매설된 접지전극의 접지저항은 접지전극의 형성, 재료, 크기, 접지 전극이 매설된 대지를 구성하는 토양의 형태, 조건, 대지 구조 등에 따라 변화하고, 특히 대지 저 항율의 크기에 지배적인 영향을 받는다. 접지전극을 매설하는 부근의 토양 저항률 (soil resistivity)과 대지저항률(earth resistivity)이 접지효과를 크게 좌우하게 된다.
따라서 접지전극의 설계 및 시공에 있어 접지전극의 매설지점 대지 저항률과 지층 의 구조를 정확하게 알아내는 것은 굉장히 중요하다. 접지전극을 매설한 장소의 대 지 저항률은 토질 또는 토양 내 함유된 염분, 화학물질, 수분 함유량, 토양 온도 등 에 따라서 크게 변화하므로 이들의 특성에 따라 접지저항은 변동한다. 따라서 대지 저항률을 결정하는 것은 주변의 환경과 토질, 지층구조를 잘 이해해야만 가능하기 때문에 간단한 일은 아니다.
적합한 접지전극을 설계하려면 기본적으로 전류 분포를 이해 해야 한다. 대지의 전류 분포는 전류의 주파수와 관련이 있다. 상이한 주파수의 전류 하에서의 대응하 는 관통 깊이는 상이 할 것이다. 또한 전류 분포는 대지의 전기적 특성, 즉 토양의 전기적 특성에 의해 결정되며, 토양의 전기적 특성을 특징짓는 주된 매개 변수는 저항률, 유전 상수 및 자기 도전성을 포함한다.
1. 대지저항률
대지(토양)의 저항률은 토양의 종류, 수분 함량, 온도, 토양의 물에 녹아있는 염 분의 함량, 토양의 입자 크기와 분포, 장력, 인가된 전기장 등에 의해 광범위하게 변화한다. 토양의 저항률은 수십 Ω·m에서 5000 Ω·m이상의 범위로서, 화강암과 현 무암의 변성암, 그리고 수 kΩ·m에서 수십 kΩ·m사이의 저항률을 지닌 석회암 및 사암의 퇴적암을 포함하여 낮은 다공성 물질로 저항률이 높다.
토양의 주성분은 규산과 산화알루미늄이므로 완전한 건조 상태에서는 전기가 흐 르지 않는 절연체이다. 하지만 자연계의 토양이 완전한 건조 상태는 아니기 때문에 어느 정도의 도전성을 가지게 되며, 토양에 수분이 함유되어 있으면 저항률이 급격
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-히 낮아져 전기가 잘 흐를 수 있게 된다. 즉, 금속에 비해 도전율이 매우 작은 반 도체로도 볼 수 있고, 그 대표적인 물질들의 저항률은 그림 18에 나타내었다.
Figure 18. Resistivity of materials
대지 저항률은 항상 일정 값을 나타내는 것은 아니고 기후나 온도, 습도나 주위 환경조건에 따라서도 변화한다. 대지 저항률 변화에 영향을 미치는 요인들로는 토 양종류, 토양에 용해된 화학물질의 종류와 농도, 수분 함유량, 온도, 토양을 구성하 는 입자크기와 분포, 대지 표면으로부터의 깊이와 관련한 압력과 조밀도 등이 있 다. 대지 저항률은 토양에 함유된 전해질의 저항률에 따라 영향을 미친다고 볼 수 있고, 지표수(surface water)는 대지 저항률에 크게 영향을 미치지 않는다. 토양은 대체로 고체, 액체, 기체 구성 요소가 있는 매우 복잡한 시스템 구조다. 토양의 매 개변수는 온도, 습도, 주파수 및 토양 입자크기와 같은 토양 특성에 따라 다르다.
토양에서 저항률에 대한 주파수의 영향은 다음과 같다.
1) 토양의 저항률은 주파수가 증가함에 따라 감소한다. 특히 건조한 토양의 경우 더욱 그렇다.
2) 토양 수분 함량의 감소와 더불어 토양 내성에 대한 주파수의 영향이 강해진 다. 건조한 토양의 경우, 이 영향은 매우 분명하다. 그러나 습도가 10 % 인 토
양의 경우 영향력이 약하다. 1 Hz에서 1 MHz까지의 주파수 범위에서 토양 저항률은 거의 변하지 않는다.
3) 온도는 습도가 낮은 토양의 저항에 약한 영향을 미치지만, 습도가 높아질수록 이러한 영향이 커진다. 습도가 10%에 이르면 그 영향은 매우 강하게 나타난 다.
2. 대지의 유전율
높은 저항률 영역에서는 토양에서 변위 전류의 영향이 고려되어야 한다. 변위 전 류는 토양의 유전율과 직접 관련이 있다. 따라서 유전율의 영향은 고 저항 영역에 서의 접지 설계에서 고려되어야 한다.
알려진 바와 같이 진공 상태에서 주어진 점전하 에 의해 생성된 전계 강도는 주변 공간에서 다음과 같다.
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여기서, × F/m은 진공에서 유전율이며, 은 한 점과 점전하 사 이의 거리이다.
이 점전하가 상대 유전율 을 갖는 전해질에 놓여 있으면 동일한 거리 을 갖 는 한 점에서 점전하에 의해 생성되는 전계 강도는 다음과 같다.
(80)
그러므로 상대 유전율 을 갖는 전해질 내의 점전하에 의해 생성된 전계 강도는 진공에서의 전계 강도와는 반대로 감소된다. 이는 점전하 가 반대 전하를 가진 결합된 전하층으로 둘러싸이기 때문이다. 이 효과는 일반적으로 분극된 전하(결합 된 전하)에 의한 에 대한 특정 차폐 효과에 기인한다.
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-실제로 토양의 유전율은 일정하지는 않지만 토양 성분, 습도, 압력 및 온도뿐만 아니라 측정 중에 적용되는 전류의 빈도에 따라 달라진다.
토양에서 유전율에 대한 주파수의 영향은 다음과 같다.
1) 토양의 유전율은 빈도가 증가함에 따라 감소한다.
2) 토양 수분 함량의 증가와 더불어 토양 유전율에 대한 주파수의 영향이 증가한 다.
3) 온도가 높은 토양의 유전율은 더 작다. 습한 토양의 유전율에 대한 온도의 영 향은 건조한 토양의 유전율보다 훨씬 분명하다.
4) 건조한 토양의 유전율은 습도가 높은 토양의 유전율보다 작다.
Ⅲ. 접지전극의 접지저항 보정계수
일반적으로 현장에서 설치되는 접지전극의 접지저항을 계산하는 식은 접지전극 의 형태별로 잘 알려져 있다. 그러나 이러한 접지전극의 저항 계산식들은 접지전극 의 변형이나 대지 저항률의 변동에 따른 정확한 접지저항 값을 계산하는 관점에서 는 매우 미흡한 것이 현실이다. 일부 접지전극 재료별로 접지저항 계산식들은 제안 되어 있으나, 접지저항의 중요한 변수인 대지 저항률의 변화에 따라 다른 보정계수 를 적용해야 함에도 불구하고 대지 저항률의 변화와 상관없이 일정한 값을 적용하 도록 제시되고 있어서 현장에서 실질적으로 적용할 때의 어려움이 있다.
따라서 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하고자 현장시험에서 직접 여러 종 류의 접지전극을 설치하여 측정을 통한 대지 저항률의 변동에 따라 접지저항의 계 산을 위한 보정계수를 다르게 적용할 수 있도록 대지 저항률이 변수인 보정계수의 계산식을 제안하였다. 특히 접지전극별 접지저항의 경년변화 특성을 시험하기 위하 여 설치된 접지전극에 대하여 주기적으로 접지저항과 대지 저항률의 변화를 같이 측정하고 그 결과를 분석하였다.
이러한 목적을 위하여 여러 장소에서 접지 전극에 대한 시험을 하여야 하지만 여건상 불가능한 일이므로 본 논문에서 접지전극의 계절적인 변화에 대하여 주기 적으로 접지저항과 대지 저항률을 측정한 결과를 이용하였다.