[이스온 김응욱 대표] 일반적인 접지의 목적은 인명과 재산의 안전을 확보하고 각종 전기, 전자 장비의 장애 방지와 안정적인 시스템의 운영을 위해 설치한다.

접지는 기본적으로 각종 설비, 구조체 등을 도체에 의해 대지와 전기적으로 완전하게 접속하는 행위이며, 다른 전기설비에 비해 단순한 설비로 간주되기 쉬우나 전기설비의 사고, 고장 또는 뇌격 서지 침입 시 감전사고로부터의 보호, 전기기기의 절연파괴를 방지하는 등 중요한 기능을 수행하는 매우 중요한 설비이다.

접지전극에는 동, 철 등의 금속제 또는 탄소계의 봉상, 판상 등의 접지극을 대지에 매설해서 접지극을 만들어 이용하거나 접지의 목적으로 시공되는 것은 아니지만 넓은 표면적으로 대지와 접촉하고 있는 금속 물체 또는 구조물을 접지극으로 이용해 왔다. 

특히, 철골조 등의 건축 구조체의 접지저항은 인위적으로 만든 접지극의 접지저항보다 현저하게 낮은 것이 실측에 의해 입증되어 있으며, 이러한 구조체의 일부인 철골등에 접지선을 연결해 접지극으로 이용하는 것이 구조체 접지이다.

기존 구조물의 지주와 기초를 분리시켜서 시공하던 방식을 혁신적으로 개선해 내식성이 가장 우수한 소재인 포스맥(PosMAC)을 사용, 지주와 기초를 일체화시켜 제작된 ‘스틸보 기초 모듈러 공법’은 구조물 자체가 지중에 매설되어 양호한 구조체 접지전극이 된다.

태양광발전 시스템 구성품 중의 하나인 구조물 접지설비에 대해 알아보고 신공법으로 개발된 스틸보 기초 모듈러 공법의 접지대체 효과에 대해 소개하고자 한다.

접지공사 개요 및 종류

 접지설비는 누전에 의한 감전사고 및 화재로부터 인명과 재산을 보호하기 위해 전기설비기술기준에 따라 지중접지를 해야 한다.

태양광발전 시스템의 구조물인 스틸보 기초 모듈러의 경우도 본딩접지 시공부위는 절연파괴 등으로 인한 고장전류가 접지선을 통해 원활히 흐를 수 있도록 철제 지지물을 전기적으로 완전하게 접속해야 한다.

접지는 접지가 필요한 기기가 다수 있는 경우에 각각의 기기에 단독으로 접지를 시행하는 단독접지와 가능한 한 기기를 집합시켜 공통으로 접지를 시행하는 공용접지 방식이 있으며 태양광 발전설비가 설치되는 지역처럼 건설용지가 제한되고 넓은 부지의 확보가 어려운 경우에는 접지가 수월한 전기실 주위에 단독접지를 시행하고 있는 추세이다.

단독접지공사의 종류는 제1종 접지공사, 제2종 접지공사, 제3종 접지공사 및 특별 제3종 접지공사로 분류되며, 각각의 접지저항 값은 표 1과 같다.

시설 장소에 따른 접지공사의 종류

제1종 접지공사 : 고압 및 특고압의 전기기기의 철대, 외함 등의 접지
제2종 접지공사 : 고압 및 특고압전로와 저압전로를 결합하는 변압기의 중성점, 또는 단자 등의 접지
제3종 접지공사 : 400V 이하의 저압의 전기기계기구의 철대, 외함 등의 접지
특별3종 접지공사 : 400V 초과의 저압의 전기기계기구의 철대, 외함 등의 접지

​접지선은 녹색으로 표시하지만, 부득이 녹색 또는 황록색 얼룩무늬 모양인 것 이외의 절연전선을 접지선으로 사용하는 경우는 말단 및 적당한 개소에 녹색테이프 등으로 표시해야 한다.

기계기구의 접지전로에 시설하는 기계기구의 철대 및 금속제 외함은 표 2에 따라 접지공사를 실시해야 한다. 

이상적인 단독접지는 2개의 접지전극이 있는 경우 한편의 접지전극에 접지전류가 흘러도 다른 접지전극에는 절대로 전위상승이 발생하지 않아야 한다.

접지극의 종류 및 접지선의 굵기

접지극으로 사용되는 종류와 규격은 표 3과 같다.

접지선의 굵기는 제3종 및 특별 제3종 접지공사의 경우 공칭단면적 2.5㎟ 이상의 연동선으로 규정, 기기 고장 시에 흐르는 전류에 대한 안전성, 기계적 강도, 내식성을 고려하여 결정한다.

태양광 발전설비 적용 규정

산업통상자원부 공고 제2017-104호 – 전기설비기술기준의 판단기준(제54호)

제54호(태양전지 모듈 등의 시설)

1) 태양전지 발전소에 시설하는 태양전지 모듈, 전선 및 개폐기 기타 기구는 각 호에 따라 시설해야 한다.
① 충전부분은 노출되지 아니하도록 시설할 것.
② 태양전지 모듈에 접속하는 부하측의 전로(복수의 태양전지 모듈을 시설한 경우에는 그 집합체에 접속하는 부하측의 전로)에는 그 접속점에 근접하여 개폐기 기타, 이와 유사한 기구(부하전류를 개폐할 수 있는 것에 한한다)를 시설할 것.
③ 태양전지 모듈을 병렬로 접속하는 전로에는 그 전로에 단락이 생길 경우에 전로를 보호하는 과전류차단기 기타의 기구를 시설할 것. 다만, 그 전로가 단락전류에 견딜 수 있는 경우에는 그러하지 아니하다.
④ 전선은 다음에 의거해 시설할 것. 다만, 기계기구의 구조상 그 내부에 안전하게 시설할 수 있을 경우에는 그러하지 아니하다.
가. 전선은 공칭단면적 2.5㎟ 이상의 연동선, 또는 이와 동등 이상의 세기 및 굵기의 것일 것.
나. 옥내에 시설할 경우에는 합성수지관공사, 금속관공사, 가요전선관공사 또는 케이블공사로 제183조, 제184조, 또는 제193조, 제195조 제2항 및 제196조 제2항, 제3항의 규정에 준해 시설할 것.
다. 옥측, 또는 옥외에 시설하는 경우에는 합성수지관공사, 금속관공사, 가요전선관공사 또는 케이블공사로 제183조, 제184조, 또는 제218조 제1항 제7호 및 제195 제2항 및 제196조 제2항 및 제3항의 규정에 준하여 시설할 것.
⑤ 태양전지 모듈 및 개폐기 그 밖의 기구에 전선을 접속하는 경우에는 나사조임, 그 밖에 이와 동등 이상의 효력이 있는 방법에 의하여 견고하고, 또한 전기적으로 완전하게 접속함과 동시에 접속점에 장력이 가해지지 않도록 시설하며 출력배선은 극성별로 확인 가능하도록 표시할 것.
⑥ 태양전지 모듈의 프레임은 지지물과 전기적으로 완전하게 접속하여야 한다.

2) 태양전지 모듈의 지지물은 자중, 적재하중, 적설 또는 풍압 및 지진 기타의 진동과 충격에 대하여 안전한 구조의 것이어야 한다.

태양광 발전설비 접지 적용

태양광발전 설비는 태양전지 모듈, 지지대, 접속함, 인버터의 외함, 금속배관 등의 노출 비충전 부분은 누전에 의한 감전과 화재 등을 방지하기 위해 태양전지 어레이의 출력전압이 400V 미만은 제3종 접지공사를, 400V를 넘는 경우에는 특별 제3종 접지공사를 시행한다.

구조물의 경우에는 일반적으로 제3종 접지공사를 시행하며, 각 지역 전기안전공사의 지침에 따라서 접지시설을 시행하는 경우가 많아 도면상에는 아주 심플하게 계획하고 현장에서 감독관의 지시를 받아 시행하고 있는 것이 보편적이다.

태양광발전 설비의 직류전로 접지 태양전지 어레이에서 인버터까지 직류전로는 원칙적으로 접지공사를 실시하지 않는다.

태양광발전 설비의 접지는 태양전지 모듈이나 패널을 하나 제거하더라도 태양광 전원회로에 접속된 접지도체의 연속성에 영향을 주지 말아야 한다.

직류전로의 접지는 전식발생 등의 영향을 최소화 하기위해 접지를 생략하는 경우가 있었으나 최근의 추세는 IEC 60364에 기준해 안전을 최우선으로 하기 때문에 접지를 시행하기도 하고 있다. 특히, 태양광 구조물의 접지는 직류전로와 다르게 낮은 전압임에도 불구하고 습기, 또는 우기에 감전에 우려가 상존하기 때문에 반드시 접지를 시행해야 안전을 확보할 수 있다.

이런 이유로 태양광 관련 전기설비기술기준 제54조에서도 태양광 모듈과 구조물간 전기적 접속을 완전하게 시행하도록 규정하고 있으며 구조물도 지표와 완전하게 접지될 수 있도록 해야 한다.

스틸보 기초 모듈러 구조체 접지저항 추정 및 적용

접지하는 전기기계기구의 금속제 외함, 배관 등과 접지선과의 접속은 전기적으로나 기계적으로 확실히 해야 한다.

특별 3종, 또는 3종 접지공사의 특례 내선규정 140-4에 따라 특별 제3종, 또는 제3종 접지공사를 실시하는 금속물체와 대지간의 전기 저항값이 특별 제3종 접지공사인 경우 10Ω 이하, 또는 제3종 접지공사인 경우 100Ω 이하이면 해당 접지공사를 시행한 것으로 간주한다.

태양광 구조물은 제3종 접지공사 대상으로 대지에 매입되는 구조물의 추정되는 접지 저항이 100Ω 이하가 될 경우 접지공사를 별도로 시행하지 않아도 될 것으로 판단되며, 이는 전체 접지설비 금액의 20~30% 정도가 절약될 것으로 판단되고 절약되는 금액은 구조물의 수량이 많을수록 더 증가할 것으로 예상된다.

실질적으로 철골 구조체의 접지저항은 매우 낮으며, 그 값은 인위적으로 전극에 의해 얻어지는 것보다 상당히 낮다. 또한, 대지와 넓은 면적으로 접촉하고 있으므로 서지 임피던스 특성이 아주 양호한 접지전극이 된다. 

특히, 태양광이 설치되는 지역의 경우에는 접지극을 설치하기 위한 부지면적이 제한되어 구조체 접지를 적극적으로 이용할 수 있으며, 접지를 시공하려는 장소 부근에 이러한 구조체가 있는데도 특별히 접지공사를 추가로 시행하는 것은 큰 손실이 된다.

이스온의 기초 모듈러 구조물은 이러한 이점을 가진 구조물로 각각의 구조물 등에 발생할 수 있는 전위차를 방지하기 위해 구조물상 볼트로 연결되는 모든 부분은 접지 본딩선으로 접속하는 것으로 계획한다. 

구조체를 이용한 접지는 접지극에서 멀리 떨어져 설치되는 태양광 구조물 접지의 단점도 보완하고 쥐 등이 노출된 접지선 등을 갉아먹어 발생되는 폐해 등도 사전에 차단이 가능하다. 감전사고를 적절하게 예방하기 위해서는 접지극이 가장 짧아야 그 효과가 극대화 될 수 있기 때문이다.

스틸보 기초 모듈러 공법의 접지저항 추정
철골 구조체의 접지저항은 구조체가 건설되어 있는 지점의 대지저항률과 구조물의 지표하 기초부분의 크기에 의해서 결정된다. 대지저항률은 점토질, 모래지역, 산지 등의 구조물의 설치예상 지역을 적용해 약 ρ＝100(Ω⦁ｍ)로 가정한다. 구조체가 대지와 접촉하고 있는 부분의 전표면적은 기초 지주 등의 표면적을 제외하고 약 A＝1.155(㎡) 이다.

(구조물의 크기 : 3m x 0.385m＝1.155㎡) ... 최소수량 적용
① 구조체 접지저항 산출 : R ＝ (0.4 x ρ) ÷ √A
＝ (0.4 x 100) ÷ √1.155
＝ 37.2 Ω

② 3원극 병렬 설치의 경우

☞ 반구형 전극의 반경 산출(r)
r = √A÷2π = √1.155㎡÷2π = 0.4287m

☞ 접지극 직선배치에 따른 집합계수의 산정
⍺ = r(반경)÷d(설치간격) = 0.4287m÷3.0m = 0.1429
∴ 1/⍺ = 1÷0.1429 = 6.99 ≒ 7
∴ η(집합계수) = 1.237

③ 3구조체 병렬 설치 시 추정 접지저항은
R₀ = η(집합계수)x(R(구조체 접지저항)÷n(설치갯수) = 1.237x(37.2Ω÷3)
                                                                  = 15.34Ω

제3종 접지공사인 100Ω의 경우 안전계수를 5로 계산해도 20Ω이면 충분한 접지저항값이 된다. 따라서 구조체 접지를 위한 제3종 접지극으로는 사용이 가능할 것으로 판단된다.

이스온의 스틸보 기초 모듈러 공법의 접지극 적용
이스온에서 공급하는 태양광발전 구조물인 스틸보 기초 모듈러는 내식성이 우수한 소재인 포스코의 포스맥(PosMAC)과 맥볼트(MacBOLT)를 사용해 현장에서 일체형으로 조립해 설치장소로 이동 후 터파기가 선행되어진 장소에 일괄 설치하는 공법이다. 

스틸보 기초 모듈러는 고강도 내부식성 금속재료가 지중에 설치되므로 철골과 대지 사이의 전기저항값이 감소되어 스틸보 기초 모듈러 자체로도 상당한 접지저항값을 가지게 되므로 제3종 접지극의 대용으로 사용이 가능하다.

지중에는 지주외에도 넓은 면적의 Floor Beam(3m x 0.385m)이 설치되어 접지극으로 사 용되는 접지판의 역할을 하게되며 각각의 스틸보 기초 모듈러가 지중에 설치되어 상당한 접지 효과를 가져온다. 그러므로 스틸보 기초 모듈러 공법은 태양광 발전 설비의 안전성을 증가시키는 효과를 가져다 주며 접지 시공비를 절약하는 좋은 방안이라 판단된다.

일반적으로 적용하고 있는 태양광 접지설비는 지중에 접지선을 매설하는 방식 보다는 접지극을 별도로 설치한후 모듈 주위로 설치되는 전력용 케이블 트레이에 접지선을 태워 연결하는 방식으로 접지 시스템을 구성한다. 이 경우 구조물 근처 가장 가까운 위치에 접지극이 있는 경우보다 효율성이 떨어져 스 틸보 기초 모듈러 공법이 더욱더 안전한 태양광 발전설비를 가능케 할것으로 판단된다.

스틸보 기초 모듈러 구조체 접지방안

 스틸보 기초 모듈러 구조물 접지 방법
스틸보 기초 모듈러 구조물은 그림 1처럼 볼트로 연결되는 곳은 접지본딩을 해서 스틸보 기초 모듈러가 완전하고 안전하게 접지될 수 있도록 시공한다. 모든 구조체가 일체화되어 어느 방향이든 안전한 대지와의 동일한 접속이 이뤄진다.

태양광 모듈과 스틸보 구조물간 접지 방법
태양광 모듈과 스틸보 구조물간 접지 연결은 아래의 그림 2처럼 각 모듈에 2곳을 접지본딩해서 스틸보 구조물과 완전하고 안전하게 접지될 수 있도록 시공한다.

스틸보 기초 모듈러 접지극 접지 방법

태양광 스틸보 구조물의 접지극을 대체하는 Floor Beam의 연결은 그림 3처럼 완전하고 안전하게 접지될 수 있도록 시공한다.

스틸보 기초 모듈러 구조물의 경우 자체가 직접접지되어 접지극의 역할을 담당하고 각 구조물은 기본적으로 3개의 기둥으로 이루어져 접지기능을 하기 때문에 기둥간의 본딩접지는 하지 않아도 된다. 태양광 구조물 접지 방법에 대한 비교는 표 5와 같다.

[참고문헌]
1. 전기설비기술기분 내선규정
2. 최신 피뢰시스템과 접지기술(성안당, 강인권 편저)