● 接地 抵抗 低減濟에 대하여*1

(Regarding the Study of Earth - Resistance Lowering

Agents)                    - 高橋 健彦(千葉大學 工學部)

1. 序論

최근 高度 情報化 사회로의 進展에 따라 OA, BA, FA의  기능을 갖는 빌딩이 각지에서 건설되고 있다. 이와같은 빌딩에 대해서 接地는 전력 설비 시스템은 물론 전자. 통신 설비 기기에도 중요한 역할을 하고 있다.

접지는 目的에 따라 많은 종류가 있으나 어떠한 접지도 그 접지 抵抗이 낮은 것이 요구된다. 그러나, 접지 공사의 場所에 따라서는  낮은 접지 저항을 얻기가 매우 곤란한 경우도 많다.  낮은 접지 저항을 얻기 위한 방법으로서 접지 전극의 물리적 形狀, 크기를 고려하여 시행하지만 그렇더라도 限界가 있게 마련이다. 그래서 고안한 것이 토양의 化學的 處理 방법이다. 이것은 접지 전극의 주변 토양에 接地 抵抗 低減劑 (이하 저감제라 약칭한다)를 사용하여 접지 저항을 저감시키는 방법이다.

토양의 전기 저항률(固有抵抗)을 낮게 한다라는 생각은 예전부터 있어왔으며, 접지 전극 주위에 물 또는 소금물을 사용한다든지, 목탄, 코크스 등을 매설하는 방법이 經驗에 의해 채택되어 왔다. 그러나 이런 방법에 의한 저감 효과는 일시적이며 오랫동안 지속되지 않는다는 단점이 있기 때문에 實用的이지 않았다. 이러한 결점을 보완하기 위해서 저감제에 체류제(滯留劑)와 導電性 물질을  첨가하여 화학적 처리를  행한 제품이 개발되어 현재 施工現場에서 이용되고 있다.

저감제의 主性分은 크게 나누면 高分子 화합물과 無機 화합물이 있으나 각각 장단점이 있다. 그래서 단점이 없는 이상적인 저감제를 개발하는 연구가 계속되고 있다.

본고에서는 접지 저항을 낮게하기위한 方案으로서 저감제의 활용 시에 있어서, 저감제 처리에 의한 改善 事項, 저감제에 要求되는 性能에 대하여 기술한다.

2. 接地 抵抗 低減劑의 槪念

접지 저항 R은 일반적으로 R = f(□i, hi)·f( r, □)의 형태로 나타내어진다. 여기서, f(□i, hi)는 大地 파라미터(대지 저항률□, 지층 두께 h)로 결정되는 함수이고, f( r, □)는 접지 전극이 물리적 형상과 크기로 결정되는 함수이다. 낮은 접지 저항을 얻기 위해서는 이 두 가지 함수에 주목하여 생각한다면 실현 가능할 것이다

(1) 대지 PARAMETER

대지 파라미터라는 것은 대지가 均質 地層 構造로 생각할 때에 그 대지 저항률, 多層 구조로 볼 경우에는 각각의 지층의 두께와  그 대지 저항률이다. 어느 경우나 대지 저항률이 낮으면 접지 저항도 낮게된다. 예를 들면, 다층 구조의 경우는 대지 저항률이 낮은 지층에 접지 전극을 매설하는 것으로 유효한 접지를 얻을 수 있다.

그러므로, 대지 파라미터를 충분히 파악하는 것에 의해 접지 전극을 지표면 가까이 얕게 매설하는 공법 또는 깊게 매설하는 공법( 심타 공법, 보링 공법 등)등의 선정이 가능하다.

(2) 접지 전극의 물리적 形狀· 치수

접지 電流가 대지로 流出이 잘되게 하는 형상이나, 물리적으로 치수를 크게 할 경우에는 낮은 접지 저항을 얻을 수 있다. 즉, 대지와 접하는 접지 전극의 表面的을 크게 하는 데 있다. 그리고, 각각의 형상의 전극을 單獨 접지 공법, 竝列 접지 공법, 혹은 竝用 접지 공법을 선정하는 것이 가능해 진다.

그러나, 접지공사 면적이 한정되어 있기 때문에 자연히 한계가 발생한다. 특히 최근에는 토지의 유효 이용 및 설비 기기의 compact화가 진전되어, 접지 공사 area가 충분히 확보되는 경우는 많지 않다. 그러므로 저감제를 활용하는 방법이 채택되고 있는 것이다.

3. 接地 抵抗 低減劑 處理에 의한 改善 事項

저감제 사용 시에는 다음 2가지의 개선 사항이 있다.

① 접지 전극의 주위에 저감제를 처리하여 의사전극(擬似電極)으로 되게 한다.

② 접지 전극을 매설하는 부근의 대지에 저감제를 처리하여 대지 저항률을 인공적으로 낮게 한다.

즉, ①은 접지 전극의 물리적 형상, 크기에 있어서 전극의 반경을 크게 하는 것이고 ②는 대지 파라미터의 첫 번째 項目인 대지 저항률을 낮게 한다는 점을 고려한 것이다. 어느 것이나 접지 저항을 저감시키는 역할을 하게된다.

여기서는 저감제 처리를 행한 경우의 모델을 設定하여 개선되는 사항을 理論的 證明을 試圖하고자 한다.

그림 1  處理 모델 Ⅰ

(1) 처리 모델Ⅰ

그림 1(a)에 나타난 바와 같이 圓筒形 접지 전극을 가정한다.

Dwight 공식에 의하면 대지 저항률 □1(□.m), 전극 길이□(m), 반경r(m)의 접지 저항식은

다음과 같이 나타내어진다.

□1          4□

R1 = □□□ ， In □□□ １1－  --------------------------------- (1)

2 □□         r1

이 전극 주위에 반경 r0의 범위에 저감제 처리를 하였을 경우 즉, 그림-1(b)와 같은 경우의 접지 저항은 다음과 같이 표현할 수 있다.

□0                               □1

R = □□□□，Inr0 １ Inr1－／ □□□□，In4□ １  Inr0 １ 1－---------- (2)

2 □□                             2 □□

즉, 棒狀 전극(r=0.007, □=1.5m)의  주위에 전극 반경의 5배, 10배의 크기로 저감제(저항률  □0)를 처리한 경우를 가정한다.

처리하지 않은 경우는 (1)식에 의해 접지 저항 R1을 계산한다. 처리한 경우는 (2)식에 의해 접지 저항 R을 계산한다.

여기서, □0 < □1 일 경우, 저감제는 그림-2와 같이 된다. 저감제 처리를 행한 전극, 소위 의사 전극(擬似 電極)의 반경에 따라 접지 저항은 저감 즉 저감제의 저항률을 낮게 할 수록 접지 저항이 저감하는 것을 알 수 있다.

그림 2  저감제 처리 후의 접지

(2) 處理 모델Ⅱ

저감제를 이용하여 시공한 형상과 접지 저항의 관계를 조사해 본다. 모델로서는 해석 해(解)가 있는 회전된 원통형 전극을 가정한다.

그림3에 나타난 바와 같이 회전 원통형 전극계에 대하여,  전극 반경 r, 길이 □, 전극의 체적, 요컨대 시공할 저감제의 사용량을 일정하게 한다고 할 경우 여러 가지 형상의 경우의 r 과  □를 다르게 하여 비교하였다.

그림-3 回轉된 圓筒형 電極의 形狀

비교 기준은 반구상(半球狀) 전극 (반경 1m)의 체적 4□/3(m3)으로 하였다.  이것과 同一 □積이 편평형(偏平形) 전극의 크기는 r=5(m)의 경우 □=0.04(m), 편장형(偏長形) 전극에서는 r=0.5(m)의 경우 □=4(m)가 된다. 여기에 r과 □을 다음에 나타내는 접지 저항 계산식에 대입하여 반구형상 전극과 비교하여 보면 그림 4와 같이 된다.

반구형전극

□0

RO = □□□   ---------------------------------(3)

2 □□

편평형전극

□

R =  □□□ sin-1(K) --------------------------- (4)

2 □□

여기서,  K = [eqn: SQRT {1-， {l} over {r}－□ }]

편장형전극

□         1／T

R =  □□□□ In □□□□ --------------------- (5)

4 □□T        1１T

여기서,  T = [eqn: SQRT {1１， {r} over {l}－□ }]

그림-4  저감제 施工 形狀과 접지 저항의 關係

그림-4에서 횡축은  전극 반경 r과  길이□의 비 (r/□=□)로 할 경우 □=1이 반구, □<1이 편평형, □>1이 편장형 전극을 나타낸다. 종축은 회전된 원통형의 접지 저항 R과 반구상 전극의 접지 저항 R0의 비를 나타내고 있다.

상기 그림에 의하면, 같은 체적, 즉 저감제의 사용량이 동일할 경우에 접지 저항은 반구상 전극이 최대로 크고, 편평 및 편장형 전극이 될수록 작아진다.

편평과 편장을 비교하면, 편장의 경우가 접지 저항이 작게된다. 다시 말하면 저감제의 시공 형상은 사용량을 동일하게 할 경우 편평형보다도 편장형의 전극 형상이 유리하다고 말할 수있다.

4. 低減劑에 요구되는 性能

저감제의 역할은 토양을 화학적 처리에 의해 접지 저항을 저감시키는데 있으나 여기에는 여러 가지의 기본적으로 반드시 구비하여야 할 條件이 있다.

첫째 동.식물등의 生物□에 有害하지 않을 것, 둘째 저감 效果가 있을 것 셋째 持續性이 있을 것 등이다.

저감제로서 活用하는 경우 최소한 위의 3가지 조건을 만족할 필요가 있다. 여기에는 각각의 조건에 대하여 기술한다.

(1) 安全性

저감제는 토양에 화학적 처리를 실시하는 것이기 때문에 사람, 가축, 동·식물에 대하여 안전성이 확인되어야 한다. 토양을 汚染시키거나 살아있는 동식물 등의 생명체에 유해한 요소가 있으면 안 된다.

토양의 오염의 원인이 되는 물질은 예를 들면 카드뮴 등이 대표적 重金屬으로서 이런 것들은 토양 중에 함유될 경우 擴散· 分解되지 않아 장기간에 걸쳐 토양 중에 잔류하게 된다. 오염 원인의 물질에는 아연 등의 중금속, 폴리 염화 비닐(PCB)등의 有機 化合物이 있다. 이외에도  질소 화합물, 유산염 등도 다량으로 토양에 함유되어 있을 경우에는 토양 오염의 원인이 된다. 한편, 유산 소다와 같은 無機 化合物은 중금속류와 비교하여 토양 중에 축척성은 작지만 다량일 경우에는 위험하다. 이러한 종류의 화학적 物質은 비록 실내 실험실에서 안전성이 확인되었다 하더라도 자연 生態係의 토양 중에는 여러 가지 물질과 반응하여 유해하게 되는 경우도 있다.

따라서 현단계에서는 저감제의 安全性에 대하여 ① 가능한 한 有機系 물질은 사용하지 않을 것 ② 독.극물 처리법, 건설성 약품 주입법에의한 건설  공사의 시공에 관한 잠정 지침에 금지된 약제를 사용하지 않을 것 등에 대한 내용도 알고 있는 것이 필요하다.

(2) 導電性

저감제 처리 시 개선 사항은 앞서 언급한 바와 같이 의사전극(擬似電極)으로서 간주하는 경우와 대지 저항률을 인공적으로 낮게 하는 것이라고 할 수 있다. 중요한 점은 저감제의 저항률이 접지공사를 행하고자 하는 토양의 抵抗率보다 낮아야 한다. 즉, 도전성이 좋아야한다. 도전성에 큰 영향을 미치는 것으로서는 含水率과  도전성 물질의 含有率이 있으나 단지 이러한 인자들은 일시적인 효과에 영향을 미치는 사항이며 도전성을 유지하며 지속성을 갖게 하기 위해서는 체류제(滯留劑)가 필요하다. 저감제를 구성하는 주성분에는 체류제와 도전성 물질이 있다. 여기서는 특히 체류제에 대하여 설명하고자 한다.

체류제로서는 예전부터 잘 알려져 있고 현재에도 실제로 사용되고 있는 것으로는 關東 地方의 롬 층의 赤土 및 벤토나이트(팽창성이 풍부한 粘土의 일종)가 있다. 이런 재료는 물을 흡수할 경우에 저항률은 약 수십□.m 정도가 된다. 표-1에 나타난 바에 의하면 고저항율 지대의 토양의 저항률의 약 1/100 정도에 해당한다.

따라서 이러한 체류제에서만도 어느 정도의 저감 效果를 얻을 수 있다. 여기에 도전성 물질을 添加시키면 더욱더 효과가 있다.

저감제로서의 필요한 導電度는 금속과 동등할 필요는 없으나 높은 편이 바람직하다. 저감제로서 유용하다고 할 경우에 저항률은 10-1(□.m) 이하 정도가 좋다. 물론 이것은 토양의 저항률과  상대적인 관계에 있는 것으로서 시공할 토양의 종류에 의해 저감제의 성분을 검토할 필요가 있다.

표-1  각종 物質의 抵抗率의 程度

물 질	저항률의 정도(□.m)
고저항율 지대의 토양	103 이상
수분 함유된 토양(수분 함유된 벤토나이트)	101
저 감 제	10-1
일반의 도전성 물질	10-2
동(Copper)	10-8

(3) 持續性

저감제 처리에 있어서 저감제가 반드시 구비하여야 할 가장 중요한 性能이다. 일반적으로 접지 저항은 季節的인 變動을 나타낸다. 변동의 양상은 접지 전극의 형상· 크기· 매설 깊이에 의해 다양하게 되지만 그림-5에 나타난 바와 같이 접지 전극에 저감제 처리한 경우에는 처리 직후 접지 저항이 크게 減少하고, 저감제 처리 효과에서 처리 전의 접지 저항치의 수 십(%)치를 長期間에 걸쳐 지속되는 것이 필요하다. 이것은 저감제가 완전히 영구 불변의 성능을 갖는 경우이다. 현실적으로는 저감제는 토양 중에서 그 성분이 分散되어 효과가 떨어지고 접지 저항이 점차 커지는 傾向이 있다.

그림-5 接地 抵抗의 經年 變化의 槪念□

이러한 要因 중에 제일 중요한 것은 체류제의 성능에 관계 있다. 저감제에 함유되어 있는 도전성 물질이 토양 중에 발산하는 경우와 장기간에 걸쳐 체류시키면서 저감 효과를 지속하는 경우가 있다. 또한 저감제의 성분이 다름으로 해서 처리 후에 저감제가 겔(Gel)化의 상태로 되는 것과 고화(固化) 상태로 되는 것이 있다.

전극 주위를 감싸고 있는 저감제가 경화되면, 그 경화의 정도에 의해서도 전극과의 접착력, 친화력 혹은 토양과의 접촉 상태가 나빠진다든가 시간이 경과함에 따라 저감제에 크랙이 생김 등에 의해 접지 저항이 上昇되는 原因도 된다.

지속성은 체류제의 성능 및 처리 후의 저감제의 상태에 의해 좌우되는 것도 있기 때문에 이점을 충분히 검토할 필요가 있다.

(4) 耐腐食性

토양 중에 있어서의 접지 전극의 부식의 형태로서는 접지 전극 표면에서의 국부 전지 작용에 의해 시간 경과와 함께 부식이 이루어지는 自然 부식이 가장 많다. 또한 접지 전극이 지중에서 매설된 금속체와 異種 금속과 접촉하여 소위 이종 금속 접촉 부식(Galvanic Corrosion)을 일으킬 가능성이 있다. 더욱이 접지 전극에는 지중의 微細 電流나 전기 설비의

漏泄 전류가 유입되어 전식을 일으킬 가능성도 있다. 접지 전극에 저감제 처리를 실시한 경우에 이러한 부식 형태,  즉 자연 부식, Galvanic 부식, 전식에 대하여 접지 전극이 내부식성을 갖고 있어야 한다.

그림-6 低減劑 處理의 槪念

접지 전극의 주위에 저감제를 처리한 상황을 그림-6에 나타내었다. 저감제 중에는 접지극의 부식은 상술한 토양 중의 부식이라고 하는 다음의 언급된 여러 사항에서 양상을 달리한다

① 보통의 토양은 그 物理的· 化學的 성질이 장소에 따라서 不均質性이 현저하므로 저감제에 의해 겔화(Gel 化)는 비교적 균질 하게 보존되기 때문에 부식을 억제하는 효과가 있다.

② 보통의 토양은 通氣性이 있어 공기중이 산소가 전극 표면에 접촉하여 부식을 촉진한다. 저감제 처리한 경우는 통기성이 나빠지므로 산소의 공급이 적게된다. 이로 인해 부식의 진행을 抑制하는 효과를 갖게된다.

③ 저감제 Gel 중에는 함유된 일부의 어떤 성분은 복극작용(復極作用) 및 부동태 피막의 파괴가 일어나 부식을 촉진하게 되는 경우도 있다.

이와 같이 저감제 (여기서는固化 되지않고 Gel화 된 경우)의 存在는 접지 전극의 부식을 촉진하는 마이너스 효과와 부식을 抑制하는 플러스 효과의 兩面을 모두 갖고 있다. 현재 보급 사용되고 있는 접지 전극 재료에는 銅을 주체로 하는 것과 스테인레스나 기타 아연도금 강관등 기타 금속을 이용한  것 등이 있다.

저감제의 내부식성 성능에 관해서는 저감제 중에 함유되어 있는 성분과 전극 재료의 관계를 충분히 파악한 후에 성능 평가를 할 필요가 있다.

5. 結言

大地 저항률이 높고 접지 시공 面積이 制限되어 있는 二重苦의 어려움에  처해 있는 접지 공사에 있어서 최후로 依存하는 것이 접지 저항 저감제이다. 접지 공사는 건물의 壽命과 동등의 내용 년수(耐用 年數)를 고려하여 행할 필요가 있다.

그러므로 최후의 수단으로서 의지하게 되는 저감제는 저항 저감 성능에 대한 신뢰감을 주지 않으면 안되며 앞에서 언급한 저감제로서의 갖추어야 할 具備 條件을 완전히 만족시킬 수 있는 製品이 되도록 앞으로도 많은 硏究 開發 努力이 必要하다. 그리하여 자신감을 갖고 모든 접지 工法에  접지 저감제 사용에 대한 신뢰감과 탁월한 효과를 발휘하여 고품질의 접지 시공에 寄與 하였으면 한다.

參考 文獻

1) 高橋 : 「接地 技術의 動向」, 電氣學會誌 Vol. 104, No.4 , 1986

2) 高橋 : 「接地 技術 入門」, 오옴사, 1986

3) R. H. LEE :「Concrete-encapsulated Metal Grounding Electrodes」, Proceedings of                     APC, Vol.32. 1970

4) 高橋, 川瀨 외 1인 : 「半楕圓□ 電極系의 接地 抵抗 算定式」, 電氣設備                                             學會誌, Vol. 1, No. 3, 1982

5) 川瀨, 高橋 외 1인 : 「體積이 일정한 回轉 타원체 전극계 의 접지 저항」, 電氣設備 學                         會誌, Vol.1, No. 3, 1981

6)  川瀨, 村田, 淵田 : 「合成樹脂를 이용한 새로운 접지 저항 저감제의 處理 □果에 대하                         여」, 電氣設備 學會誌, Vol.93-B,  No. 10, 1973

7) 石田, 村田 외 1인 : 「合成樹脂를 이용한 새로운 接地 抵抗 低減劑중에서 각종 接地 電                         極의 腐食 - 實驗的 硏究」, 電氣設備 學會誌, Vol.94-B,  No.7                            1974

* 역자 주:

최근 접지 저항 저감을 위하여 현장에서 접지 저항 저감제을 많이 사용하고 있는 추세이    며, 접지 저항 저감제에는 탄소계(Modified Carbon), 에드린가이드계(Ettringite), 도전 콘크   리트계(Conductive Concrete), 카본화이바계(Carbon Fiber), 알루미나겔계(Alluminagell) 및   변성요소수지계(Urea Resin)로 나눌 수 있다.