) [eqn: R]□를 변화하여(JIS에서는 특별히 규정하고 있지 않지만, 일본 전기 계기 검정소에서는 [임의의 3점]이라 되어 있다. 그러나 5□, 3□과 [eqn: R]□이 작아진다면 시험 조건이 까다로워 질 듯하다), 등가 지전압을 5V 및 10V로 하여 지전압이 있을 때, 없을 때의 값을 비교하여 표-3에 따라 판정한다.

표-3 지전압 영향의 허용 한도

□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□

□등가 지전압(V) □ 지시치에 대한 백분율(%)□

□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□

□      5        □          □ 5          □

□     10        □          □ 30         □

□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□

그림-8에 있어서 1:10의 변압기를 삽입하는 것은 SLIDE 변압기(슬라이닥TM) 접점의 이동에 의해 IMPEDANCE가 변화하여 [eqn: R]□에 영향을 주므로 이것을 경감하기 위함이다.

그러나, 지전압에 관해서는 이 측정기가 E극의 전위 상승을 측정하도록 되어 있는 것을 별도의 전위가 이 극에 발생하기 때문이라고 하여, 그 영향을 낮게 억제하는 것은 문제가 있는 것은 아닐까, 측정기의 발생 주파수를 바꾸어 필터를 사용한다면 확실히 측정시 지전압의 영향을 감소시키는 것은 가능하지만, 현장에서 발생하는 지전압은 거의 상용 주파수이며, 또 접지 저항도 상용 주파수에 대하여 동작하는 것이 많을 것이므로 지전압 발생 원인을 별도 조사하여 대책을 강구하는 것이 선결 문제가 아닐까 하고 생각한다.

또, 측정 주파수를 바꾸더라도 영향이 남는 경우가 있고 지전압이 충분히 제거되지 않았다고 한다면, 후에 기술하는 전압, 전류계를 이용한 전위 강하법에 의한 측정을 하지 않고 표류 전위 V0 (=지전압)을 측정하여 계산에 의해 이것을 제거하는 쪽이 보다 정확을 기할 수 있기 때문은 아닌가라고 생각한다.

c. 보조 전극의 접지 저항에 대한 영향

접지 저항을 측정할 때, 가장 문제가 되는 것은 보조극의 설치가 아닐까 생각된다. 특히 그 위치, 측정 대상 접지극과 전류 보조극과의 이격, 전위 보조극의 타설위치이지만, 이 점에 대해서는 뒤에 서술하고 있다. 보조 접지극의 저항치에 대해서는 대지의 조건이 나쁜 곳에서는 때때로 문제가 되지만, 보조 접지봉을 박아 넣을 수 있는 장소에서라면 측정에는 우선 지장은 없다고 생각해도 좋다. JIS에서는 바닷가 모래 지대, 산악지등 대지 저항률이 높은 악조건 하에서 보조극의 접지 저항이 지시 계기의 감도 저하에 미치는 영향을 규정하고 있다. 시험은 그림-5의 접속에 있어서 [eqn: R]P, [eqn: R]C를 0, 2000, 5000□이라 할 때와, 허용 오차 시험에서 쓰인 [eqn: R]P, [eqn: R]C를 500□이라 할 때의 지시치의 차가 표-4의 값 이내로 정해져 있다.

표-4 보조 접지 저항 영향의 허용 한도

단위□

보조접지 시험점 저항치	0	2000	5000
1000 100 10	□ 50 □ 5 □ 0.5	□ 50 □ 5 □ 0.5	□ 100 □ 10 □ 1

備考: 시험 점의 값이 두 개 이상의 RANGE에 있는 경우는 하위 RANGE를

선택하는 것으로 한다.

보조 접지 저항치가 0□이라 하는 것은 시험이라 해도 비이론적이고 현실에서 벗어난 것이므로, 1□이라든가 10□이라든가로 개정되어야 한다고 생각한다. 표-2와 비교하면 0□과 2000□에서는 2배의 허용 오차, 5000□에서는 3배의 허용 오차를 인정할 수 있다.

참고로 어떤 [전위차계식 접지 저항계]에 대해서, 실내에서 필자가 측정한 보조극 접지 저항과 출력 전압, 전류의 값의 예를 표-5에 표시한다. 무부하 출력 전압은 (E ∼ C 단자간), 전술한 것과 같이 파고치가 120V정도이지만, C단자로 접속하는 저항치에 따라 대폭으로 저하하고 있다 (전류는 증가한다). 경험으로는 3□ 정도까지 측정 가능한 듯하다. 더욱이 사진-1은 무부하시에서 구형파의 발진에 커다란 진동을 일으키지만, 부하를 걸면 이 진동은 없어지고 있다.

표-5 보조 저항치 와 출력전압, 전류의 예

C극저항치 E-C간 (□)	500	1000	2000	3000	5000	10k	20k	30k
전 압 (V) 전 류 (mA)	6.5 13.3	12.5 12.7	22.5 11.3	29.5 10.4	42 8.9	62 6.6	81 4.3	94 2.7

注. 전압은 TESTER로 측정. 전류는 실효치 환산형으로 디지탈 VOLT-METER로 측정.

[eqn: R]□는 5□, [eqn: R]P 는 500□ (모두 5%급)

표-5의 [eqn: R]□와 [eqn: R]P 의 조건에서 [eqn: R]c를 약 6k□이라 할 때의 출력 전압 파형을 사진-2에 나타낸다.

d. 전원 전압의 영향

JIS에서 측정기의 전원은 통상 JIS C 8501 (망간 건전지)에 규정되고 있는 SUM-1형, 2형 또는 3형을 사용하도록 되어 있고, 측정기에는 전지 전압의 유효 범위를 표시하는 표시기를 설치하도록 규정되어 있다.

전원 전압의 영향은 [이 표시가 하한을 지시할 때, 지시치의 허용 오차 시험을 행하더라도 표-1의 값 이하인 것]이라 되어 있으며, 전원 전압의 저하에 따른 오차는 인정할 수 없는 것이다. 바꿔 말하면, 전지 전압이 허용치를 하회한 경우는 측정치를 인정할 수 없는 것으로 되어 있다.

사진-2 접지 저항계·부하시 출력 전력 파형의 예

약 55V, 120□, [eqn: R]□ 5□, [eqn: R]P 500□, [eqn: R]C 6k□

e. 기 타

그 외에 접지 저항계가 오차를 일으키는 원인으로써 측정기가 경사에서 측정한 경우, 주위 온도의 영향 (측정기에 대한 것이다. 저항치 그것도 온도, 날씨, 계절에 크게 영향 받지만 여기서는 크게 염두에 두지 않는 것으로 한다), 외부 자계의 영향에 대한 성능 등이 규정되어 있지만, 통상은 이들의 영향을 받는 일은 거의 없으리라 생각된다. 만약 측정에 있어서 우려되는 경우에는 JIS의 해당 조항을 참조하면 좋겠다.

2.2 기타 측정기 및 측정법

(1) 2점간 측정법, 3점 측정법

이 측정법은 전기를 포함한 모든 접지 저항 측정법의 기초라 해도 좋은 기본 원리이며, 주지하고 있으리라 생각되지만 문제점은 여기에도 있으므로 이하에 간단히 언급한다.

그림-9에 있어서 E, C극간의 전압 E를 가하여 전류 [eqn: I]가 흘렀다고 한다면,

E

[eqn: R]□ + [eqn: R]C = □□□□□□□□□□                                       ‥‥‥‥ (1)

E

[eqn: I] + □□□□

[eqn: {Rr}]

E/[eqn: R]V는 전압계에 흐르는 전류이다. [eqn: R]□ + [eqn: R]C << [eqn: {Rr}] 라면,

E

[eqn: R]□ + [eqn: R]C = □□□                                              ‥‥‥‥ (2)

[eqn: I]

이고 [[eqn: R]□ + [eqn: R]C]가 구해진다. [eqn: R]□가 [eqn: R]C에 비하여 상당히 낮은 경우 - 즉 제1종, 특별 제3종 접지와 같은 경우는 [eqn: R]C도 생략하여, □[eqn: R]□라 생각하면, 이것은 안전한 방법이므로 제 3종 접지 저항의 측정등, 정기적인 보수 측정의 기준이 되기에 충분하다. 시중에 [간이 측정기]라 하여 시판되고 있는 것은 대체로 이 원리의 응용이라고 생각할 수 있다. 회로에 가변 저항기와 전류계를 붙여 1A로 측정하도록 하면 전압계의 읽기가 그대로 저항치를 나타내게 된다. 전압계에 가동 철편형등을 써서 내부 저항이 비교적 낮은(전자식 측정기에 비교하여) 경우는 전압계로 분류하는 전류도 고려할 필요가 있다.

3점 측정법은 접지극을 또 1극 설치하고 측정 대상극 E극을 포함한 정삼각형이 되도록 배치한다(되도록 간격을 띄운다 - 이것은 2점법도 같으며 큰 문제가 있다. 다음장 참조).

보조극 접지 저항을 [eqn: R]C1, [eqn: R]C2라 하고 측정대상극의 접지 저항을 [eqn: R]□라 한다면,

[eqn: R]1 = [eqn: R]□ + [eqn: R]C1

[eqn: R]2 = [eqn: R]□ + [eqn: R]C2

[eqn: R]3 = [eqn: R]C1 + [eqn: R]C2

을 제각기 측정한다면 연립 방정식의 해법으로

[eqn: R]1 + [eqn: R]2 - [eqn: R]3

[eqn: R]□ = □□□□□□□□□□□□□□                                     ‥‥‥‥ (3)

2

로써 [eqn: R]□를 구할 수 있다.

원리 그대로의 측정법이므로 극간 간격의 문제를 뺀다면, 그다지 커다란 문제점은 없지만, 저 접지 저항(제1종 접지 또는 특3종 접지등)을 측정할 때에는 그림-9에 있어서 각각의 접지극에서 전원까지의 (a-E간, b-[eqn: R]C간) 전원의 저항, 전극과 전류 배선(대형 WIRE CLAMP가 자주 사용된다)할 때, 전극의 녹, CLAMP와 전선 접속이 느슨히 되는 일도 있으며, 현재는  다음에 기술하는 [전위강하법]이 많이 쓰이고 있다.

또, 2점 측정법의 응용으로써 어떤 전력 회사에서 채용하고 있는 [전류 주입식 접지 저항 측정기(가칭)]가 있으므로 원리만을 소개한다.

전력 회사에서 시설하여 관리하고 있는 고압 배전선은 필요에 따라 변압기를 설치하여 저압으로써 수용가에 전력을 공급하고 있는 것이지만, 이 변압기에는 반드시 제2종 접지가 연결되어 이 저항치가 관리되고 있는 것이다. 이 변압기의 수는 많고 개개마다 제2종 접지 저항치를 재는 것은 상당한 노력이 필요하다고 생각된다. 변압기의 [제2종접지]는 전기 설비 기술 기준에 규정된 범위에서 가공 공동 지선에 따라 다른 변압기의 제2종 접지군과 연결하는 것이 인정되어 있으며, 그들의 합성 접지 저항은 일반적으로 수□이하 혹은 소수점 이하로 되어 있다.

이 측정기는 이것을 이용한 것이므로 그림-10에 있어서 측정 대상의 제2종 접지선에 그림과 같이 2조 연결되어 있는 분할형 CT를 연결한다. CT의 하나는 이 전류치를 검출하며, 내부 회로에서 정전압을 전류치로 나누어 저항치를 표시하는 구조로 되어 있다.

저항치는 측정 대상 접지극의 [eqn: R]X와 다른 변압기 군의 제2종 접지의 병렬 저항과의 합을 지시하는 것이지만, 앞에 설명한 바와 같이 병렬 접지분은 상당히 낮은 값이므로 지시치를 그대로 [eqn: R]X라고 하더라도 안전한 편이며, 접지 저항치 관리에는 충분한 효과가 있으리라 생각된다. 측정기에 특유한 문제점으로써는 분할형 CT의 철심-자기 회로의 열화가 걱정되지만, 제조자 측에서 특히 고려할 사항일 것으로 생각된다.

(2) Kohlrausch Bridge, Wiehert Bridge

이 측정기는 이미 수십 년 전부터 제조되어 사용되고 있는 것으로, 접지 저항 측정기의 시조의 하나라고 말해도 좋지만, 현재의 측정기도 크던, 작던 이 원리를 채택하고 있어, 접지 저항 측정 기술은 이 당시부터의 문제점을 하나하나 해결해 온 역사의 축적이 되는 것이다. 기술 변천사의 의미도 포함하여 다음에 간단히 소개한다.

a. Kohlrausch Bridge (코울라우시 브리지)

접지 저항의 측정은 교류로 행해진다. 주지한 것처럼 직류로는 대지와 전극간에 화학 작용에 의해 장해가 발생하기 때문이다. 교류로 브리지를 만드는 것은 생각보다 힘든 일이며, 특히 다루는 전류가 미소할 때는 BALANCE를 잡는 것이 곤란하다. Kohlrausch Bridge는 이 BALANCE를 RECEIVER의 소리로 판정하려 하는 것이며, 당시로써는 획기적인 IDEA라고 생각된다.

그림-11에 있어서 조절기 C를 좌우로 움직여 RECEIVER의 음이 최소가 되는 점을 발견하면 (브리지가 BALANCE 되었다), 저항선의 단위 길이 당의 저항을 r(□)이라 하면,

[eqn: l]1·r·[eqn: R]S = [eqn: l]2·r·([eqn: R]□+ [eqn: R]C)

[eqn: l]1

□ [eqn: R]□ + [eqn: R]C = □□□ [eqn: R]S                                      ‥‥‥‥ (4)

[eqn: l]2

이것은 앞의 2점 측정법과 같다. 보조극을 또 1극 만들면 3점 측정법에 따라 [eqn: R]□가 구해진다.

b. Wiehert Bridge (비이 헤르트 브리지)

이것은 Kohlrausch Bridge의 응용이라고도 말할 수 있다. 그림-2에 있어서 변환 스위치를 먼저 1쪽으로 연결하고, [eqn: R]□+[eqn: R]C 의 BALANCE를 잡는다. 이 점을 접촉 단자 C1의 점이라 하자. 다음으로 2의 방향으로 연결하여 이번에는 [eqn: R]□와 [eqn: R]C+[eqn: R]S의  BALANCE를 잡는다. 접촉 단자 C2의 점이라 하자(BALANCE를 잡을 때는 RECEIVER에 전류는 흐르지 않는다. 따라서 i 와 [eqn: I]는 일정하다. 즉 C1측에서는 [eqn: l]3ri 와 [eqn: R]S[eqn: I]가 균일하며, C2측에서는 [eqn: l]1ri와 [eqn: R]□[eqn: I]가 균일하게 된다).

두개의 상태를 등가 회로로 나타내면 그림-12(b)와 같이된다. P접지극의 저항치 [eqn: R]P는 RECEIVER회로에 연결되기 때문에 BALANCE에는 영향이 없다. 그림-12 (b)에서

C2, Q점, 및 C1, S점은 동전위가 되므로,

[eqn: l]1ri = [eqn: R]□[eqn: I], [eqn: l]3ri = [eqn: R]S[eqn: I]에서

[eqn: l]1    [eqn: R]□                 [eqn: l]1

□□□ =  □□□ 이 되고, [eqn: R]□ = □□□□ [eqn: R]S                             ‥‥‥‥ (5)

[eqn: l]3    [eqn: R]S                  [eqn: l]3

여기서는 [eqn: R]□가 1회의 측정으로 측정된다.

이상 두 가지 측정법을 예전에 사용한 기술자도 많으리라 생각되지만, 문제라고 하자면, BUZZER, RECEIVER에 따른 소리의 판정이었다. NOISE가 있는 경우는 역시 BALANCE를 잡기 어려우며 재현성이 나쁜 경우가 적지 않았던 듯하다. 현재는 상당히 성능이 좋은 RECEIVER도 발표되고 있지만. 미소한 소리를 분석하는 것은 역시 숙련을 요하는 것과 JIS의 측정기 항에서 설명했듯이, 동기 정류한 검류계에서 상당히 BALANCE가 명확히 잡히게 되었기 때문에 자취를 감춘 것이라고 생각할 수 있다.

(3) 전위강하법

이것은 다음에서 상세히 설명되기 때문에 방법에 대해서는 생략한다. 대규모 접지계(구조체등을 포함한다)의 측정에는 현재도 많이 사용되고 있는 방법이다. 이 방법에는 (1)에서 언급했던 문제점 한가지인 측정선의 저항도 측정 대상극의 전위 측정선을 전류 주입선과 별개로 배선하는 것에 의해 해결되고 있다. 그 외, 이 방법의 문제점으로서는,

a. 보조 접지극의 위치(거리)와 보조 배선 방법

b. 지전압(표류 전위)의 처리

c. 측정 전류치의 크기

등을 생각할 수 있으나, 각각 커다란 문제가 있으므로 제 2장 이후에서 개별적으로 접하기로 한다. 또, c는 b에 관련하므로 b에서 언급한다.

(4) 대지 저항률 측정기를 사용하는 방법

앞에서도 언급했지만, 그림-5의 E, P, C극을 사용하는 접지 저항계에서는 E단자에서(엄밀히는 내부 회로도 포함된다) 측정 대상 접지극의 연결 부분 도체 저항까지도 접지 저항으로써 측정해 버린다. 측정기를 측정 대상 접지극의 바로 그 곁에 놓을 때는 좋지만, 지하 전기실의 접지를 지상에서 측정하는 등의 경우는 이 리드선이 상당히 길어진다. 대지 저항률 측정기라면 이 문제는 용이하게 해결된다. 대지 저항률 측정기의 내부 접속 개념도를 그림-13에 나타낸다(접지 저항에 쓰이는 관계도만 발췌).

그림-2와 비교하면 원리적으로는 완전히 동일하다. 단, 전류 주입극 C1, C2와 개별로 C1-C2간의 임의의 위치 2점 사이의 전위차를 찾아내기 위해서 P1, P2전극이 있으며, 소위 WENNER의 4전극법에 의해 대지 저항률의 측정을 주로 행할 수 있게 되어 있다.

MANUAL에서는 이것을 접지 저항 측정에 사용할 때는 단자 부분에서 (C1, P1)을 단락하고, E극에 1본의 전선으로 배선하도록 설명되어 있지만, 전술한 오차를 막기 위해서는 그림-13에 나타내듯이 C1, P1극에서 E극까지 다른 선으로 배선하고, 검류계에는 그림 C1-E간의 전위차분의 전류가 들어가지 않도록 하면 좋을 것이다.

참고로 이 측정기의 보조(등가)저항과 출력 전압 전류치를 실내에서 측정한 값을 표-6에 나타내었다2).

이 측정기의 검류계는 최대 눈금 5□로, 접지 저항을 측정하기에는 가장 정밀도가 높은 것으로 생각된다. 단, 전원 전압 12V의 전지에서 300V, 600V의 출력을 발생시키기에는 상당한 POWER를 요하며, 최대치로는 9.5A에나 이르고 있다. 또, 최소치를 보더라도 표에서는 1.6A이며, 단일 건전지에서는 단시간에 건전지가 소비된다. 이것은 단점이기는 하지만 가능한 한 대용량의 축전지 등을 사용해야 할 것이다. 역시 표의 注에 기록하였지만, 보조 전류극의 접지 저항치가 낮은(좋은) 때는 600V RANGE를 쓰면 오히려 출력이 감소하기(주파수도 크게 된다) 때문에 주의할 필요가 있다.

이 측정기로는 전류 보조극의 접지 저항이 1∼10□ 정도라면, 어떤 RANGE를 사용하더라도 같은 저항치를 나타내지만, 근소한 오차도 신경 쓰이는 경우는 출력 전류가 가장 많은 RANGE 값을 잡는 것이 좋다고 생각한다. 단 전지의 소모가 현격히 빨리 되는 것은 유의해 두어야 한다.

요컨대 접지 저항 측정에 있어서 이 측정기가 문제점이 있는 듯한 곳이 거의 없으며(외부 보조극까지의 거리, 지전압은 접지 저항 측정 전반에 걸친 문제로 이것은 별도로 한다), 현재까지는 가장 신뢰가 있다고 생각한다. 욕심을 말하면, 대지 저항률 측정에 쓰이는 경우 측정 가능 한계 □치(현최대 300□)를 1000□정도까지 바라는 바이다. 또 JIS 규격은 아직 없으므로 오차 허용치 등에 관하여는 앞서 말한 JIS C 1304를 참고로 하여 실내에서 측정치의 오차를 개정하여 둔다면 좋으리라 생각한다.

표-6 대지저항률 측정기의 입출력 특성의 일예

전류보조극(편측) 저항치 출 력 (k□)				0.5	1	2	3	5	10
출 력 전 압 R A N G E	600	입력 전류 DC (A)		6.51)	9.5	7	5.7	4.4	3
		출 력 AC	전 압 (V) 전 류 (mA) 주파수 (□)	1271) 1171) 약11501)	290 145 26	400 100 30	440 75 32	480 50 33	525 30 34
	300	입력 전류 DC (A)		6.3	4.7	3.3	2.8	2.5	1.9
		출 력 AC	전 압 (V) 전 류 (mA) 주파수 (□)	175 172 30.6	218 109 32.9	250 62 34.7	262 44 35.3	267 28 35.5	276 14 36
	150	입력 전류 DC (A)		3.0	2.4	2.1	1.9	1.7	1.6
		출 력 AC	전 압 (V) 전 류 (mA) 주파수 (□)	106 105 34.8	122 60 35.5	133 33 36.2	137 23 36.4	138 12 36.4	140 8.5 36.5

注. 1) 출력이 저하되고, 주파수가 극단적으로 높아진다.

3. 보조극 위치 및 보조 배선의 문제

앞 항의 측정기에 대해서는 실내에 두어도 오차와 주위의 환경의 영향에 관한 관리는 가능하다. 그러나 현지에 있어서 실제로 대지를 상대로 한 접지 저항 측정의 어려움은 거의가 본 항 안에 포함되어 있다고 해도 과언은 아니며, 또 현재 FIELD와의 관련도 포함하여 명확한 해답을 나타낸 문헌도 발표 되어있지 않다고 생각된다. 이하도 모든 문헌에 발표된 측정 실적, 필자의 경험 등으로부터의 추론이며, 결코 교과서가 아니라 참고 자료로써 참조해 주기 바란다.

보조극은 요컨대 측정 대상 접지극에 전위 상승을 일으키기 위한 전류를 주입하는 □전류보조극□과 그 전위 상승 치의 기준점을 결정하는 영전위 - 가상 원점을 만드는 □전위보조극□ 두 가지인데, 먼저 전류 보조극에 대하여 서술한다.

3.1 전류 보조극

접지 저항 측정의 교과서에는, 전위 분포 곡선 즉 그림-14 또는 유사한 그림이 그려져 있다. 그러나 이 그림에 대하여는 중요한 POINT가 생략되어 오해를 불러일으킬지도 모른다. 이 때문에 필자는 그림-14 (b)를 사용하도록 하고 있다. 그림-14 (a)와 차는 없는 듯하지만, 그림 중의 a곡선, b, c곡선의 E, C극에 걸친 전위가 서로 다르다.

전위 분포 곡선은 주지하고 있으리라 생각되지만, 그림-15와 같이 측정 대상 접지극 E극과 전류 보조극 C극과의 사이에 일정한 전류를 흘려 EC직선의 사이의 지표에 전위 보조극 P1, P2, …… 를 박아 넣으면서 EPi간의 전위를 PLOT한 것이다. 그림-14 (a)의 E극의 전위 V□가 a, b, c곡선과도 같다고 하는 것은 각각의 곡선을 측정했을 때의 전류치도 같은 값이 되는 것이다([eqn: R]□동일).

결국 이들 곡선이 수평부와 교차하는 점 P를 어떠한 방법으로 구하는 것이 가능하다면(그 방법에 대해서는 3.2의 해석법 참조), a, b, c 어떠한 곡선이라도 동일한 E극의 저항치 [eqn: R]□가 구해진다. 그러나 실제로는 a, b, c 곡선으로  V□가 균일해지는 경우에는 제각기 전류치는 서로 다른 것이다. 그림-14 (b)는 전류치를 동일하게, (a)와 같은 LEVEL의 수평선을 기준선으로 하여 분포 곡선을 그리는 것이므로 실제로는 이렇게 되는 것이다. 만약 E점을 기준으로 하여 분포 곡선을 그린다면, 수평부는 일치하지 않으며 아래로 미끄러져 가게 된다.

따라서, 이번은 정확한 분포 곡선을 얻을 수 있는 수평 직선과 교차하는 P점이 구하여 진다면 논리적으로는 실수가 없는 저항치가 산출되게 되지만, a, b곡선에서 얻어진 접지 저항치는 올바른 값은 아닌 것이다.

상기에서 분포 곡선의 작성, 즉 접지 저항의 측정은 곡선 중에 수평부가 가능한 위치에 전류 보조극을 설정하는 일이 정확한 접지 저항 측정의 제 1조건이라고 말할 수 있다. 그러나 많은 분이 경험하셨으리라 생각되지만, 그림-14 (a)와 같이 P극을 이동하더라도 같은 전위가 되도록 절대적인 수평부를 얻는 일은 곤란한 경우가 많으며 아주 약간이라도 오차가 나타난다.

필자는 임시로 근사수평부로 부르고 있지만, 예를 들어 조금이라도 경사가 있는 이상 P극을 어디에 박으면 좋을까, 이것도 하나의 문제이다. 이 문제에 관해서는 다음 항 □전위 보조극□에서, 또 전위 곡선의 이론치에 대해서도 별항에서 언급한다. 다음으로, 전류 보조극의 접지 저항인데 이것도 현장에서 자주 당면하는 문제이다. 50cm정도의 보조 전극봉을 1/2 까지 라든가 3/4 까지 박아 넣으라고 말해지는 경우가 있지만, 이것은 별다른 근거가 없는 것으로 요는 측정 전류치를 지시 계기(검류계 또는 전압계)의 편차를 명확히 식별할 수 있을 정도의 크기로 설정할 수 있다면 좋겠다는 것이다.

JIS에 따라 5000□까지는 허용 오차가 보증되어 있는 것이지만, 필자의 경험으로는 약 10□정도 까지는 가능하리라 생각된다. 지금 임시로 직경 2□, 길이 50□의 전극봉을 박아 넣을 때, 5000□이 되는 대지 저항률은 역산하면 표-7과 같이된다. 40□ 박아 넣을 때의 대지 표면 부근의 저항률이 3000□·m라고 하면 상당히 높은 편이므로, 우선 대지의 토질이라도 측정은 가능하리라 생각된다. 10□ 까지 좋다고 한다면, 표의 2배라도 좋을 것이다.

표-7 보조극 접지 저항과 역산 □

전극 굵기 : 0.02m, 저항치 5000□

타입 깊이 (m)	0.15	0.2	0.3	0.4
역산□ (□m)	1523	1857	2488	3083

注. 역산식은 Dwight의 식

2□L

□= □□□□□□□□□□□ x 5000 을 사용

4L

ln □□ - 1

r

다음으로 요즘은 도시뿐만 아니라 주변 마을까지 도로가 포장되어 전극봉을 박아 넣을 수 없는 경우가 있다. 이 대책으로써 MESH를 수평으로 펴서 물을 주입한다고 하는 방법이 권유되고 있다(아스팔트는 불가). 대지에 놓아둔 것만으로 5□의 저항이 얻어지는 경우도 있다는 것은 많은 경우 측정 가능하다고 생각된다. 야외에서 정량적으로 측정한 DATA는 아니지만, 철근, 콘크리트 빌딩의 상면에서 측정한 값이 있기에 소개한다.

그림-16과 같이 철근 콘크리트의 마루에 비닐 타일을 깐 면 위에 MESH 및 0.2□ 두께의 동판을 놓고 두께 10□의 베니어판을 덮고 그 위에 무거운 중량의 것을 얹어, 두개의 시료 사이에 AC 50□ 전압을 인가하고 전류를 측정하여 극판 두개의 합성 저항을 산출한다. 그 결과는 표-8과 같이되었다.

표-8 평판 전극의 정전 용량 측정 결과

전극 종류	전극의 상태	전 극 중심거리 (m)	전 압 (V)	전 류 (A)	전극2매의직렬 IMPEDANCE (k□)*1	DC 저항 (메가) (k□)	片側 C (□F) 계산치
간격 2mm의 MESH A:41x56(cm) B:49x53(cm)	그대로 마루에 놓기	3.8	356	0.01	35.6	180	0.044
		2.2	363		36.3	180	0.043
	상부에 두꺼운 헝겊2장을 겹쳐 물을 적신다	3.8	48.6		4.86	85	0.33
동판 2장 (규격) 31.6x31.6(cm) (1000cm2)	그대로	3.8	355	0.01	35.5	200	0.044
	물을 적신 헝겊 을 위에		222		22.2	160	0.071
	물을 적신 헝겊 을 아래에		30.9		3.09	60	0.51

注. *1 : 片側은 이 값의 1/2로 계산했다.

어려운 실험이지만, 전류의 거의 대부분은 정전 용량에 따른 것이라 생각되어진다. 시험으로 정전 용량을 산출하면 표와 같이된다.  또 물에 흠뻑 젖은 헝겊을 도체로 밀착시키면 전류가 크게 증가한다. 헝겊을 쓰지 않을 때의 정전 용량은 2장으로 0.1□F 약해지지만, 물에 젖은 헝겊을 끼울 때는 10배 가까이된다. 이것은 물의 비유전율이 약 80이므로 수긍되는 값이라 생각된다.

MESH인 때는 헝겊을 위에, 망과 판 사이에 놓더라도 물의 효과는 있지만, 동판인 때는 헝겊을 위에 덮는 것으로는 효과는 거의 없다(표의 값이 변하고 있는 것은 배어 나온 헝겊의 수분이라고 생각된다).

이것을 현장에 적용시키면, MESH 또는 동판을 수평으로 놓고 전극으로 하는 것은 (장소에 따라서는) 상당한 효과가 기대된다. 그 때 크고 결이 고운 두꺼운(물을 잘 흡수한다) 헝겊을 아래에(대지에 직접) 물을 흠뻑 머금게 하여 깔고 그 위에 극판을 올려, 그 위에 평판(베니어 합판 10mm 두께 정도가 좋음)을 올리고, 그 위에 중량물(돌도 좋다)을 올리면 좋으리라 생각한다.

또 사전에 전극을 두는 대지에 충분히 물을 뿌리는 것도 효과가 있으리라 생각된다.

현지에 있어서 전류치가 얻어지지 않을 때에 보조 전극봉의 주위에 물을 살포하는 것은 앞서 언급한 실험과는 다소 의미가 다르지만, 실행할 가치가 있는 것이라 생각된다. 이것은 전극의 외관의 크기를 늘리면 동시에 정전 용량분도 늘리리라 생각되기 때문이다. 염수가 있다면 보다 좋지만, 효과를 그 정도 향상시키지 못하지만, 보통의 물로도 충분하다. 전극 주위에 충분히 물을 살포한 후에 될 수 있으면 광범위하게 뿌리면 좋다.

이 항의 마지막으로 □측정대상극, 소위 접지계가 거대하게 된 경우에 어떻게 할까□의 문제가 남지만, 이것은 다음 □보조배선□의 항에서 언급한다.

3.2 전위보조극

전항에서 근사 수평부에 대한 설명을 하였다. 그러면, 대책으로써 어떤 점에 P극을 박으면 좋을까? 이 답도 특별히 결정되어 있지는 않지만 (이론적으로 정확하다고 생각되는 방법은 있다. 후에 기술한다), 현장에서는 적당히(오차의 범위 정도에) 받아들여지고 있는 듯하다. 지금 예를 들어 E극, C극간을 20m로 잡는다면 보통 P극은 그 중간 10m로 잡는다. 필자는 이 중간점의 거리(이 경우 10m)의 10%, 이 경우라면 1m P점을 전후로 이동시킨다. 결국 E극에서 잰 9m와 11m의 점으로 각각 P', P"극을 박아 측정한다. 각각의 값이 P극(10m)의 값에 대하여 접지 저항치로 표-1 (JIS의 허용 오차)의 값 이하라면 중간 값을 잡도록 하고 있다. 허용치의 값을 넘는다면 어떻게 할까? 앞에서 기록한 전류 보조극을 현위치보다 1.5배∼2배 정도 멀리한다. 중간 값에 대한 차이므로 근사 수평부에 이르는 위치가 반드시 발견된다.

측정 대상 접지극이 거대해지며, 보조 배선이 길어지면 먼저 말한 P', P"도 10m, 20m로 간격이 넓어져 그 중간점을 과연 가상 무한 원점(영전위점)이라 하여 좋을까 하는 의문점도 생길 수 있다.

보다 정확히 가상 영전위점을 구하기 위해서는 다음과 같이하면 좋다. 먼저 상기와 같이 P', P"가 조건을 확실히 만족시킨다면 E, C극간의 거리를 5∼7등분하고, 분할점에 각각의 P1, P2, … P6 (7등분의 경우) 전위극을 박아 E극과의 사이에 (가상 원점은 아니다) 전위를 재어 기록하고, V1, V2, … V6 이라 한다. 참고를 위해 E, C극간의 모든 전압도 재어 두면 좋다(VE는 0이다).

이것을 직각 좌표 상에 등분 눈금으로 PLOT하면 전위 분포 곡선이 얻어진다(이 경우 C극의 전위가 극단으로 커지면 생략해도 좋다). 이 곡선은 E극에 가까운 쪽은 E극점을 정상부로 하는 고차 곡선, C극에 가까운 쪽도 마찬가지이다.

따라서, 근사 수평부에 있어서는 곡선이 위쪽으로 凹에서 凸로 바뀌는(혹은 반대로 된다)점이 나온다. 이 점이 그림 상에서 구해지면 좋겠지만, 정확히 이 곡선의 방정식을 구하여 근사 수평부에 해당하는 몇 점의 미분치를 구하여, 가장 0에 가까운 점(최소치)이 구하여 진다면 좋겠다. 이것에는 전위 분포 곡선의 방정식을 사용하지 않으면 안되지만, COMPUTER에 의하지 않으면, 조금 시간이 걸리는 작업이 된다.

먼저, V1, V2, … V6 를 잰 Pi극의 E극에서의 거리를 x1, x2, …x6(m)라고 하면,

V1 = a0 + a1x1 + a2x12 + a3x13 + a4x14 + a5x15 + a6x16

V2 = a0 + a1x2 + a2x22 + a3x23 + a4x24 + a5x25 + a6x26

□                □                  □

V6 = a0 + a1x6 + a2x62 + a3x63 + a4x64 + a5x65 + a6x66

가되는 연립 1차 방정식이 된다.

xi = 0인 때는 V도 0 (E기준점)이므로, a0 = 0 에 따라 이 6원 1차 방정식을 □소출법□3)에 따라 풀면, a1, a2, …… a6의 계수가 구해진다. 따라서,

V = a1x + a2x2 + a3x3 + a4x4 + a5x5 + a6x6                       ‥‥‥‥ (6)

이 되는 6차 방정식이 얻어진다.

이 식을 미분하면,

dV

V' = □□□□ = a1 + 2a2x + 3a3x2 + 4a4x3 + 5a5x4 + 6a6x5           ‥‥‥‥ (7)

dx

(7)식에 근사 수평부의 x를 몇 개 대입하여 V'의 값의 최소가 되는 점을 발견하면 좋겠다.

다음으로 전위보조극의 접지 저항치도 다소 문제가 있다. 전위 보조극에서 유입 상승하는 전위에 따라 전류는, 전위차계 식에서는 최종적으로는 0이 되므로 저항치에는 관계없다고 말할 수 있겠지만, 전류가 적으면 계기 지침의 움직임이 극단으로 둔해지며, 평형을 잡기 어렵게 된다(전위차계 식의 검류계는 앞서 언급한 듯이 일 예로써 50□이다). 또 전압 강하식에 있어서도 고 IMPEDANCE의 계기이며 전위 보조극의 접지 저항치와 직렬이 되므로 문제는 없다고도 말할 수 있지만, 전자식 전압계가 아닌 경우는 상기와 같다.

전위 보조극의 접지 저항치도 전류 보조극과 동등하지 않다고 해도 가능한 한 낮게 하도록 염두에 두다 두는 편이 좋으리라 생각된다.

3.3 보조극의 위치 및 보조 배선

전류, 전위 보조극의 위치에 대하여 기본적인 것은 전항에서 언급했지만, 그러면 예를 들어 측정 대상 접지극의 크기, 접지계의 넓이에 대하여 구체적으로 어느 정도로 거리를 잡으면 좋을 까라고 하는 것도 측정상 많이 생기는 문제이다.

문헌에 따르면, 전류 보조극은 측정 대상 접지계의 최대 길이의 2배라든가, 3배, 5배, 10배등 다양하며(조건이 있는 경우도 있지만), 전위 보조극은 접지계에 대하여 전류 보조극의 반대측으로, 전류 보조극보다 큰 거리를 잡으므로 상당히 차이가 있는 값이 나타내어진다. 또 이들 문헌에서는 이론적인 근거는 기술되어 있지 않은 경우가 많다.

여기에 전위 강하 곡선과 대비하여 검토된 문헌이 있으므로 소개한다4).

단, 접지 전극은 복잡한 형은 아니며, a.수평에 놓여진 원판형 전극, b.반구형 전극, c.매설 지선-매설 방향의 연장상, d.매설 지선-중점에서 직각 방향, e.심타(매설-BORING)전극의 5가지이다. 그림-17에 설명도를 나타낸다. 각각의 전위의 계산식을 나타내면 다음과 같다.

a. [eqn: V = □I OVER 2□ CDOT 1 OVER r cdot sin^-1 r over x]                                ‥‥‥‥  (8)

b. [eqn: V = □I OVER 2□ CDOT 1 OVER x]                                           ‥‥‥‥  (9)

c. [eqn: V = □I OVER 4□ CDOT 1 OVER l log_□{x+l+ sqrt {(x+l)^2 +d^2}} over {x-l+ sqrt{{(x-l)^2} + d^2}}]                  ‥‥‥‥ (10)

d.[eqn: V = □I OVER 4□ CDOT 2 OVER l log_□{l+ sqrt {l^2 + x^2 + d^2}} over {sqrt{x^2 + d^2}}]                       ‥‥‥‥ (11)

e. [eqn: V = □I OVER 4□ CDOT 1 OVER l log_□{2l+d+ sqrt {(2l+d)^2 +x^2}} over {d+ sqrt{{d^2} + x^2}}]                 ‥‥‥‥ (12)

여기에, [eqn: r] : 원판의 반경 (사각판인 때는 환산치) (m)

[eqn: x] : 대상 전극에서 전위 측정 점까지의 거리 (m)

단, a, b, c는 전극의 중심에서

d는 전극의 중점에서

e는 전극의 바로 위에서

2[eqn: l] : 매설 지선 또는 심타 전극의 길이 (m)

[eqn: d] : 동매설깊이 (m)

지금 이들의 식을 써서 전극 끝에서의 거리 [eqn: x] (m)에 대한 전압 강하율을 %로

나타내면, 표-9, 표-10, 표-11과 같이된다.

표-9 원판 도체의 전위강하율

이격거리 (m)	0	0(56.4)	56.4	112.8	226	339	564	790	1128	1805
(환산)직경의 배수	도체전위	도체끝	0.5	1	2	3	5	7	10	16
%	100	100	52.3	34.0	20.1	14.3	9.1	6.7	4.8	3.0

注. 1. 100m x 100m의 정방형판을 원판으로 환산·환산 직경112.8(m)

2. 이격거리, 배수 모두 도체 끝부터. 따라서 X = [eqn: x] + 56.4로 계산

표-10 반구 도체의 전위강하율

이격거리 (m)	0	0(45.7)	45.7	91.4	183	274	457	640	914	1462
(환산)직경의 배수	도체전위	도체끝	0.5	1	2	3	5	7	10	16
%	100	100	50	33.3	20	14.3	9.1	6.7	4.8	3

注. 1. 100m x 100m x 20m의 지하 구조체를 반구로 환산·환산 직경 91.4(m)

2. 이격거리, 배수 모두 도체 끝부터, 따라서 계산은 (거리 + 45.7)

3. 반구 반경 □이 100%, 거리 □1의 점 전위는 100 x □/□1

표-11 매설 지선, 심타환봉 전극의 전위강하율

이격거리 (m)			0	0	50	100	150	200	300	400	500
도체길이의 배수			도체전위	지표면전위	0.5	1	1.5	2	3	4	5
전 위 %	매설지선	직선방향*1	100	56.5	10.4	6.5	4.8	3.8	2.7	2.1	1.7
		중점직각 방향*2	100	53.5	8.9	4.9	3.3	2.5	1.7	1.3	1.0
	환 봉 전 극*3		100	60.9	16.5	10.1	7.2	5.5	3.8	2.8	2.3

注. *1: 도체장 길이 100(m) (=2[eqn: l]), 직경 0.01(m), 매설 깊이 0.5(m), 이격거리는 매설지선의

끝부터. 따라서 식(3)의 [eqn: x]는 끝에서의 거리 + 50(m)이다.

*2: 도체길이, 굵기, 매설깊이*1과 같음. 이격거리는 중점부터. 따라서 식(d)의 [eqn: x]와 같음.

*3: 심타봉 길이 100m (=2[eqn: l]), 직경 0.066(m), 전극봉 상부 매설 깊이 0.5(m), 이격거리는

전극봉의 윗부분부터. 따라서 식(e)의 [eqn: x]와 같음.

표-9∼11을 보면, 전위 곡선의 강하율은 상당한 거리까지 저감하지 않음을 알 수 있다. 특히 지표에 놓인 원판, 반구 전극에 있어서는 직경의 16배의 거리를 띄워야 겨우 3%가 된다. 구조체 접지극의 측정의 경우 유의하지 않으면 안 된다고 생각한다. 매설지선, 심타 전극의 경우는 대략 전극 길이의 5배 거리를 띄우면 3∼1%의 범위 정도 강하한다.

그러나 여기에 또 문제점이 있다. 그것은 상기의 표-9∼11은 전류 주입점 (또는 유출점)을 무한 원점에 놓고, 즉 접지극의 전위가 무한 원점에 대하여 100% 상승하고 있을 때의 계산식이다. 현실로 우리가 측정하고 있는 것은 유한의 거리, 그것도 비교적 가깝다고 생각되는 점에 전류 보조극을 설정하고 있다(또 지락 사고 등에 의해, 접지극에 전류가 흐르는 경우는 무한 원점이 아니라 유한점이다). 전위 보조극을 측정 대상극을 사이에 두고 전류 보조극의 반대측에 설치할 때는 표-9∼11을 참고로 가상 무한 원점을 정하면 좋지만, 문제는 그림-14처럼 전위 보조극을 설정하지 않으면 안되는 경우이다(현장에 있어서는 많이 발생한다).

참고로 두 개의 같은 치수의 환봉 전극 사이에 전류를 흘릴 때 그 사이의 전기력선(전류선), 등전위선이 어떻게 되어 있는가를 표시하면 그림-18과 같다. 전극과 전극을 연결한 직선 상에서는 등전위선이 고루 미침을 잘 알 수 있다. 즉 이 때에는 표-9∼11을 적용하는 것은 불가능하다5).

여기에 필자 등이 전기 설비 학회의 연구 위원회에서 실측한 하나의 실시 예를 소개하자면 다음과 같다6).

1변 20m의 정방형이며, 중앙에 십자 도체를 접속, 田자로 한 4 MESH 접지극의 전위 강하율을 측정한 바 표-12와 같다. 이 표에서 50m 근방에서 근사 수평부가 되었음을 알 수 있다. 전류 보조극은 직경 14mm, 길이 3m의 환봉을 6극 3m 간격으로 박아 넣은 것이므로, 합성 접지 저항은 61□이었다. 또 MESH 접지극의 접지 저항은 21□이었으므로 대략 1:3이 된다. 전위 분포의 가상 영점까지의 거리는 50m:100m이며, 1:2이다.

표-12 MESH 접지·외측전위 분포예 (현지 실험)

이격거리 (m)	0	0	10	20	30	40	50
한변길이의 배수	도체전위	도체직상	0.5	1	1.5	2	2.5
%	100	42.1	8.6	3.5	1.7	0.8	0.3

注. MESH는 20m x 20m, 정방형, 4 MESH 전류 보조극까지의 거리 150m, 위의 표는 그 중간

60m 부근에서 전류 보조극의 전위 곡선에 들어간다.

접지극의 규모에도 따르지만, 대상 접지극과 전류 보조극의 거리를 충분히 잡는 경우는 전위 보조극은 그 중점이라도 좋지만, 대상 접지극과 전류 보조극의 접지 저항의 차가 큰 경우는 전위 분포 곡선을 그리고 나서 가상 영점을 구하는 것이 좋으리라 생각한다. 또 분포의 측정점은 7분할 6점 정도가 좋을 듯하다.

다음으로 보조 배선의 굵기에 대해서는 통전 전류치를 그 전선의 허용치 이하로 하는 것은 물론이지만, 거리가 길어진다면 전류치에 따라서는 전압 강하가 상당히 커진다. 사전에 계산, 검토해 두면 좋겠다.

전위 보조선에 대해서는 굵기는 문제가 없으며 기계적 강도에서 0.75mm2정도로 충분하다. 후기한 유도 장해를 제거하기 위하여 단심 SHIELD선을 이용한다면 더욱 좋으리라 생각한다. 접지 저항계와 같이 mA대의 전류를 다루는 경우는 보통의 단심 비닐 코드(1.25∼0.75mm2)정도로 문제는 없다.

3.4 AIEE(現 IEEE의 전신)의 보조 접지극 설정법

보조극, 보조 배선의 설정에 대해서는 참고가 되리라 생각되므로 AIEE의 측정 방법을 소개해 두고 싶다7).

그림-19처럼 전류 보조극과 전위 보조극을 배치한다. 먼저 전류 보조극을 250∼300m 지점에서 3점 30m씩 증가하면서 전압을 일정하게 하고 그때 마다 전류를 흘려 3점의 눈금이 거의 동일할 때까지 1점씩 위치를 옮겨간다. 거의 일정하게 된 곳에서 가장 먼 점을 전류 보조극이라 한다.

전류 보조극의 위치가 결정된다면 전위 보조 배선을 그림 방향으로 연결하여 같은 250∼300m점에서 3점씩 30m의 거리를 놓아 그때마다 전류극에서 전류를 흘려 3점의 눈금이 거의 동일하도록 1점씩 위치를 옮겨간다. 거의 동일하게 된 곳에서 가장 먼 점을 전위 보조극이라 한다.

전류 보조극을 이동하는 것은 다소 힘이 들지만 전류치는 수 %의 차를 알 수 있는 정도가 좋으므로 1회마다 깊게 박아 넣는 것은 아니다. 결국 접지 저항 측정용의 전류치는 최종 단계에 설정하면 좋겠다. 또 1회마다 접지극을 뽑을 때 해머등으로 봉의 측면을 때려 대지의 마찰을 완화시켜 빼는데, 그 때 그림-20과 같이 철봉을 U자형으로 구부려 둔 자물쇠의 요령으로 뽑아 내면 비교적 뽑기 쉽다.

4. NOISE의 문제

제 2절에서 언급한 JIS의 접지 저항 측정기 성능의 하나로 지전압의 영향에 대한 규정이 있지만, 대지는 결코 영전위가 아니라 늘 어느 정도의 전위를 가지고 있다고 생각해야 한다. 주로 AC 상용 주파수의 정전 유도, 전자 유도에 따른 유기 전압이지만, 직류, 고주파(전파)등에 기인하는 전위도 드물지 않으며 또 제2종 접지로 역류하는 누설 전류에 의한 전위도 있다.        통상은 1V미만이지만 때로는 수 V에서 10V를 넘는 것도 장소에 따라서는 보인다. 수 V이상의 경우는 특별 고압, 초고압 송전 선로의 부근 대지에서 가끔 보이지만 그 외의 장소에서는 상기의 누설 전류와 용접기의 RETURN 전류 등이 이런 높은 지전압을 만들어 내는 일이 많다. 전자의 경우는 측정기, 측정 방법으로 예방하는 법밖에 없다고 생각되지만, 후자의 경우는 가능한 한 원인을 조사하여 제거하는 노력을 하는 편이 좋으리라 생각한다.

JIS에 의한 직독 측정기의 경우는 규정에서 앞서 언급한 것처럼 일단 AC10V(50∼60□)까지는 소정의 허용 오차 이내에 들어가 있는 것이지만, 그럼 10V를 넘는다면 어떻게 할까, JIS의 허용 범위를 보더라도 알 수 있듯이 10V 전후에서는 상당히 신뢰성이 낮으리라 생각하는 편이 좋다.    결국 직독계에 의한 측정은 앞서 기술한 것처럼 원인을 조사하여 제거하거나 다른 측정법으로 전환하는 편이 옳은 측정을 기대할 수 있기 때문이다.

다른 측정법으로써는 □전위 강하법□, □이주파수 측정법□등을 생각할 수 있다. 이들은 발변전소, 특고수전소등의 MESH접지와 같은 대규모 접지의 저항 측정에 쓰이는 방법으로 전위 강하법에 관해서는 측정예가 설명되고 있지만 본 항에서는 문제점을 제기한다는 의미에서 이론 또는 원리에 대하여 말하고 싶다.

4.1 전위 강하법의 계산에 따른 대지 전압의 제거

이 방법은 많은 교과서, REPORT에 결론만 나타내어, 현장에서도 많이 사용되고 있기 때문에 알고 계신 분도 많으리라 생각되지만, 여기서는 다음의 단계로 필요하다고 생각되므로 식의 도출에 대하여 언급해 두고 싶다.

그림-21에 있어서 V0을 지전압이라 한다. 이것은 V1, V2에 포함되어 있다. 지금 전류의 전환 SWITCH를 반전하면 V에 나타나는 전압은 위상이 180。반전하게 된다(회로의 INDUCTANCE는 생략하고 있다). 한편 V0은 정값이므로 V1과 V0의 위상차를 적당히 판정하여(어디에서도 좋음) VECTOR그림을 그리면 그림-22와 같다.

VS는 측정 전원에 따른 전압, -VS 는 그 반전한 전압, VS의 편측의 VECTOR와 V0의 위상차를 □라 하면, 측정기에 나타나는 전압 V1, V2는 그림과 같이된다.

먼저,□V0·V2에 있어서 cos 정리에 의해(꼭지각은 엇각에 의해 □로 같다),

□S2 + □02 - 2□S□0 cos□ = □22                 ‥‥‥‥   (i)

같은 방법으로  □S2 + □02 - 2□S□0 cos(□ - □) = □12          ‥‥‥‥  (ii)

cos(□ - □) = - cos□

□□S2 + □02 + 2□S□0 cos□ = □12               ‥‥‥‥  (ii)'

(i) + (ii)' =  2□S2 + 2□02 = □12 + □22

□ [eqn: □_s = sqrt{ {□_1^2 +□_2 ^2 - 2□_0^2} over 2 }]                          □    ‥‥‥‥  (13)

식 (13)이 답이지만, 가끔 측정 보고서 등에 □02 의 2배를 생략하거나 (□12 + □22 -2□02)의 평방근을 구하고 2로 나누거나 하는 것을 가끔 보지만, 식의 도출을 알고 있다면 그러한 실수는 없어지리라 생각한다. 문제점으로써는 (13)식은 일반적인 경우에 VS의 방향을 전환할 때의 전류치가 같은 경우이다. 대부분의 경우는 전류치는 반전하더라도 같으며, (13)식을 적용하여 지장은 없지만, 때에 따라서 앞서 말했던 초고압 송전선의 부근 등에서 전류 보조극과 측정 대상극의 전위차가 커져, 전선으로 연결하면 전류가 흐르는 것이다. 측정 전류를 충분히 크게 하여(대지 전류분이 독해 오차 이내로 되는 정도) 측정하면, (13)식을 적용하여 좋으리라 생각하지만, 전류 보조극의 저항치에 따라서는 그렇게는 되지 않는 경우도 많다. 그 때는 다음과 같이 계산한다.

먼저 지전류(상기 전선으로 BY PASS된 전류)를 I0라 한다. 측정 전류 [eqn: I]S와 [eqn: I]0의 위상이 다르므로 그림-23과 같이 전류만의 VECTOR를 그린다.

[eqn: I]0은 전원을 차단하여 절연 변압기의 입력 단자를 측정하고(측정 RANGE를 변화시키면 좋다. 단락 LEAD선은 [eqn: I]0측정 후 반드시 떼어 낼 것), V0도 동시에([eqn: I]0을 흘리고 있을 때) 측정한다. 다음에 측정 전류를 흘려 [eqn: I]1, V1, [eqn: I]2, V2를 측정한다.

전류의 VECTOR 그림 (그림-23)에서, 식 (13)의 요령으로 [eqn: I]S를 계산한다.

[eqn: I_s = sqrt{ {I_1 ^2 +I_2 ^2 - 2I_0^2} over 2 }]                                        ‥‥‥‥  (14)

다음에 전압 VECTOR 그림을 그린다. 그림-24에 나타낸다.

[eqn: R]을 E극의 접지 저항이라 하면, V0은 원래의 지전압 V0'와 □0(□0는 VECTOR의 의미 이하 동일)와 [eqn: R]의 적 □0·[eqn: R]의 VECTOR 합이 된다. 또 □1은 측정을 위해서 전류 □S에 따른 전압 □S·[eqn: R]과 V0의 VECTOR의 합이 된다 (□2도 같은 방법, 단 -□S·[eqn: R]). 따라서 위상각 □를 그림과 같이 □S·[eqn: R]로 부터 잡으면 (13)식과 같은 형이 되며,

[eqn: V_s = sqrt{ {V_1^2 +V_2 ^2 - 2V_0^2} over 2 } = I_S CDOT R]

[eqn: R = V_S OVER I_S]  ([eqn: I_S]는 (14)에서 산출한 전류)

만약 이 때, [eqn: I]0과 [eqn: I]S가 동위상이라면,

[eqn: I]0 = ([eqn: I]1 - [eqn: I]2)/2 결국 [eqn: I]1 - [eqn: I]0 = [eqn: I]2 + [eqn: I]0이 된다.

이 때는 [eqn: I]0 는 소거된다. 즉 (13)식의 도출과 같도록 하여, 단 VECTOR 그림은 그림-25와 같이되며,

□12 = □02 + ([eqn: I]1·[eqn: R])2 - 2□0 ([eqn: I]1·[eqn: R]) cos□                 ‥‥‥‥(iii)

□22 = □02 + ([eqn: I]2·[eqn: R])2 - 2□0 ([eqn: I]2·[eqn: R]) cos(□-□)            ‥‥‥‥ (iv)

이번은 cos□의 항은 이대로는 소거할 수 없다.

(iii) x [eqn: I]2, (iv) x [eqn: I]1 이라 한다면,

□12·[eqn: I]2 = □02·[eqn: I]2 + [eqn: I]2([eqn: I]1·[eqn: R])2 - 2□0·[eqn: I]2·([eqn: I]1·[eqn: R]) cos□ ‥‥‥‥  (v)

□22·[eqn: I]1 = □02·[eqn: I]1 + [eqn: I]1([eqn: I]2·[eqn: R])2 + 2□0·[eqn: I]1·([eqn: I]2·[eqn: R]) cos□ ‥‥‥‥ (vi)

(v) + (vi)

□12·[eqn: I]2 +□22·[eqn: I]1 = □02([eqn: I]1 + [eqn: I]2) + [eqn: I]1·[eqn: I]2·([eqn: I]1 + [eqn: I]2)·[eqn: R]2

□  [eqn: R = sqrt{ {v_1^2 cdot I_2 + v_2 ^2 cdot I_1 - □_0^2 (I_1 + I_2 )} over {I_1 CDOT I_2 (I_1 +I_2 )} }]                          ‥‥‥‥  (15)

(15)식에 있어서, [eqn: I]1 = [eqn: I]2 = [eqn: I]라 둔다면 (13)식이 도출된다. 단, (VS = [eqn: I]·[eqn: R])이다. 또, [eqn: I]0을 측정하여 (14)식을 쓰더라도 동일의 답이 된다.

4.2 전위 강하법에 의한 측정 전류치의 문제

전항과 같이 지전압이 수 V이상인 경우에는 측정 전류를 어느 정도 흐르게 하면 좋을까, 많이 흐르게 하면 많은 만큼 좋은 것은 알지만, 전류 보조극, 전원 장치의 준비가 큰일이 되어 한계가 있다. 이것도 측정 계획을 세울 때 자주 문제가 되는 점이다. 전력 회사 등에서는 접지극의 상승 전위에서 표준 10V, 2∼12V라고 하듯이 내규로 결정되어 있는 듯하지만, 보조 접지극에 비용과 노력을 충분히 기울이는 것이 가능한 경우는 좋다고 하여, 통상은 간단히 철거하기 쉽다고 생각하는 것이 보통일 것이다.

측정 원리에서 말하자면 V0가 몇 V일까 VECTOR 그림을 그릴 수 있어 계산이 가능하다면 문제는 없지만, 필자는 다음과 같이 생각하여 실시하고 있다.

MESH 접지이건, 구조체 접지이건 대규모 접지체의 접지 저항은 개략 파악하고 있다고 한다(직독 측정기를 사용하면 좋다. 또 지전압도 측정하여 둔다). 지전압이 측정되었다면 측정 전류는 대상 접지극의 전위 상승이 적어도 그 지전압보다 큰 값이 되도록 계산하여 정하는 것이다.

단, 최저한으로써는 전위 상승치로 2V를 목표로 최악의 경우라도 1V가 되도록 하고 있다.

어쨌든 명확한 근거가 특별히 있는 것은 아니다. 경험적으로 취급하기 쉬운 값을 언급하는 것이다.

상기의 값보다 적은 값이더라도 3∼4점 전류치를 바꾸어 측정하고, 각각의 사이의 오차가 적지 않으면 별로 지장은 없으리라 생각한다. 전류치를 바꾸어 결과가 다소 다르게 되는 경우에는 전류치가 최대인 곳을 채택한다. 만일 크게 다르다면 전류 보조극 위치를 바꾸는 등 전류치를 증가시키는 방법을 고안한다. 전류 보조극의 저항치가 높은 경우는 시험 전압을 높게 하지 않으면 안 되는 경우도 있다. 특별한 승압 TRANSFORMER(절연 TRANSFORMER를 겸용)를 설치하거나, 배전용 변압기에 (6kV/200V, 100V)를 2대 이상 조합시키거나 하는 경우도 많지만, 절연 및 안전(감전)에 충분한 주의를 기울이기를 바란다.

4.3 이주파(異周波)에 의한 측정

앞서 말했 듯이 NOISE는 상용 주파수에 의한 것이 반이 상을 차지한다. 따라서 측정에는 상용 주파를 피하면 문제는 해결될 것이다. 그렇지만 실제로는 문제가 남아 있다.

JIS의 접지 저항 측정기도 기술하였듯이 시험 전류는 이주파를 사용하고 있다. 그러나 지전압에 의한 영향에서 보듯이 상당히 큰 오차가 허용되고 있다. 필터의 성능을 향상시킨다면 해결되는 것이겠지만, 이번은 입력 손실이 커지게 되어 한계가 있는 듯하다.

그러나 측정기기의 물리적 크기나 중량 등에 제한을 하지 않는다면 이상에 가까운 측정기를 제작하는 것은 가능하리라 생각되고, 한 개의 CASE에 넣어진 측정기로 이주파를 발생시켜 대형 전력 증폭기에 의해 출력을 크게 하며, 한편으로 성능이 우수한 FILTER를 써서 정확한 측정을 시도하는 □이주파 접지 저항 측정기□가 제작되고 있으므로 소개한다7).

이 측정기의 주요부의 BLOCK도를 나타내면 그림-26처럼 되어 있다. 측정은 출력 단자에서 주파수 45□(55□ 또는 65□)의 전류를 측정 대상극 E극과 전류 보조극 C극 사이에 흘려, E극의 전위 상승치(가상 영전위점에 설치한 전위 보조극 P극에서의)를 FILTER를 통하여 45□(55□ 또는 65□)분만 읽고 내용을 이해하도록 되어 있다. 원리는 전위 강하법 그 것이다.

출력은 45, 55, 65□라 하더라도 1A 또는 2A 설정의 정전류 회로로 되어 있으며 1A에서 측정할 때는 입력의 전위가 그대로 E극의 접지 저항치가 된다. 45∼ 65□는 상용 주파수를 벗어나게 하기 위해 설정한 것이므로 상용 주파의 V0도 [eqn: I]0도 관계없이 측정할 수 있을 것이다.

출력 전압은(정전류 회로이기 때문에) 자동 가변이 되지만, 상한은 1A일 때 200V, 2A일 때 100V라 되어 있으며 이것 보다 높게 되면 보호 회로가 동작한다. 따라서, 측정 범위는 200V, 1A일 때 E극, C극의 접지 저항의 합 및 보조 배선의 저항을 포함하여 200□, 100V 2A일 때는 50□이하라는 것이 되지만 MESH 접지 등의 측정에는 C극의 저항치를 되도록 작게 하므로 대부분의 측정은 가능하리라 생각된다.

게다가, 이 측정기의 특징은 그림-26의 입력부의 전류 단자에서 이 단자는 그림-27과 같이 MESH 접지에 송전선의 GW(GROUND WIRE)가 접속되어 있을 때 이 GW에 분류하는 전류(45∼65□분)를 크램프형 CT로 거두어들이고, 이 전류의 절대치 □[eqn: I]□(A), 송출 단자 전압에 대한 [eqn: I] cos분치, [eqn: I] sin분치가 전환되어 측정되도록 고안되어 있다. MESH로의 유입 전류에서 GW로 분류하는 전류를 각 COMPONENT에서 빼면 각각 단독 전류치를 측정할 수 있다.

단, 이 전류(예를 들면 MESH만의 전류)로 전위 상승치를 나눈 값이 즉 MESH의 접지 저항이다라고 할 수는 없다. 물론 근사적으로는, 또한 안전 측면으로는 좋다고 한다면 그것으로 지장은 없지만 경우에 따라서는 상당한 오차를 생기게 할 우려가 있다. 이것은 특별히 이 측정기 독자의 것이 아니라 병렬 접지 전반에 관계하는 문제이며, 전극을 몇 개 집합시켜 병렬로 사용한 경우 그 합성 저항은 저항 구역과, 상호 저항의 작용에 따라서 기계적으로 병렬 계산한 값보다 크게 된다. 그 비를 집합 계수(동종 접지극을 병렬로 한 경우), 병용 계수(이종, 예를 들면 MESH 접지와 BORING 접지극)등이라 부르며, 1 보다 큰 값을 취하는 것은 접지 관계 책에 상세히 설명되어 있는 바이다9).

결국 합성 저항치는 각각의 접지 저항의 병렬 계산치 보다 크게 되며, 바꿔말하면 병렬로 쓰고 있을 때는 각각의 전극에 유입하는 전류는 개별로 사용하고 있을 때보다, 같은 전위 상승에 대하여 적게 되어 있는 것이다. 즉 저항치가 크게 산출되는 것이다.

지금 문제가 되고 있는 GW관계의 접지가 아닌 MESH 접지극의 저항치를 저감하기 위해, BORING 접지극 등을 병용하고 있는 경우는 통틀어 접지 저항이므로 MESH 그 것의 저항치를 재더라도 그다지 의미는 없으며 또 측정 시에는 BORING 접지극을 분리하지 않으면 정확한 측정이 불가능하지만, GW관계의 접지는 보통 MESH 접지 저항 중에는 포함하지 않는다. 따라서 MESH 만의 접지 저항치를 정확히 파악하고 싶은 경우는 GW를 분리할 필요가 있다고 생각된다. 물론 안전 관점이므로 보수 감시의 의미에서 규정치와의 비교 등에 쓰이고 있는 것이라면 아무런 지장 없는 유용한 방법이라 생각된다. 단, 필자로써는 대규모 접지 계에서는 비교적 대전류로 측정하고 싶다는 생각을 버릴 수 없다. 상용 주파가 사용된 접지계이고, 상용 주파로 측정 가능하다면 그 쪽이 좋으리라 생각하기 때문이다.

4.4 SHIELD의 문제

측정선, 측정기로의 NOISE가 정전 유도인 경우는 SHIELD 금속판 및 SHIELD 전선을 사용하는 방법이 자주 쓰인다. 그러나 이 경우 접지(SHIELD의)가 문제이며, 예를 들어 넓은 면적에 많은 접지극을 설치하는 경우 등으로 전극의 부근에서 측정할 때 부근의 대지 상에 측정기를 놓고 접지극을 박고, 측정기와 보조 배선의 SHIELD를 소위 □EARTH□하는 것을 간혹 볼 수 있다.

많은 경우, 대지 전위가 이미 감쇠한 지점에서 SHIELD의 접지가 되기 때문에, 특별히 TROUBLE은 발생하지 않는 듯하지만, 정확히는 영향을 받고 있다고 생각하지 않으면 안 된다. 또 측정기를 고무판등(비유전율이 상당히 높다)의 위에 놓는 일도 정전 유도를 받기 쉽다. 이러한 때는 그 측정기의 아래 부분에(고무판 위에) 동박판을 깔고, SHIELD전선의 SHIELD와 함께 일점 접지로써 가상 영전위점에 연결하면 좋다(측정기 부분까지 와 있는 영전위의 단자로 좋다).

전자 유도에 관하여는 접지에 관한 문헌은 거의 발견되지 않지만 상용 주파수에 의한 유도는 있더라도 극히 사소하다고 생각되므로 별로 큰 문제는 아니라고 생각되나, 여기에 전류 주입선과 전위 보조선이 장경(타원의 가장 긴 직경)간 평행하고 있는 측정에 있어서 유도 전압을 계산한 예가 있으므로 소개한다10).

그림-28에 있어서 평행하고 있는 2도체간의 상호 INDUCTANCE M은,

□0          2[eqn: l]

M □ □□□□□ [eqn: l] (ln □□□□ - 1)                                  ‥‥‥‥  (17)

2□          d

로 계산된다.

[eqn: l]은 평행 하는 거리, d는 심선간 거리로 그림 대로임.

□0 는 공기의 □0 투자율로 □ 4□ x 10-7으로써 식(17)을 계산하자면,

M □ 1.02 x 10-3(H) 이 된다.

d[eqn: i]

유도 전압 □m은, □m = - M□□□□ 에서 [eqn: i] = [eqn: I] cos□t, [eqn: I] = 1 (A), □ = 2□f,

dt

f = 50□이라 하면,

□m = 0.302 sin□t이 되며, 실효치로는 Em = 0.214 (V)가 된다. MESH 접지분의 전위 상승치 (저항분)는 0.3V이었으므로 볼트 메타 V의 값은 [eqn: V=SQRT {0.3^2 + 0.214^2} = 0.368]   이 되며, 0.3□에 대해 약 20%의 오차가 생긴다.

실제로는 양선이 이렇게 밀착하는 것은 아니며, 또 양선 간을 떨어뜨리면 M은 상당히 감소하므로 E극의 상승 전위를 2V라 하면 먼저 이 전자 유도는 고려하지 않아도 좋으리라 생각한다. 어쨌든 전류선과 전위선은 평행해서는 안되며, 또 떨어지는 때도 m단위로 이격하는 편이 좋다고 생각한다.

5. 기 타

(1) DC 측정의 문제

접지 저항 측정에는 전극과 대지의 극성 작용 때문에 오래 전부터 교류, 또는 비교적 주파수가 높은 구형파에 가까운 교번 전류가 사용되어 오고 있다.

그러나, 유도 문제 등이 클 때는 직류에 따른 측정도 재평가되어도 좋지 않을까, 대전류의 제어도 가능한 THYRISTOR도 비교적 싼 값으로 제작할 수 있게 되었으며(단, 직류의 개폐는 TRI ARC와 같이 간단하지는 않을지 모르겠지만), 또 비교적 큰 Ah용량을 갖는 축전지도 최근은 밀폐되어 COMPACT 하게 되어 사용하기 쉽게 되어 있기 때문에 이것을 전원으로써 1∼2,3□정도의 교번 전류에서 측정을 시행하여 보고 싶다고 생각하고 있다.

(2) 고입력 IMPEDANCE 계기의 문제

측정 대상 접지극의 상승 전위 측정에 최근은 입력 IMPEDANCE 1M□이상이라고 하는 진공관 전압계와, 디지탈 볼트 메타가 사용된다. 이러한 계기는 전위 전극(P극)의 접지 저항과 WIRE CLAMP의 접촉 저항, 보조 배선의 도체 저항등 완전히 무시할 수 있다고 하는 장점을 갖고 있다. 그러나 역으로 이 장점이 반대로 작용하는 일이 있다. 잡음을 제거하기 쉽다고 하는 것은 당연하기는 하지만, 예를 들어 긴 전위 보조선이 도중에 절단된 경우(통상 SHIELD의 접지는 측정기 측에서 편단 접지), 50∼70% 정도의 전압이 유도되어 잘못된 측정을 계속했던 경험이  있다.

전선의 절단에 대해서는 수일에 걸친 대규모 측정에 있어서, 야간 초원에 배선해 놓았던 SHIELD선을 들쥐(들토끼)에게 갉아 먹혀 외장마다 절단된 경험이 2번 있다. 전류선은 절단되면 전류가 흐르지 않으므로 곧 알 수 있지만, 전위선에 대해서는 심선과 SHIELD 도체를 ROOF로 하고 있기 때문에 도통 TEST를 하는 것을 측정 개시 전의 준비 작업의 하나로 하도록 하고 싶다.

6. 맺음말

접지 저항 측정에 대한 문제점에 대하여 현재 필자가 느끼고 생각하고 있는 것을 나열했다. 표현이 충분치 못한 부분도, 너무 장황한 부분도, 이해하기 어려운 부분도 많으리라 생각되지만, 읽고 해석함에 이해를 구하고 싶다.

접지 저항 측정은 책상 위의 이론적인 학문의 분야는 적으며, 필자는, 현장 체험을 쌓는 것이야말로 진보 개척해 가는 길이라고 항상 생각하고 있다. 본 원고에 대한 질의, 의견은 물론이고, 독자 분들이 현장에서 행하신 귀중한 체험을 1건이라도 많은 학회지 와 연구 발표회 등에 있어서 발표되기를 거듭 부탁드리며 글을 맺고 싶다.

참고문헌

1)松井 : □接地抵抗計의 日本工業規格에 관하여□, 電氣檢定所 技報,Vol.11,No.3,

1976.7  p.9

2) 蒔田·井上 □大地抵抗率測定器의 入出力 特性□, 電氣 設備 學會 硏究 發表會

講演 論文集, 1987. 9 p.53

3) 예를들면, 平凡社大百科事典 11卷, p.990, Sweeping-out method

4) 電氣設備學會·山岳地 (變) 接地硏究委員會 : □硏究報告 그 4□附錄

1987.3.p.46

5) 同前 □硏究報告書 그 6□, 1987,9,p.24

6) 同前 □硏究報告書 그 3□, 1986,9

7) AIEE Committee Report : Voltage Grandients Through the Ground Under

Fault Conditions,AIEE Trans 77, p.669, (1959) (AIEE는 現 IEEE의 前身)

8) 向陽電氣(株) : □CY·11387 接地抵抗測定裝置·取扱說明書□

9) 川瀨 : □地絡保護와 接地技術□, OHM社, 1987, p.58

高橋 : □圖解接地技術入門□, OHM社, 1986, p.73