접지봉에 대해 알아야 할 모든 것: 선택, 설치, 테스트 및 규정 준수

접지봉은 모든 안전한 전기 시스템의 기초입니다

접지봉(접지봉 또는 접지 전극이라고도 함)은 구조물의 전기 시스템과 접지 사이에 직접적인 전기 연결을 생성하기 위해 토양에 박혀 있는 금속 도체입니다. 모든 주거용, 상업용, 산업용 전기 설비에는 최소한 하나의 접지봉이 필요합니다. 최신 안전 규정을 충족하기 위해 미국의 NEC(National Electrical Code)에서는 단일 로드가 25Ω 저항 이하에서 테스트되지 않는 한 최소 6피트 간격으로 최소 2개의 접지 로드를 요구합니다.

그 목적은 간단하지만 중요합니다. 접지봉 고장 전류 및 낙뢰로 인한 서지가 땅으로 안전하게 소멸되도록 낮은 저항 경로를 제공하여 장비, 구조물 및 인명을 보호합니다. 제대로 설치되고 테스트된 접지 시스템이 없으면 단일 전기 결함으로 인해 화재, 장비 파괴 또는 치명적인 감전사가 발생할 수 있습니다. 이 기사에서는 재료 선택부터 규정 준수 및 실제 저항 목표에 이르기까지 접지봉 선택, 설치, 테스트 및 유지 관리에 대해 알아야 할 모든 내용을 다룹니다.

접지봉의 실제 역할과 저항이 중요한 이유

접지봉은 지구의 사실상 무한한 전하 흡수 능력을 활용하여 작동합니다. 결함이 발생하면(예: 활선이 금속 기기 케이스에 접촉) 전류가 접지 도체를 통해 접지봉 아래로 흐르고 주변 토양을 통해 방사형으로 분산됩니다. 이렇게 하면 회로 차단기나 퓨즈가 열려 누군가가 피해를 입기 전에 전원이 차단됩니다.

이 프로세스의 효율성은 거의 전적으로 접지봉과 주변 접지 사이의 저항(접지 저항 또는 접지 저항이라고 함)에 따라 달라집니다. NEC에서는 단일 로드에 대해 25옴 이하의 접지 저항을 권장합니다. 그러나 많은 통신 표준, 데이터 센터 및 민감한 장비 제조업체에서는 과도 전압으로 인한 신호 간섭 및 장비 손상을 방지하기 위해 5Ω 또는 심지어 1Ω을 요구합니다.

접지 저항은 고정되어 있지 않습니다. 토양 수분 함량, 온도, 토양 구성 및 계절 변화에 따라 달라집니다. 모래가 많고 건조한 토양은 습한 점토 토양보다 10~50배 더 ​​높은 저항력을 나타낼 수 있습니다. 봄철에 25Ω 테스트를 통과한 접지봉은 건조한 여름 동안 해당 임계값을 초과할 수 있으므로 주기적인 테스트가 중요합니다.

접지봉의 종류: 재질 및 성능 차이

모든 접지봉이 동일하게 생성되는 것은 아닙니다. 재료 선택은 내식성, 전도성, 수명 및 설치 비용에 직접적인 영향을 미칩니다. 현대 설비에 사용되는 가장 일반적인 세 ​​가지 유형은 구리 결합 강철, 고체 구리 및 아연 도금 강철입니다.

구리 결합 강철 막대

이는 북미에서 가장 널리 사용되는 접지봉입니다. 고탄소강 코어는 구리층과 분자적으로 결합되어 있습니다. 일반적으로 두께 0.254mm(10밀) 표준 막대의 경우 - 전기 도금 또는 압출 공정을 사용합니다. 강철 코어는 주행 시 인장 강도를 제공하고, 구리 외부는 부식에 강하고 토양과의 낮은 접촉 저항을 유지합니다. 구리 결합 로드는 UL 467(접지 및 결합 장비)에서 참조하는 표준이며 NEC 요구 사항을 충족합니다.

단단한 구리 막대

단단한 구리 막대는 우수한 내식성과 전도성을 제공하지만 재료 비용이 훨씬 더 높으며 구리의 상대적인 부드러움으로 인해 단단하거나 바위가 많은 토양에 설치하는 동안 구부러지기 쉽습니다. 이는 해안 시설, 화학 공장, 산성도가 높은 토양과 같은 부식이 심한 환경에 가장 일반적으로 지정됩니다. pH가 5 미만인 토양이나 해양 환경에서 단단한 구리 막대는 구리 결합 막대보다 수십 년 동안 지속될 수 있습니다.

아연 도금 강철 막대

용융 아연 도금 강봉은 가장 경제적인 옵션이며 NEC에서 허용합니다. 그러나 아연은 대부분의 토양 조건에서 구리보다 훨씬 빠르게 부식되며, 아연 코팅이 저하됨에 따라 아래에 노출된 강철도 빠르게 부식됩니다. 아연도금 강철 막대는 부식성이 중간 정도인 토양에서 유효 수명이 10~15년에 불과합니다. , 구리 결합 막대의 경우 30~40년과 비교됩니다. 일반적으로 임시 설치 또는 매우 건조하고 부식성이 없는 토양 환경에만 권장됩니다.

스테인레스 스틸 막대

316L 스테인리스강 접지봉은 염화물 함량이 높은 토양, 제빙 염 적용 지역, 화학 오염이 있는 산업 현장을 포함하여 가장 공격적인 토양 환경에 맞게 지정되었습니다. 비용이 많이 들지만 최소한의 유지 관리로 50년이 넘는 탁월한 수명을 제공하므로 긴 서비스 수명 동안 중요한 인프라에 비용 효율적입니다.

표준 치수: 길이 및 직경 요구사항

NEC(250.52조)는 접지 전극으로 사용되는 접지봉의 최소 치수를 지정합니다. 이러한 요구 사항을 이해하면 규정 준수를 보장하고 특정 토양 조건에 적합한 로드를 선택하는 데 도움이 됩니다.

• 최소 길이: 구리 또는 구리 피복 막대의 경우 8피트(2.4미터); 철 또는 강철 막대의 경우 8피트
• 최소 직경: 구리 결합 및 솔리드 구리 막대의 경우 5/8인치(15.9mm); 아연 도금 강철 막대용 3/4인치(19mm)
• 일반적인 상업 길이: 3m(10피트) 및 6m(20피트) 로드는 저항이 낮은 지층에 도달하기 위해 토양 조건이 더 깊게 침투해야 하는 상업 및 산업 분야에 널리 사용됩니다.

로드가 길수록 지표 토양보다 더 안정적으로 수분을 유지하는 더 깊은 토양층에 도달하기 때문에 지속적으로 낮은 접지 저항을 달성합니다. 전체 깊이 로드를 수직으로 구동할 수 없는 암석 지형에서 NEC는 로드를 수직에서 최대 45도 각도로 구동하거나 로드 전체 길이가 여전히 땅과 접촉되어 있는 경우 최소 30인치 깊이의 트렌치에 수평으로 묻을 수 있도록 허용합니다.

더 깊은 깊이에 도달하기 위해 여러 개의 로드 섹션을 함께 연결하기 위해 나사식 커플링을 사용하여 표준 4피트 또는 5피트 섹션을 연결합니다. 이 단면 접근 방식을 사용하면 제한된 수직 공간에 설치할 수 있으면서도 20피트 이상의 침투 깊이를 달성할 수 있습니다.

단계별 설치: 접지봉을 올바르게 구동하는 방법

부적절한 설치는 접지 시스템 고장의 주요 원인입니다. 굽힘, 얕은 깊이, 불량한 클램프 연결이 가장 일반적인 오류입니다. 다음 프로세스는 NEC 요구 사항 및 업계 모범 사례를 반영합니다.

설치 위치 선택

접지 전극 도체의 길이를 최소화하고 임피던스를 줄이려면 전기 패널이나 서비스 입구에 가능한 한 가까운 위치(이상적으로는 20피트 이내)를 선택하십시오. 자갈이 촘촘하게 채워져 있는 곳, 콘크리트가 묻혀 있는 곳, 나무 뿌리가 큰 곳은 피하세요. 습기를 유지하는 토양(그늘진 지역, 빗물홈통 근처 또는 낮은 지역)은 지속적으로 낮은 저항 판독값을 나타냅니다. 다중 전극 시스템의 일부로 함께 접착되지 않는 한 다른 막대로부터 6피트 이내에 접지 막대를 설치하지 마십시오.

막대를 운전

1. 매설된 유틸리티를 식별하기 위해 막대를 굴착하거나 운전하기 최소 2일(영업일 기준) 전에 811(미국) 또는 지역 유틸리티 알림 서비스에 전화하세요.
2. 선택한 위치에 막대를 수직으로 배치합니다. 팁의 약간의 점(대부분의 막대는 미리 뾰족하게 되어 있음)이 침투를 돕습니다.
3. 일반적인 토양에서 최대 8피트 길이의 로드에는 접지 로드 구동 부착물이 있는 회전식 해머를 사용하고, 더 긴 로드와 단단한 토양에는 공압 또는 유압 드라이버를 사용하십시오. 부드러운 토양에서는 수동 큰 망치 운전이 가능하지만 속도가 느리고 로드 상단이 구부러지기 쉽습니다.
4. 상단이 경사면과 같은 높이 또는 바로 아래에 도달할 때까지 로드를 구동합니다. NEC는 막대를 지면과 접촉하는 최소 8피트 깊이까지 매설하도록 요구합니다. 전체 막대 길이는 지면보다 낮아야 합니다.
5. 로드가 최대 깊이에 도달하기 전에 장애물(암층)에 부딪히면 과도하게 구부리지 마십시오. 대신 NEC 250.53(G)에서 허용하는 경사 설치 또는 수평 매립 옵션을 사용하십시오.
6. 단면 로드를 사용하는 경우 첫 번째 단면이 지표면 아래로 사라지기 전에 첫 번째 커플링을 부착하고 다음 단면에 나사산을 끼운 후 계속 주행합니다.

접지 전극 도체 부착

접지봉과 접지 전극 도체(GEC) 사이의 연결은 시스템에서 가장 오류가 발생하기 쉬운 지점 중 하나입니다. NEC에서는 일반 파이프 클램프, 호스 클램프 또는 와이어 타이를 사용하지 않고 나열된 접지 클램프를 사용하여 연결해야 합니다. 나열된 접지봉 클램프는 직접 매설용 등급을 받아야 합니다. 연결 지점이 지면보다 낮을 경우.

GEC는 접지봉에서 주 서비스 패널까지 연속적(접합 없음)이어야 합니다. NEC당 최소 전선 크기는 서비스 입구 도체의 크기에 따라 결정됩니다. 일반적으로 최대 200A 서비스용 6번 AWG 구리 도체 , 200A 이상의 서비스에 대해서는 No. 4 AWG 이상입니다. 발열(cadweld) 연결은 영구 설치를 위한 기계식 클램프보다 선호됩니다. 왜냐하면 열 순환이나 부식으로 인해 시간이 지나도 느슨해지지 않는 분자 결합을 생성하기 때문입니다.

토양 유형 및 조건이지면 저항에 미치는 영향

옴미터(Ω·m) 단위로 측정되는 토양 저항률은 접지봉 성능에 영향을 미치는 가장 중요한 단일 환경 변수입니다. 서로 다른 토양에 설치된 두 개의 동일한 막대는 매우 다른 접지 저항 판독값을 생성할 수 있습니다.

지반 보강 재료(GEM)

토양 저항률이 표준 막대가 저항 목표를 충족하기에 너무 높으면 전도성 콘크리트 또는 지반 개선 화합물이라고도 하는 접지 강화 재료(GEM)를 막대 주위에 채워 더 크고 전도성이 높은 전극 영역을 만듭니다. GEM 제품은 일반적으로 막대 주위에 전도성 매트릭스를 제공하면서 수분을 흡수하고 유지하는 탄소 기반 또는 벤토나이트 점토 화합물로 구성됩니다. 연구에 따르면 GEM은 다음과 같이 접지 저항을 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다. 같은 토양의 맨손 막대와 비교하여 40~70% , GEM은 일반 되메움재처럼 건조되지 않기 때문에 설치 수명 동안 개선이 안정적으로 유지됩니다.

접지 저항 테스트: 방법 및 허용되는 값

시험하지 않고 접지봉을 설치하는 것은 수압을 확인하지 않고 스프링클러 시스템을 설치하는 것과 같습니다. 로드가 땅에 있을 수 있지만 필요할 때 작동할 것인지 확인할 수는 없습니다. 접지 저항 테스트는 초기 설치 시와 그 이후 정기적으로 수행해야 합니다. 중요 인프라의 경우 매년, 표준 상업용 설치의 경우 3~5년마다 수행해야 합니다.

전위차법(3점 검정)

이는 개별 접지봉을 테스트하는 데 가장 정확하고 널리 사용되는 방법입니다. 전용 접지 저항 테스터(메거 또는 전위차 테스터라고도 함), 테스트 리드 3개, 보조 테스트 스테이크 2개가 필요합니다. 절차:

1. 로드(또는 시스템의 주 본딩 점퍼)에서 접지 전극 도체를 분리하여 로드를 절연시킵니다.
2. 테스트 중인 접지봉에서 약 30m(100피트) 떨어진 곳에 전류 전극(C2) 스테이크를 구동합니다.
3. 접지봉과 전류 전극 사이 거리의 62%(봉에서 약 19m)에 전위 전극(P2) 스테이크를 구동합니다.
4. 테스터 리드를 세 전극 모두에 연결하고 테스트를 실행합니다. 장비는 알려진 AC 전류를 주입하고 결과적인 전압 강하를 측정하여 저항을 계산합니다.
5. 독서를 기록하십시오. 25Ω 이하의 결과는 NEC 표준을 충족합니다. ; 민감한 전자 및 통신 애플리케이션에는 5Ω 미만의 값이 필요합니다.

클램프 온 테스트 방법

여러 접지봉이 이미 함께 결합된 시스템의 경우 클램프 온(또는 스테이크 없는) 방법을 사용하면 시스템을 분리하지 않고도 테스트할 수 있습니다. 클램프형 접지 저항 테스터는 단일 로드의 접지 도체 주위에 고정됩니다. 이는 전압을 유도하고 결과적인 루프 저항을 측정합니다. 이 방법은 더 빠르고 방해가 적지만 개별 막대 저항이 아닌 결합 시스템의 모든 막대의 병렬 조합을 측정합니다. 초기 시운전 테스트보다는 지속적인 유지 관리 검증에 가장 적합합니다.

다중 접지봉: 하나로 충분하지 않은 경우

NEC에서는 단일 로드가 25옴 이상으로 테스트될 때 두 번째 접지 로드가 필요합니다. 그러나 많은 응용 분야에서 2로드 최소값은 시작점일 뿐입니다. 여러 개의 로드가 어떻게 병렬로 동작하는지 이해하면 효과적인 접지 시스템을 설계하는 데 도움이 됩니다.

두 개의 막대를 병렬로 연결하면 두 막대의 결합 저항은 두 막대 중 하나보다 낮지만 단순히 절반은 아닙니다. 저항 영역이 겹치기 때문에 막대를 더 가깝게 배치하면 이점이 줄어듭니다. 막대 사이의 최적 간격은 최소한 길이와 같습니다. — 따라서 8피트 로드의 경우 최소 8피트 간격을 권장합니다. 20피트 로드의 경우 20피트 간격입니다. 자체 길이보다 짧은 간격으로 떨어진 막대는 수익이 급격히 감소하는 것을 보여줍니다.

실제적인 예를 들면, 축축한 양토 토양에 있는 두 개의 8피트 구리 결합 막대는 개별적으로 15옴을 측정하고 8피트 간격으로 떨어져 있으며 일반적으로 토양 영향 구역이 겹치기 때문에 간단한 병렬 계산에서 알 수 있듯이 7.5옴이 아닌 약 9~10옴으로 결합됩니다. 15~20피트 간격으로 배치하면 결합된 값이 8옴에 더 가까워집니다.

데이터 센터(1~5옴), 방송 타워(1옴 이하) 또는 의료 시설과 같이 매우 낮은 저항이 필요한 설치의 경우 라인 또는 링 구성으로 배열된 4개, 6개 이상의 로드가 있는 접지 로드 어레이가 표준 방식입니다.

낙뢰 보호 시스템용 접지봉

접지봉은 낙뢰 보호 시스템(LPS)이 장착된 구조물에서 이중 기능을 수행합니다. 즉, 직접 낙뢰 전류에 대한 접지 종단점을 제공할 뿐만 아니라 전기 시스템에 대한 장비 접지 경로를 제공합니다. 이 두 기능에는 신중하게 조정해야 하는 서로 다른 요구 사항이 있습니다.

미국화재방지협회(National Fire Protection Association) 표준 NFPA 780과 국제 표준 IEC 62305 모두 낙뢰 보호 접지를 다루고 있습니다. 주요 요구 사항은 표준 전기 접지와 다릅니다.

• 다중 접지 전극 여러 개의 평행 경로를 통해 뇌격 전류를 대지로 분배하려면 구조물의 둘레에 간격을 두고 배치되어야 합니다.
• NFPA 780은 유형 I 구조의 경우 하향 도체당 최소 2개의 접지봉을 요구하며, 접지 저항 목표에 따라 로드 간격이 결정됩니다.
• 낙뢰 보호 접지와 전기 시스템 접지 사이의 본딩은 필수입니다. 파업 중 위험한 전위차를 방지하기 위해. 별도의 결합되지 않은 접지 시스템은 계단 및 접촉 전압 위험을 발생시킵니다.
• 링 접지 전극(구조물 주변에 매립되고 수직 접지봉에 결합된 연속 구리 도체)은 대형 구조물에 권장되며 통신 타워 및 변전소의 표준입니다.

번개 사건은 다음과 같은 피크 전류를 전달할 수 있습니다. 30,000~200,000암페어 마이크로초 단위. 접지 시스템은 전극-토양 경계면에 아크가 발생하지 않고 이러한 충격을 처리해야 합니다. 이는 시스템 크기가 작은 경우 토양이 부서지고 막대가 물리적으로 땅에서 튀어 나올 수 있는 현상입니다.

일반적인 접지봉 실수와 이를 방지하는 방법

숙련된 전기 기술자라도 피할 수 있는 설치 오류로 인해 발생하는 접지 시스템 오류에 직면하게 됩니다. 다음은 검사 및 테스트 중에 발견된 가장 자주 문서화된 문제입니다.

• 로드가 최대 깊이까지 구동되지 않음: 막대의 일부를 지면 위에 두거나 전체 8피트 매장 깊이에 도달하지 못하면 저항이 크게 증가합니다. 되메우기 전에 항상 전체 깊이를 확인하십시오.
• 목록에 없는 클램프 사용: 파이프 클램프, 호스 클램프 및 즉석 커넥터가 부식되고 느슨해집니다. 도체 크기 및 매설 조건에 맞는 등급의 UL 인증 접지 클램프만 사용해야 합니다.
• 접지 전극 도체 접합: NEC는 전극과 서비스 패널 사이의 GEC 접합을 금지합니다. 접합된 GEC는 결함 전류 성능을 저하시키는 고임피던스 지점을 생성합니다.
• 보호 장치가 없는 이종 금속 연결: 알루미늄 도체를 구리 막대에 직접 연결하면 갈바니 부식 셀이 생성됩니다. 나열된 바이메탈 커넥터를 사용하거나 동일한 금속 제품군으로 연결을 제한하십시오.
• 통과한 테스트가 영구적이라고 가정합니다. 토양 상태는 계절에 따라 변합니다. 봄에 18옴을 측정한 막대는 늦여름 가뭄에 25옴을 초과할 수 있습니다. 정기적인 재테스트를 예약하고 장기적인 안정성을 위해 수분 유지 GEM 백필 설치를 고려하십시오.
• 접지 시스템 간의 본딩 건너뛰기: 서로 결합되지 않은 다양한 시스템(전기, 낙뢰 보호, 통신)을 위한 다중 접지 전극은 장비를 파괴하고 감전 위험을 초래할 수 있는 차동 접지 전위를 생성합니다. 동일한 구조물의 모든 접지 시스템은 단일 지점에 결합되어야 합니다.

NEC 코드 요구 사항 요약

전기 공사업체, 검사관 및 엔지니어를 위해 다음 표에는 접지봉 전극에 적용되는 주요 NEC 250조 요구 사항이 요약되어 있습니다.