노이즈 장해를 위한 접지설비 - 네트워크,PC 등 접지

노이즈 장해를 위한 접지설비 - 네트워크,PC 등 접지

 

 

1. 접지기술의 현황

컴퓨터의 발달과 함께 정보화 사회로 급격히 이행됨에 따라 접지기술에 관한 관심이 고조되고 있다. 최근의 접지기술에 관한 동향을 보면 종전에 비해 키워드가 상당히 변하고 있음을 알 수 있다. 즉, 접지라고 하면 종전의 경우 접지저항이라는 용어를 연상하였으나 최근에는 기준접지, 등전위 접지, GPR, EMI, EMC 등의 용어가 많이 등장하고 있다. 또, 전기기술자들이 만나는 곳이면 항상 접지기술에 관해 논쟁과 토론이 벌어지고 있는 현상은 접지와 관련된 사고가 많이 발생하고 있다는 것을 반증하는 것이다.

“기술적으로 완벽한 접지”를 시행하는 것을 흔히 聖杯를 찾는 것에 비유된다. 그 만큼 어렵다는 것이다. 즉, 불확실한 대지로 유입되는 고장전류가 어떠한 경로를 통하여 방류되며 이때의 영향을 어떻게 최소화할 것인가에 대해 정확한 예측과 대처방안을 찾는 것은 쉬운 일이 아니다.

접지시스템을 구축하는 데는 크게 두 가지 목적이 있다. 그 첫째는 전력계통의 고장전류가 대지로 방류될 수 있도록 전기적 경로를 마련하여 전기설비에 발생하는 접촉전압과 보폭전압을 안전범위 내로 유지될 수 있도록 하는데 있다. 두 번째 목적은 전기계통과 민감한 전자계통이 상호 접속되어 있을 때 이들 계통 사이에 등전위를 유지하여 장해를 최소화하는데 있다. 산업현장에서 우리는 전자를 이른바 강전용 접지 혹은 보안용 접지라고 부르며 인체의 감전 보호에 중점을 두는 접지이고, 후자를 기능용 접지 또는 약전용 접지라고 부른다.

이와 같은 목적에 따라 접지설계는 크게 변전소나 산업용 플랜트 등에서 실시하는 대규모 접지계통을 위한 설계와 건축물 등을 위한 접지설계로 대별할 수 있다. 또, 목적에 따라 세분하면, 계통접지, 기기접지, 피뢰접지, 정전기 장해 방지용 접지, 지락검출용 접지, 등전위 접지, 노이즈 방지 접지 등으로 구분할 수 있다. 그러나, 목적에 따라 이들 접지가 별개로 설치되는 것이 아니고, 이를 하나의 시스템으로 파악하여 유기적인 기능을 발휘하도록 하는 것이 접지기술이다.

접지에 관한 설계기준은 나라마다 약간의 차이를 보이고 있으나, 근본적으로는 인체에 대한 감전위험을 피하고 설비간의 안정적인 가동이라는 측면에서 차이는 없다. 우리 나라의 경우 전기설비기술기준에서 접지공사의 종류에 따른 접지저항의 기준만 제시하고 있는데, 지금까지 접지를 논할 때 우리는 주파수의 함수인 임피던스를 무시하고 오로지 접지저항만이 중요한 것으로 생각해 온 것이 통념이다. 다시 말하면, 변전소 접지설계의 경우 접지저항 1Ω 이하를 유지하도록 설계하는 것이 중요하다고 생각한다. 그러나, 왜 1Ω 이하이어야 하는데 대해서는 설명을 하지 못한다. 그러나, 오늘날 접지설계의 최종목표를 접지저항으로 파악하는 것이 아니라 접촉전압과 보폭전압, GPR(Ground Potential Rise; 접지전위상승)으로 제시하고 있기 때문에 현장 기술자들은 개념상 혼란을 느끼고 있는 실정이다.

이와 함께 정보화 사회로의 이행과 더불어 전자‧통신기기가 전력계통에 광범위하게 설치되면서 기존의 접지방식으로는 이들에 미치는 오동작 등을 해결할 수 없는 문제가 있다. 이와 관련하여 최근에 발표되고 있는 접지관련 논문이나 국제규격 등을 보면 종전에 비해 키워드가 상당히 변하고 있음을 알 수 있다. 즉, 접지라고 하면 종전의 경우 접지저항이라는 용어를 연상하였으나 최근에는 기준접지, 등전위 접지, GPR, EMI, EMC 등의 용어가 많이 등장하고 있다. 그러나, 국내의 현실은 지금까지 접지설계와 시공을 시행착오적으로 하고 있는 듯하다. 전기기술자들은 설비기기의 접지를 독립적으로 시공하고 있으며, 전자‧통신분야 기술자들은 그들 나름대로 전력계통의 접지와 약전용 접지를 상호 분리하여 독립적으로 시공할 것을 요구하고 있다. 그러나, 이러한 문제는 일률적으로 논하기 어려우며 전체를 시스템적으로 파악하여 양자간에 접지효과를 최적으로 발휘할 수 있게 하여야 한다.

여기서는 접지기술을 분류하여 그 전체적인 흐름을 가늠하고, 최근에 IEC를 중심으로 논의되고 있는 EMC(전자적합성), EMI(전자장해) 등에 대응하는 접지문제를 중심으로 기술하고 개정 중에 있는 IEEE Std. 80-1996의 주요 개정내용을 소개하고자 한다.

 

 

2. 접지기술의 분류

반응형

접지기술을 크게 분류하면 <표01>과 같이 접지설계와 접지관리로 나눌 수 있다. 접지설계란 접지전류와 접지전극의 설계를 말하며, 접지관리란 전극의 부식문제, 접지저항(엄밀하게 말하면 접지임피던스) 측정 등을 말한다.

 

<표01. 접지기술의 분류 >

 

 

3. 전자장해

전자장비가 보급되기 전에 사용되던 전력기기에서 노이즈의 문제는 거의 존재하지 않았다. 그러나, 전자장비에 제어신호가 많이 이용되면서 노이즈의 문제가 대두되게 되었다.

전류가 흐르면 자계가 발생하고 전압이 있는 곳에는 전계가 발생하는 것이 전자계 현상이다. 자계와 전계의 시간적 변화에 의한 발생량이 노이즈의 기본 원인이다. 여기서는 건축물의 공간을 대상으로 하여 “방사되는 노이즈”와 “傳導되는 노이즈”에 대해 설명하고자 한다. <Fig01>은 노이즈 장해의 개념에 대한 설명이다.

< Fig01. 노이즈 장해 개념도 >

 

< Fig02. 노이즈 전파경로 >

 

<Fig02>에서 보는 바와 같이 노이즈 발생원과 장해를 받는 설비기기 사이에는 노이즈의 전파경로가 존재한다. 건축물의 경우 여기에는 전력선, 통신선 등의 이른바 금속도체가 설치되고 건물내의 설비기기에는 접지가 되어 있다. 이와 같은 상황에서 노이즈의 전파는 전력선, 통신선, 접지계통으로부터의 전도, 전력선에 의한 용량결합, 전자결합, 지상공간과 건물내 공간으로부터 방사되는 형태가 있다. 노이즈는 이들로부터 전파가 되며, 전파되는 도중에 복잡한 양상으로 결합되는 것이 일반적이다. 노이즈 장해에 대한 사례는 병원에 설치된 CT촬영장치 등 진단용 장비가 노이즈로 인하여 오동작 되거나 작동이 정지되는 사례, 산업현장에서 사용되는 자동화설비가 오동작 되는 사례 등이 대표적이다. 노이즈의 침입경로를 보면, 전원, 입출력, 접지선과 연결되어 전도되는 경우, 전자유도, 정전유도에 의한 경우가 대부분이다. 노이즈에 대한 대책을 보면, 발생원과 노이즈를 받는 측의 회로에 필터 삽입, 배선의 변경, 차폐(실드), 적절한 접지를 시행하는 것으로 요약할 수 있다.

 

 

4. EMC(Electro-Magnetic Compatibility; 전자환경 적합성, 전자환경 양립성)

EMC는 “전기ㆍ전자ㆍ통신기기 또는 이들 기기로 구성된 시스템이 설치된 장소에서 가동중일 때 전자적인 주위환경에 영향을 주거나 받지 않고 오동작을 일으키지 않으며 설계된 대로 동작할 수 있는 능력”을 말한다. 다시 말하면, 기기나 시스템이 노이즈의 영향을 받지 않는 환경에서 정상적으로 작동하는 것을 의미한다.

EMC는 EMI(Electro-Magnetic Interference)와 EMS(Electro-Magnetic Suscepti-

bility)로 나눌 수 있다. EMS는 EMI(Electro-Magnetic Immunity; 전자 耐性)과 동일한 의미이다. 여기서는 이와 관련된 접지문제에 대해서만 언급하고자 한다.

 

 

5. 노이즈 장해를 위한 접지

노이즈 장해를 방지하기 위해서는 써지 흡수장치, 필터 절연변압기 (Filter Isolation Trans.)를 사용하는 것이 구체적인 대책이지만 기본적으로는 접지를 통한 대책이 근본적이다.

양질의 접지를 확보하기 위해서는 특히 노이즈 장해에 관련된 문제인 경우는 접지선 및 접지전극의 임피던스를 고려할 필요가 있다. 이 문제는 접지 시스템 및 접지전극의 관점에서 검토되어야 할 것이나 노이즈 장해를 방지하는 기본적 대책으로는 접지계통이 낮은 임피던스이어야 하는 것이 포인트이다.

< Fig03. PC의 노이즈 대책 >

 

< Fig04. CPDC의 구성 >

 

급격한 보급을 보이고 있는 퍼스널컴퓨터는 대형컴퓨터에 비해 전원 및 주변장치의 설치조건을 쉽게 생각하는 경향이 있다. PC를 단말기기로서 사용할 경우 빌딩 한 층에서도 수십 대의 기기를 설치하게 된다. 이러한 퍼스널컴퓨터 본체는 빌딩의 철골, 철근부분 사이에는 정전용량을 갖게 되는데 이것이 노이즈 장해의 원인이 된다. 또 빌딩이 뇌격을 받거나 써지가 배전선에 침입하여 PC의 전원에 지장을 줄 경우가 있다. PC라도 양질의 전원을 확보할 필요가 있고 다음과 같은 대책이 있다.

<Fig03>과 같이 PC에 CPDC(Computer Power and Data Circuit)라는 인터페이스를 설치하여 PC 본체에 전원 및 신호를 공급한다. CPDC에는 TSP(Transient Suppression Plate)라는 노이즈를 억제하기 위한 판(Plate)을 설치한다. 또한 CPDC는 <Fig04>와 같이 절연 변압기나 필터로 구성되는 인터페이스이며, 이 회로에서는 <Fig05>에서 나타낸 개념을 도입한 ZSRG(Zero Signal Reference Grid)를 설치하고 인공적인 기준접지로 하고 있다.2.5 기준전위 확보를 위한 접지

빌딩에 있어서 특히 컴퓨터의 접지에는 충분히 유의할 필요가 있다. 컴퓨터 접지로서 컴퓨터 전원설비의 접지는 본래부터 컴퓨터와의 정상적인 동작을 확보하기 위해, 기기 접지, 라인필터용 접지, 신호용 접지 등의 독특한 접지가 시행되고 있다. 사용되는 주파수도 고주파이므로, 접지시스템도 접지 임피던스로 고려하지 않으면 안된다. 이에 덧붙여, 고층빌딩 등에서 각 층마다 컴퓨터 등의 OA기기를 설치하고 있는 경우 이러한 것들의 접지선 부설형태의 문제도 있다. 여기서 생각할 수 있는 것이 ZSRG(Zero Signal Reference Grid)를 사용하는 접지시스템으로, 전위의 안정된 기준점을 설정하는 기준접지의 개념을 적용한 것이다(그림 2.5). 모든 접지를 접지 기준점에 본딩(bonding)하는 것이 이 시스템의 핵심이다. 다시 말하면 빌딩의 각층 바닥에 기준접지극을 설치하여 빌딩자체를 전기적 케이지로 간주하는 것으로, 철근이나 철골의 접속부가 완전하여 고주파 영역에서도 저임피던스인 경우에는 이에 본딩해서 접지선으로서 대용한다. 이외의 경우에는 각 계단 바닥의 접지선을 전용선으로 각각 대지에 시공한 접지전극에 시설하는 방법을 생각할 수 있다.

 

전자ㆍ통신기기를 정상적으로 작동시키기 위해서는 전위의 변동을 가능한 작게 할 필요가 있다. 이 대책으로서 각층에 설치되어 있는 모든 관련 기기의 접지를 바닥에 설치되어 있는 기준접지극에 연결하는 즉 전위의 기준점을 설정하는 것이다. <Fig06>에서 보는 바와 같이 컴퓨터 관련 기기의 기기접지 및 신호용 접지를 전용 접지선으로 시공하는 것은 물론 그 위에 메시접지극에 모두 본딩 하는 것이다. 기준접지를 적용하면 접지 임피던스가 <Fig07> 에서와 같이 낮아질 수 있고 컴퓨터 접지에 있어서는 상당히 효과적인 수단이 된다. 여기에서 유의해야 할 것은 컴퓨터 관련기기와 기준접지극을 연결하는 접지선은 가능한 짧게 하고 <Fig07>에서와 같이 접지는 일점에 하여야 한다. 기준접지극으로는 바닥에 시공하는 동메시나 전기적 양도체인 패널 타일(panel tile) 등이 사용된다. 일반 빌딩의 각층 바닥에 기준접지극을 간이로 설치하려면 상술한 동메시 등 대신에 동선을 十字로 시설하고 이에 각 설비기기의 접지선을 일점에 모아서 연결하는 것도 생각할 수 있다.

미국에서는 이런 형태의 기준접지를 ZSRG 이라고 부르고 있으며, IEC-TC-81 (국제전기표준협회-뇌보호기술위원회), CCITT(국제전신전화자문위원회)에서는 하이브리드(hybrid)접지)라고 한다.

< Fig05. 빌딩에서의 접지시스템 예 >

 

< Fig06. 대형 컴퓨터실의 접지시스템 >

 

< Fig07. 기준접지에 의한 접지임피던스 감소효과 >