2.1 접지저항 측정 시험장 설계 및 구축

접지저항 측정 시험장은 그림 1과 같이 나동선 70 [㎟]를 가로 10 [m], 세로 10 [m], 내부 2.5 [m] 간격의 격자무늬로 총길이 100 [m]를 깊이 1 [m]에 시공하고, 모서리와 교차점에 길이 1.5 [m]의 동봉을 시공하는 방법으로 설계하였다.

접지저항 측정방법은 보조극을 일직선으로 배치하여 측정하는 방법(전위강하법)을 적용하였으며, 보조극은 동일한 조건으로 실험을 진행하기 위하여 전류보조극을 100 [m] 지점에 매립하고 전압보조극을 51.8 [m], 61.8 [m], 71.8 [m] 지점에 각각 매립하였으며, 보조극 전선의 굵기는 6 [㎟], 보조극 동봉의 길이는 1 [m]로 시공하였다.

접지저항 측정 시험장은 접지측정값에 미치는 환경적 변화 요인과 장비를 통한 정확한 측정이 가능하도록 구현해야 한다. 따라서 전위강화법을 현장에 적용하는데 있어서 동일한 측정환경을 조성하기 위하여 전류보조극을 100 [m]지점에 매립하고, 전위보조극을 51.8[\%], 61.8[\%], 71.8[\%] 지점에 각각 매설하였다. 측정의 동일성 확보를 위하여 그림 2와 같은 자립형 접지저항 측정 시험 단자함을 만들고 그 내부에 거리별 단자대를 고정하여 측정하였다.

2.2 대지저항률 측정 시험장 설계 및 구축

대지저항률 시험장 구축은 동일한 조건에서의 반복 측정을 위하여 접지저항 측정 방식과 동일하게 매립하는 방식을 적용하였다. 먼저 보조극을 일자로 배열하고 측정 탐침감의 간격을 표 1과 같이 1 [m], 2 [m], 4 [m], 8 [m], 16 [m] 간격으로 이격하고 매립하였다. 5회 측정 후 평균값을 적용하였으며, 접지저항 측정과의 상관관계를 증명하기 위해 동일한 시간 또는 동일한 환경에서 측정을 수행하였다. 보조극에 이르는 전선의 굵기는 6 [㎟]이며 보조극 길이는 1 [m] 동봉으로 시공하였다.

시공 초기에는 그림 3과 같이 외부로 노출로 시공하였으나, 외부 환경의 영향을 고려하여 매설방식으로 변경하였다. 매설방식은 표 2에서의 측정 탐침간의 간격 및 측정거리를 인용하여 설치하였으며, 그림 4, 그림 5와 같이 측정거리 0 [m], 1 [m], 2 [m], 3 [m], 4 [m], 6 [m], 8 [m], 12 [m], 16 [m], 24 [m], 32 [m], 48 [m] 등 12개 지점에 각각 보조극을 매설하였다. 측정의 동일성 확보를 위하여 그림 6과 같은 자립형 대지저항률 측정 시험 단자함을 만들고, 그 내부에 거리별 단자대로 고정하여 측정하였다.

시공 후 IEEE 80에 따른 계산방법 그리고 접지프로그램(CDEGS)을 활용하여 시뮬레이션을 한 결과 실제 현장 측정은 그림 8과 같이 11.6[Ω]으로 측정되었고, 프로그램(CDEGS) 시뮬레이션 결과는 그림 7과 같이 11.045[Ω]로 나타났으며, IEEE 80에 따른 계산값은 11.4[Ω]으로 모든 수치가 전위강하법 오차범위 ±5\% 이하로 양호한 설계 및 시공이 이루어졌음을 확인하였다. 접지 시험장이 시공된 장소의 토양은 매립층으로, 대부분 점토와 토사, 풍화잔류토 등으로 구성되어 있고 하부에 모래질이 혼재한 점토가 분포하고 있다.

3.1 월별 접지저항 측정 결과

구축된 접지저항 측정 테스트베드를 대상으로 표 2와 같이 3월부터 이듬해 2월까지 접지저항을 측정하였다. 측정은 각 월별로 여건에 따라 각 4~5회 수행하였으며, 측정 당시의 온도 및 습도를 기록하였다.

표 3의 월별 접지저항을 분석해 보면, 1월 최대 18.2 [Ω], 7월 최소 13.4 [Ω]으로 7월 기준 35.8 [\%] 상승함을 알 수 있다. IEEE 81(2012) 전위강하법에서 제시하는 오차율이 ±5 [\%]인 점에서, 35.8 [\%]의 상승은 매우 큰 오차이며, 월별 접지저항 표준편차가 크게 나타나는 원인을 분석한 결과 온도와 습도가 큰 영향을 미치고 있음을 확인하였다. 표 3의 월별 접지저항 측정값의 최대값, 최소값, 평균값을 그래프로 구현하여 그림 9로 표현하였다.

3.2 대지저항률 측정 및 결과 분석

월별 대지저항률은 환경적인 요소(날씨, 습도 등)를 고려하면서 접지저항 측정시와 동일한 조건을 유지하기 위해 매주 측정하였으며, 1년간 52회 측정한 결과를 종합하여 표 4에 나타내었다.

표 4의 월별 대지저항률의 평균값을 분석해 보면, 2월 최대 311.50 [Ω·m], 7월 최소 220.01 [Ω·m]으로 7월 기준 41.68\% 상승함을 알 수 있고, 접지저항의 평균값 패턴과 유사함을 보여준다. 월별 대지저항률 표준편차가 크게 나타나는 원인을 분석한 결과 마찬가지로 온도와 습도가 큰 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있었다.

그림 10에는 월별 대지저항률 측정값의 최대값, 최소값, 평균값을 그래프로 구현하였다. 그림 10에서 볼 수 있듯 V자형 패턴이 나타남을 알 수 있으며, 접지저항 측정 결과 분석값과 유사한 패턴이 구현되었다.

3.3 접지저항 및 대지저항률 측정시 온·습도 분석

월별 온도측정은 동일한 조건을 유지하기 위해 접지저항과 대지저항률 측정 당일 같은 장소 같은 시간에 측정하였으며 환경적인 요소(날씨, 습도 등)를 고려하여 일정한 간격으로(매주) 측정하였다. 마찬가지로 1년간 총 52회 측정을 수행하였으며, 그 결과를 표 5에 나타내었다.

표 5의 월별 온도의 평균값을 분석해 보면, 8월 최대 32.78 [℃], 2월 최소 6.55 [℃]로 2월 기준 26.22 [℃] 상승함을 알 수 있다. 그리고 4월과 11, 12, 1월 온도의 최대값과 최소값의 편차가 큰 이유는 계절의 영향이 많이 작용함을 알 수 있다.

이러한 월별 온도 변화는 그림 11의 최대값, 최소값, 평균값 그래프에서 볼 수 있듯 역 V자형 패턴이 나타내고 있다.

월별 습도측정은 동일한 조건을 유지하기 위해 접지저항과 대지저항률 측정 당일 같은 장소 같은 시간에 측정하였다. 표 6의 월별 습도의 평균값을 분석해 보면, 7월 최대 58.52 [\%], 3월 최소 20.275 [\%] 로 3월 기준 38.245 [\%] 상승함을 알 수 있다. 그리고 7, 8, 9월과 1, 2월 습도의 최대값과 최소값의 편차가 큰 이유는 계절의 영향이 많이 작용하는 것으로 판단된다.

이러한 월별 습도 변화는 그림 12의 최대값, 최소값, 평균값 그래프에서 보는 바와 같이 역 V자형 패턴이 나타내고 있다.

3.4 접지저항과 대지저항률 상관관계 분석

그림 13에서 보는 바와 같이 접지저항과 대지저항률은 V형으로 유사한 패턴을 형성하고 온도와 습도는 역 V형으로 유사한 패턴을 형성하고 있음을 알 수 있다. 월별 대지저항률과 접지저항 표준편차가 크게 나타나는 원인에는 온도와 습도가 큰 영향을 미치고 있음을 알 수 있다.

현재 보조극을 일직선으로 배치하여 측정하는 전위강하법은 측정오차율을 ±5 [\%]로 적용하여 적정성 여부를 판단하고 있다. 동월에 측정한 접지저항 값은 최고값과 최저값이 평균값의 ±5 [\%] 이내에 들어와 적정한 오차범위 내 수치임을 확인하였으나, 연간 접지저항값은 월별 최소값 대비 최대값이 35.8 [\%]나 상승하였다. 이러한 차이는 대지저항률 증가와 온도, 습도 등 복합적인 요인이 작용한 것으로 나타났다. 대지저항률의 경우도 마찬가지로 월별 최소값 대비 최대값이 41.7 [\%] 정도 상승하였으며, 이는 측정오차율 ±5 [\%]를 초과하고 있어 측정된 접지저항값의 신뢰성에도 큰 영향을 미친다. 이러한 결과는 설계 시점과 측정 시점을 동일선상에 놓고 적정성 여부를 판단할 시 큰 오류가 발생할 수 있음을 의미하며, 따라서 상기 측정된 값을 기준으로 변화율을 적용하고 적정성 여부를 판단해야 한다.