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쉴드 케이블 접지 한쪽 vs 양쪽, 신호별 선택 기준

요약
쉴드 케이블 접지는 케이블을 감싼 차폐층(실드)을 대지나 기준 전위에 연결해 외부 노이즈를 빼내는 배선 방법입니다.
실드를 어느 쪽에 몇 군데 접지하느냐에 따라 노이즈가 줄기도 하고 오히려 접지 루프가 생겨 측정값이 흔들리기도 합니다.
이 글은 한쪽 접지와 양쪽 접지의 차이, 접지 루프가 생기는 원리, 그리고 4-20mA·열전대·RS-485·이더넷 같은 신호 종류별 권장 방법을 정리합니다.
일반적으로 수백 kHz 이하의 저주파 아날로그 신호는 한쪽 접지, 고주파·고속 디지털 신호는 양쪽 접지가 기본이며 그 경계는 약 1MHz와 케이블 길이(파장의 1/20)로 판단합니다.

제어반에서 4-20mA 온도 값을 읽는데 특정 시간대에만 값이 0.5~1℃씩 튀는 현장이 있습니다. 배선을 다시 점검해 보면 센서 쪽 단자함과 제어반 양쪽에 실드가 모두 접지되어 있고 두 지점 사이에 대형 모터나 인버터가 돌고 있는 경우가 많습니다.

반대로 실드를 한쪽만 접지했는데 이더넷 통신이 자주 끊기는 현장도 있습니다. 실드 접지는 "한쪽이 정답"이라는 식의 규칙 하나로 끝나는 문제가 아니며 신호의 주파수와 케이블 길이, 양 끝 접지 사이의 전위차를 함께 보고 정합니다.

노이즈가 생기는 원인과 일반적인 대책은 산업용 센서 노이즈와 신호 안정성 이해 글에서 다뤘습니다. 이 글은 그중 실드를 어디에 접지할지 하나에 집중합니다.

1. 쉴드 케이블 접지란?

쉴드 케이블(Shielded Cable)은 신호선 바깥을 알루미늄 호일이나 구리 편조(브레이드)로 감싼 케이블입니다. 이 차폐층이 외부 전기장을 받아 내고 받아 낸 노이즈 전류를 접지로 흘려보내야 차폐 효과가 생깁니다.

실드가 어디에도 연결되지 않으면 차폐층이 떠 있는 도체가 되어 오히려 노이즈를 신호선에 옮기는 통로가 될 수 있습니다. 그래서 실드 케이블 접지에서는 접지를 하느냐보다 어느 쪽에, 몇 군데, 어떤 방식으로 연결하느냐가 실제 성능을 가릅니다.

구성 요소 역할
호일 실드 신호선을 빈틈없이 감싸 고주파 전기장 차폐에 유리합니다. 얇아서 직접 단자에 물리기 어렵습니다.
편조 실드 저항이 낮아 실드 전류를 흘려보내기 좋고 기계적으로 튼튼합니다.
드레인선(Drain Wire) 호일 실드에 닿아 있는 맨 구리선입니다. 호일 실드를 단자에 연결할 때 이 선을 씁니다.
접지 단자·접지 바 실드를 받아 대지 또는 계기용 접지에 연결하는 지점입니다.

2. 접지 루프(Ground Loop)는 왜 생길까?

2-1. 접지 루프의 원리

접지 루프는 두 곳 이상에서 접지된 도체가 닫힌 고리를 만들고 그 고리로 원하지 않는 전류가 흐르는 현상입니다. 공장 안의 접지는 어디서나 0V로 같지 않습니다. 대형 설비의 누설 전류나 고장 전류, 낙뢰, 인버터의 고주파 전류가 접지망을 흐르면 건물 A의 접지와 건물 B의 접지 사이에 전위차가 생깁니다.

실드를 양쪽에 접지하면 이 전위차가 실드 양 끝에 걸리고 실드와 접지망이 만든 고리로 전류가 흐릅니다. 실드 전류는 안쪽 신호선에 전압을 유도하고 공통 저항을 거쳐 신호 기준 전위까지 흔들어 측정값에 오차를 만듭니다. 전원 주파수(60Hz) 성분이 섞이면 값이 일정한 주기로 출렁이는 형태로 나타납니다.

2-2. 접지 루프 전류와 측정 오차 계산 예시

아래 숫자는 원리를 보여 주기 위해 가정한 값입니다. 두 접지 사이 전위차가 1V이고 실드와 접지 경로를 합한 고리 저항이 0.5Ω이라면 실드에는 1V ÷ 0.5Ω = 2A의 전류가 흐릅니다. 신호 전류가 수 mA인 계장 배선에서 2A는 매우 큰 값입니다.

이 실드 전류 때문에 0~100℃를 4-20mA로 보내는 신호에 0.2mA의 오차가 섞였다고 가정해 보겠습니다. 4-20mA의 측정 폭은 16mA이므로 오차는 0.2 ÷ 16 × 100℃ = 1.25℃가 됩니다. 같은 범위를 0-10V로 보내는 단일 종단 신호에서 기준 전위가 50mV 흔들리면 0.05 ÷ 10 × 100℃ = 0.5℃의 오차가 생깁니다.

열전대는 더 민감합니다. K 타입 열전대는 상온 부근에서 1℃당 약 41µV를 내기 때문에 노이즈 0.41mV만 섞여도 약 10℃에 해당하는 오차가 됩니다. 미세 전압 신호일수록 접지 루프를 먼저 의심하는 이유가 여기에 있습니다.

신호 (측정 범위 0~100℃ 가정) 섞인 오차 온도 환산 오차
4-20mA (폭 16mA) 0.2mA 1.25℃
0-10V (폭 10V) 50mV 0.5℃
K 타입 열전대 (약 41µV/℃) 0.41mV 약 10℃

3. 한쪽 접지와 양쪽 접지의 차이는?

한쪽 접지(Single-point Grounding)는 실드를 케이블 한쪽 끝에서만 접지하고 반대쪽 끝은 절연해 두는 방식입니다. 실드에 닫힌 고리가 없으니 접지 전위차가 있어도 저주파 루프 전류가 흐르지 않습니다. 대신 케이블이 길어지고 노이즈 주파수가 높아지면 접지되지 않은 끝이 안테나처럼 동작해 고주파 차폐 효과가 떨어집니다.

양쪽 접지(Multi-point Grounding)는 실드 양 끝을 모두 접지하는 방식입니다. 고주파 노이즈와 자기장 결합을 막는 데 유리해서 고속 통신 케이블은 대부분 이 방식을 씁니다. 다만 양 끝 접지 사이에 전위차가 있으면 접지 루프 전류가 흐르므로 두 지점을 굵은 등전위 본딩선으로 묶어 전위차를 줄여 두는 것이 전제 조건입니다.

구분 한쪽 접지 양쪽 접지
저주파 접지 루프 생기지 않음 접지 전위차가 있으면 생김
고주파 노이즈 차폐 케이블이 길면 약해짐 우수함
자기장 결합 차단 거의 없음 (꼬임선에 의존) 실드 전류가 반대 자기장을 만들어 일부 상쇄
주로 쓰는 신호 4-20mA, 0-10V, 열전대, RTD, 저속 RS-485 이더넷, 고속 필드버스, 인버터 모터 케이블
전제 조건 반대쪽 실드 끝을 확실히 절연 양 끝 접지의 등전위 본딩

4. 주파수와 케이블 길이로 어떻게 판단할까?

쉴드 케이블 접지 방식을 고를 때 많이 쓰는 기준은 두 가지입니다. 하나는 신호와 노이즈의 주파수로, 약 1MHz 아래는 한쪽 접지, 그 위는 양쪽 접지가 유리하다고 봅니다. 다른 하나는 케이블 길이로, 한쪽만 접지한 실드는 케이블 길이가 다루는 주파수 파장의 1/20을 넘으면 효율 좋은 안테나처럼 동작할 수 있습니다.

파장은 빛의 속도(약 3억 m/s)를 주파수로 나눠 구합니다. 1MHz라면 300,000,000 ÷ 1,000,000 = 300m이고, 그 1/20은 15m입니다. 즉 1MHz 성분이 문제 되는 환경에서 15m가 넘는 케이블을 한쪽만 접지하면 고주파 차폐가 제 역할을 하기 어렵습니다. 실제 케이블 안에서는 전파 속도가 빛보다 느려 이 길이가 조금 더 짧아집니다.

주파수 파장 (자유 공간) 파장의 1/20
100kHz 3,000m 150m
1MHz 300m 15m
10MHz 30m 1.5m
100MHz 3m 0.15m

표를 보면 4-20mA처럼 거의 직류에 가까운 신호는 수백 m 배선에서도 한쪽 접지로 충분하고 수십 MHz 성분을 가진 이더넷은 짧은 패치 케이블에서도 양쪽 접지가 필요하다는 점이 드러납니다. 다만 신호 자체가 저주파여도 옆에 인버터 같은 고주파 노이즈원이 있으면 판단 기준은 노이즈의 주파수가 됩니다.

5. 신호 종류별 권장 쉴드 접지 방법

한쪽 접지를 할 때는 어느 쪽 끝을 접지할지도 정해야 합니다. 원칙은 신호의 기준 전위(0V)가 있는 쪽에 실드를 접지하는 것이고, 신호원이 접지에서 떠 있으면(절연형) 수신 계기 쪽에 접지합니다. 현장 송신기는 대부분 절연되어 있어서 실무에서는 제어반·수신기 쪽 접지 바에 실드를 모으는 경우가 많습니다.

신호 종류 권장 방식 접지 위치와 주의점
4-20mA 전류 신호 한쪽 접지 보통 제어반(수신측) 계기용 접지 바. 송신기 쪽 실드는 잘라 절연
0-10V 전압 신호 한쪽 접지 수신측 접지. 기준 전위 흔들림에 약하므로 배선을 짧게
열전대·RTD 한쪽 접지 비접지형 센서는 계기 쪽. 측온 접점이 보호관에 붙은 접지형 열전대는 기준 전위가 센서 쪽에 있으므로 센서 쪽 한 점
RS-485 (Modbus RTU 등 저속) 한쪽 접지 (필요 시 반대쪽 RC 접지) 주로 마스터 쪽 한 점. 실드와 별도로 신호 기준선(GND/COM)을 연결
산업용 이더넷 (STP·FTP) 양쪽 접지 RJ45 금속 커넥터로 양 끝 기기 프레임에 연결. 건물 간 배선은 등전위 본딩 확인
인버터-모터 전력 케이블 양쪽 접지 고주파 누설 전류를 인버터로 되돌리는 경로. 360도 케이블 글랜드로 짧게 연결

4-20mA 결선 방식(2선식·3선식·4선식)에 따라 신호 기준이 어디에 있는지가 달라지므로 4-20mA 출력 회로 2선식·3선식·4선식 결선 방법 글과 함께 보면 접지 위치를 정하기 쉽습니다.

RS-485에서 자주 생기는 오해는 실드를 신호 기준선 대신 쓰는 것입니다. RS-485 수신기가 견디는 공통 모드 전압 범위는 -7V~+12V이므로 노드 사이 접지 전위차가 이 범위를 넘지 않도록 별도의 기준선을 연결하고, 실드는 차폐용으로만 한쪽에 접지합니다. 건물 사이처럼 전위차가 클 때는 절연기를 넣는 편이 확실하며, 자세한 내용은 RS485 리피터·절연기 필요한 경우와 설치 위치 글에 정리했습니다.

신호 종류 확인, 1MHz 기준 판단, 케이블 길이 파장 1/20 확인, 접지 방식 선택, 등전위 본딩 확인, 연속성·절연 측정과 기록의 6단계 절차

그림 1. 신호 주파수와 케이블 길이로 한쪽·하이브리드·양쪽 접지를 고르고 시공 뒤 측정해 기록합니다.

그림 1은 쉴드 케이블 접지 방식을 정하는 순서입니다. 먼저 신호 종류와 주파수를 확인하고 1MHz 아래의 저주파 신호면 한쪽 접지를 기본으로 둡니다. 이어서 케이블 길이가 노이즈 주파수 파장의 1/20을 넘는지 보고 넘거나 주변에 고주파 노이즈원이 있으면 한쪽 접지 + 반대쪽 커패시터(RC) 접지나 양쪽 접지를 검토합니다. 양쪽 접지를 고른 경우에는 양 끝 접지의 등전위 본딩을 확인하고 마지막으로 실드 연속성과 절연 상태를 측정해 기록합니다.

6. 하이브리드 접지(커패시터·RC 접지)란?

하이브리드 접지는 실드 한쪽 끝은 접지에 직접 연결하고 반대쪽 끝은 커패시터를 거쳐 접지하는 방식입니다. 커패시터는 저주파에서는 임피던스가 커서 끊어진 것처럼 보이고 고주파에서는 임피던스가 작아져 연결된 것처럼 동작합니다. 그래서 60Hz 접지 루프 전류는 막고 고주파 노이즈는 양쪽 접지처럼 빼낼 수 있습니다.

RS-485 같은 저속 통신에서는 커패시터에 저항을 함께 넣은 RC 회로를 반대쪽 끝에 두기도 합니다. 저항은 실드에 쌓이는 정전기를 천천히 빼내고 큰 루프 전류가 흐르지 않도록 제한하며, 커패시터는 고주파 성분을 접지로 보냅니다. 부품 값은 기기와 설치 환경에 따라 다르므로 통신 장비 제조사의 설치 지침을 따르는 것이 안전합니다. 신호 에지가 빠른 고속 통신에서는 커패시터 리드선의 인덕턴스 때문에 효과가 줄어들어 이 방법만으로는 부족할 수 있습니다.

7. 쉴드 접지 현장 시공과 점검은 어떻게 할까?

7-1. 시공할 때 지킬 것

  • 피그테일을 짧게 : 실드를 꼬아 길게 늘인 선(피그테일)은 고주파에서 인덕터처럼 동작합니다. 드레인선과 실드 연결선은 가능한 한 짧게 하고 양쪽 접지 케이블은 360도로 감싸 잡는 EMC 케이블 글랜드나 실드 클램프를 씁니다.
  • 중계 단자함에서 실드 이어주기 : 중간 단자함에서 케이블을 이을 때 실드끼리는 전용 단자로 이어 주되 단자함 금속 외함에는 닿지 않게 절연합니다. 여기서 외함에 닿으면 의도하지 않은 두 번째 접지점이 생깁니다.
  • 절연한 끝 처리 : 한쪽 접지에서 접지하지 않는 끝은 실드와 드레인선을 잘라 수축 튜브로 덮습니다. 늘어진 드레인선이 단자대나 외함에 닿는 일이 흔합니다.
  • 계기용 접지와 동력 접지 분리 : 실드는 제어반의 계기용 접지 바에 모으고 모터·히터의 동력 접지선과 같은 단자에 물리지 않습니다. 접지 바끼리는 한 점에서 주 접지에 연결합니다.
  • 실드 접지와 보호접지 구분 : 실드 접지는 노이즈 대책이고 감전 보호용 보호접지(PE)를 대신하지 않습니다. 기기 외함의 보호접지는 전기설비 규정대로 따로 시공합니다.

7-2. 점검과 기록

  1. 도면에 케이블마다 실드 접지 위치(센서 쪽·제어반 쪽·양쪽·RC)를 적습니다.
  2. 한쪽 접지 케이블은 접지 단자를 잠시 풀고 실드와 접지 사이 절연을 측정해 다른 접지점이 없는지 확인합니다.
  3. 양쪽 접지 케이블은 두 접지점 사이 전압을 교류·직류로 재서 전위차를 기록합니다.
  4. 측정값이 흔들리는 채널은 실드 접지를 한쪽씩 풀어 보며 값 변화를 비교합니다.
  5. 설비 증설이나 배선 변경 뒤에는 같은 항목을 다시 측정해 이전 기록과 견줘 봅니다.

낙뢰나 개폐 서지는 실드 접지만으로 막기 어렵습니다. 옥외 배선이나 건물 간 배선이라면 서지 보호기(SPD) 종류와 설치 위치를 함께 검토합니다.

8. 쉴드 접지 때문에 자주 생기는 문제와 해결

증상 흔한 원인 해결 방법
아날로그 값이 일정 주기로 출렁임 실드 양쪽 접지로 생긴 60Hz 접지 루프 센서 쪽 실드를 풀어 한쪽 접지로 바꾸고 값 비교
설비 가동 때만 값이 튐 동력 접지와 실드가 같은 단자에 물림 실드를 계기용 접지 바로 옮기고 동력선과 배선 경로 분리
RS-485 통신이 간헐적으로 끊김 신호 기준선 없이 실드만 연결, 노드 간 전위차 큼 별도 기준선 연결, 실드는 한쪽 접지, 필요하면 절연기 추가
이더넷 패킷 오류·링크 끊김 차폐 케이블인데 한쪽 커넥터만 접지되거나 플라스틱 커넥터 사용 금속 차폐 커넥터로 양 끝 접지, 장비 접지 확인
실드 선이 뜨거워지거나 변색 건물 간 큰 접지 전위차로 실드에 큰 전류 등전위 본딩선 추가 또는 광케이블·절연 통신으로 변경

9. 관련 산업용어

■ 접지 루프(Ground Loop)
두 곳 이상의 접지가 도체로 이어져 닫힌 고리를 이루고 접지 사이 전위차로 고리에 전류가 흐르는 현상입니다.

■ 등전위 본딩(Equipotential Bonding)
여러 접지점이나 금속 구조물을 굵은 도체로 이어 전위차를 줄이는 시공입니다. 양쪽 접지를 쓰기 위한 전제 조건입니다.

■ 드레인선(Drain Wire)
호일 실드 안쪽에 함께 들어 있는 맨 구리선으로 호일 실드를 단자에 연결할 때 씁니다.

■ 피그테일(Pigtail)
실드를 꼬아 한 가닥 선으로 뽑은 부분입니다. 길수록 고주파에서 인덕턴스가 커져 차폐 효과가 떨어집니다.

■ 공통 모드 전압(Common-mode Voltage)
두 신호선에 똑같이 실리는 전압으로, 접지 전위차가 대표적인 원인입니다. 차동 수신기가 견딜 수 있는 범위가 정해져 있습니다.

10. 자주 묻는 질문

Q. 4-20mA 쉴드선은 한쪽만 접지하나요, 양쪽 다 하나요?
한쪽만 접지하는 것이 일반적입니다. 4-20mA는 거의 직류 신호라 고주파 차폐보다 접지 루프를 막는 편이 이득이 크고 보통 제어반의 계기용 접지 바 쪽에 접지합니다.

Q. 쉴드선을 아예 접지하지 않으면 어떻게 되나요?
차폐 효과가 거의 없거나 오히려 나빠질 수 있습니다. 떠 있는 실드는 외부 전기장을 받은 뒤 빠져나갈 곳이 없어 그 노이즈를 안쪽 신호선에 옮길 수 있습니다.

Q. RS485 쉴드 접지는 어디에 하나요?
보통 마스터(제어기) 쪽 한 점에 접지합니다. 실드와 별도로 신호 기준선(GND)을 연결하고 노드 간 전위차가 크면 절연기를 씁니다.

Q. 이더넷 STP 케이블은 왜 양쪽 접지를 하나요?
이더넷 신호에 수십 MHz 성분이 있어 짧은 케이블도 파장의 1/20을 넘기 때문입니다. 이 주파수에서는 한쪽 접지 실드가 안테나처럼 동작할 수 있어 양 끝 커넥터로 접지합니다.

Q. 접지 루프인지 어떻게 확인하나요?
실드 접지를 한쪽씩 풀어 보고 값의 출렁임이 사라지는지 보면 가장 빨리 확인됩니다. 두 접지점 사이 교류 전압을 재서 전위차가 있는지도 함께 기록해 둡니다.

11. 마무리

쉴드 케이블 접지는 신호의 주파수와 케이블 길이, 양 끝 접지의 전위차로 정합니다. 4-20mA·0-10V·열전대·저속 RS-485 같은 저주파 신호는 신호 기준이 있는 쪽 한 점 접지가 기본이고, 이더넷과 인버터 케이블 같은 고주파 배선은 등전위 본딩을 갖춘 양쪽 접지가 기본입니다. 둘 사이에 걸치는 현장이라면 커패시터나 RC 회로를 쓰는 하이브리드 접지를 검토합니다. 어떤 방식을 고르든 도면에 접지 위치를 적고 중계 단자함에서 생기는 두 번째 접지점을 점검해야 처음 설계한 대로 유지됩니다.

참고 기준 : IEC TR 61000-5-2:1997 Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 5: Installation and mitigation guidelines – Section 2: Earthing and cabling, ANSI/TIA/EIA-485-A (RS-485), Henry W. Ott 「Electromagnetic Compatibility Engineering」(2009)

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