● 탄소계 접지 저항 저감제에 대하여

( Earth Resistance Lowering Agent on Modified Carbon)

加藤儀一郞*1

1. 成分

「탄소계」 접지 저항 저감제인 어스다인(Earth Dyne)의 성분은 표-1과 같다. 또한 독성물질에 대한 것은 표-2에 나타난 바와 같다. 표-1에서는 함유된 유황(S로 표기 한다), 질소(이하 N로 표기)는 미량 함유되어 있으나, 잘 알고있는 바와 같이 銅이나 鐵등의 도체를 부식시키는 작용을 한다. 어스다인의 제2의 성분인 생석회는 그 부식 작용에대한 대책으로서 고안된 것이므로 황화석화 - 단 S는 극히 미량이기 때문에 시중에 널리 판매되는 농업용 살충제 석회 유황합제(石灰硫黃合劑)의 함유량에도 못미칠 정도로 소량이 함유되어 있다.-

또한, 석회 질소 - 이것도 시판되어 많이 사용되고 있는 농업용 비료의 함량에 비하면 극소량이다.- 등을  생성시키고 中和 시키는 것이다.

10여년 사용 실적이 있었으나 동판, 접지 동봉 등에는 후술하는 바와 같이 건축 마감재료의 일종인 회반죽 또는 몰탈처럼 표면에 달라붙어 저항 저감을 촉진하는 방향으로 작용하였으며 금속의 부식이나 또는 화학작용등에 의해 중량 감소등의 사례는 발생하지 않았다.

생석회는 물과 친화력이 매우 강하고 물과 작용하면 발열하여 수산화 칼슘( 消石灰, Ca(OH)2 )로  됨과 동시에 容積 比率 약 1.4 배 정도 팽창하게 된다.

결국, 어스다인은 접지봉과 토양과의 사이에 공간이 있게되면 물과 반응한 후  팽창하여 그 부분을 충진하여 도전율을 좋게하여 접지 저항이 낮아지도록 한다.

CaO + H2O                 Ca (OH)2  + 15.2 KCal

또한  Ca (OH)2 (소석회)가 되면 물에 잘 녹지 않게 되지만(온도 증가에 의해 약 1/1,000 정도가 용해된다) 미량은 석회수로 되어 강한 알카리성을 띠게된다. 이러한 때문에 소석회가 표백제의 원료가 되며 또한 산성 토양의 중화제, 소독제로 이용되고 있다. 그리고 토양중의 이산화 탄소(CO2)와 쉽게 화합하여 물에 잘 녹지 않는 탄산 칼슘 (CaCO3)으로 변한다.

건축 마감 재료인 회반죽이나, 몰탈은 이와같은 원리를 이용한 것이며 이와같은 성질에의해

어스다인은 접지 전극 표면에 넓게 퍼져서 고착(固着)하게 된다. 또한 전술한 바와 같이 팽창된 부분에는 물이 용이하게 침투하여 대지 저항을 낮추는 역할을 한다.

성분 제원	탄 소	생석회	기 타	함 유 금 속			유황분(4)	질소분(4)	합 계
				규 산	마그네슘	아루미나
중량비 %	X	Y	Z	미량	미량	미량	0.4(5)	0.1 이하	100
비 중	2.25(1)	2.3∼3.2(2)	-	-	-	-	-	-	1.2
저항률□.m	-	-	-	-	-	-	-	-	1
화학기호	천연카본C	CaO(3)	-	SiO2	MgO	Al2O3	S	N	-

표-1  어스다인의 成分

(주) (1) 고형 (固形)

(2) 실질밀도

(3) 물과 급격히 반응하여 Ca(OH)2 ---------- 소석회로 된다. (본문참조)

(4) S 와 N는 일본 분석센터에서 분석

(5) S분은 Ca(OH)2로 변화하기 때문에 0.1% 이하로 된다.

독성물질 종 별		6가 크롬	납	카드뮴	비 소
중량비 ppm	조사 1	검출됨	검출됨	검출됨	검출됨
	조사 2	검출안됨	검출안됨	검출안됨	검출안됨
규 격 치 (이하)		0.5	2	0.2	0.2

표-2 어스다인의 毒性物質 함유량 調査 結果

2. 性能

앞에 설명한 바와 같이 성분 이외에는 저감제 성질상 case by case 의 요소가 많기 때문에  정량적으로 정확히 성능을 나타내기가 어렵지만 종래의 실적에서는 다음과 같다.

(1) 접지 저항 저감 성능

매설지선 공법 - 저감제 사용 전의 저항치에 비해 약 40%(1/2.5) ∼ 80%(1/1.25) 저감된다. 또한 메쉬 접지에서는 약 80-90% 정도 저감되며, 여기서 저감율(%)= (처리전-처리후) 접지 저항치/ 처리전 접지 저항치 x 100 이다.

다음에 당사의 접지 방식인 심타식 접지 공사(Dash Earth)에 어스다인을 이용한 경우는 봉만을 타입한 경우에 비하여 20%(1/5)∼80%(1/1.25) 정도 저감된다.

(2) 접지 저항치

계절 변동에 의한 상.하의 변동을 완전히 없앨 수는 없으나 7∼10 년간 초기치(공사후 안정된 시기의 값)을 계속 유지하고 있다.(후술 7장 참조)

3. 用途

(1) 당사 접지 공법인 심타접지 공법(Dah Earth) 시공 시의 충진용 저항 저감제

(2) 보링 접지 공법의 충진 저감제

(3) 매설 지선, 매쉬 접지 공사시의 저감제

(4) 동판 전극,   동봉 접지 공사시의 접지 저항 저감제

4. 效果 實施 例

저감 효과에 대해서는 개략적인 내용을 제2장에서 설명하였으나 쇄석(碎石)이 많은 지역에서 다른 공법과 비교 가능한 사례가 있어서 소개한다.

(1) 장소: 도치키현 □沼市 思用地區

(2) 목적: 암반지대에 천공(보링)한 구멍(직경 약 9m, 깊이 약 4m)에 식수한 커다란 나무에 설치할 나무 보호용 피뢰침용 접지(소요 저항치 10옴이하)

(3) 접지선 매설도: 그림-1 에 표시

(4) 접지 공사 시공 방법 : 다음 5장의 (1)에 후술한다.

	A	B	C	D	E
L (m)	2.8	5.5	5.2	6	5
R (□)	35	30	29	29	32
역산 □(□-m)	110	160	154	173	164

* 대쉬어스 저항치표

그림-1 수목용 피뢰침과 접지 시공 개념도

(5) 시공 결과

a. 수목 주변 환상지선 28m, 방사상 지선 24m, 동선 포설 후 어스다인(저감제) 5Kg/m를    살포, 이 부분만의 접지 저항치 15□

b. 山土측 매설 지선 약 30m 포설, 약 5m 간격으로  심타접지(Dash Earth) (5장 참조),     2.8 ∼ 6m 깊이로 타설하여 어스다인 저감제를 충진하였다. 각 전극마다의 접지 저항치는   표에 나타난 것과 같으며 합성 저항치는 9□이 되었다.

c. a 와 b의 연결은 銅바를 사용했다. 이것도 a 와 같은 공법에 의하여 동바 위에 어스다   인을 살포하였다. c 부분의 단독 접지 저항을 확인하였으나 a, b, c의 합성 저항치는 6□이   되고 10□이하의 목표치 이하가 되었다.

이때의 시공 사진을 나타낸다. 사진-1은 수목을 심는 구멍을 암반을 깎아 일부 굴착하였던   장소, 사진-2는 원형 굴착 구멍에 나동선을 부설 후  어스다인을 살포한 장소이다.

접지선의 형상이 복잡하기 때문에 정확한 계산이 어렵지만 개략적으로 계산을 하면 원형    환상 지선 부분은 어스다인 의 효과도 포함하여 대지 저항율 약 650□·m, 산토 부분은    약 160 □·m 이며 이 지역의 대지 저항율은 약 160 □·m 이다. 그리고 이 근처(쇄석 지   질대)에서 본 공사와 달리 행해진 고압 수전 설비 전기공사에 대한 접지 공사의 자료가 있   기 때문에 비교해 보도록 하자. 이 수전 설비 공사에서는 낮은 접지 저항을 얻을 수가 없   었기 때문에 1.5Km 정도 굴착을 하고 이곳에 2조의 매설 지선에을 저감제 사용하여 부설   하였으며 이때의 접지 저항치는 27□이었다.

이 저항치를 역산하면, 대지 저항은 약 10,000□·m가 된다. (2조의 집합계수을 1로 본 경   우로 실제에는 1보다 큰 값이고 대지 저항율은 더 커진다.)  이 수치와 650□·m와 비교하   면 약 1/15로 저하되고 있다. 이렇게 저하하는 이유는 쇄석 지대에 있어서 돌과 돌 사이에   공간이 많고 어스다인이 이상적으로 팽창, 충진되었기 때문이라고 생각할 수 있다. 이러한   지역에서는 어스다인 저감제가 탁월한 효과를 발휘하였다고 생각된다.

5. 施工 方法

(1) 심타 공법(Dash Earth)의 병용

대쉬 어스는 당사가 개발한 심타식 접지 공법의 명칭으로 그림-2에 표시 하였다.

1. 선단촉 (S 45C)

2. ROD 봉 (S 45C, 아연도금)

3. COUPLING (SUS, 304)

4. 접속 CLAMP (황동)

5. 타입 CAP (S 45C)

6. 어스다인

7. LEAD선

그림-2   대쉬 어스 설명도

`각 부분의 명칭은 그림에 나타나 있으며 특징으로서는 다음과 같다.

◎ 대지에 수직으로 타설하기 때문에 선단 촉을 맨처음 봉에 연결하여 시공한다.

◎ 선단 촉의 직경을  Rod 봉보다 크게하여 토양의 마찰을 받는 천공 구멍은 선단 촉의 굵기분 만큼 받게된다.  Rod 봉은 선단촉에 의해 뚫린 지반속을 진행하는 것이므로 마찰력은 거의 받지 않는다.  또한 전동 해머에의한 타격력은 대부분 선단 촉으로 집중된다.

◎ 보통 접지 봉과 같이 토양의 마찰력이 봉의 표면 전체에 받는 일반 타설 공법과 비교하여 타설 능력( 파워, 천공 시간, 타설 깊이 등)에 있어서 수배이상의 效率이 있다.

◎ 또 Dash Earth Ⅱ형에서는 Rod 봉을 굵게 함과 동시에 선단 촉으 끝 부분을 평면으로 변형시킨 편평한 촉(元東大 平田 교수 발명)의 형태를 사용하고, 연암의 파쇄(破碎), N치(토양의 표준 관입치)가 높은 지질 등에서는 천공 능력을  크게 향상시켰다.

◎ Rod 봉과 구멍으 공간 틈사이에는 도전성 충진제 어스다인 저감제를 사용한다. 어스다인의 팽창성은 이때에 100% 효능을 발휘하여 접지 저항을 낮게 한다.

사용 방법은 먼저 선단 촉에 Rod 봉을 연결하여 로드 봉 끝 부분에 타입 캡을 씌워서 전동해머로 때린다. 어스다인을 1.5∼2배의 물을 섞어 충진시킨다. 다시 로드 봉에 커플링을 끼워서 상부에서 타격하고 아스다인을 충진시킨다. 이러한 방법을 반복하여 시공한다. 이 방법으로 표준 관입치 (N치)가 40 정도의 토지에서 약 30m 이상 시공한 실적이 있다. 또한 암석에서도 니암(泥岩) 등의 연암일 경우에는 관통이 가능하다.

(2) 매설 지선에의 적용

4장의 실시 예에 기술한 바와 같이 쇄석 등에서 빈 공간이 많은 지질에서 매설 지선을 시공하는 경우에는 특히 효과가 있다. 시공법으로서는 그림-3에 나타난 바와 같이 포설한 매설 지선 도체을 검게된 부분처럼 나전선 상부에 어스다인을 살포한다. 이때 물은 사용하지 않는다.

접지선을 부설하는 트렌치는 약 30cm 이상 깊게 하고 다시 흙을 되묻을 때는 부드러운 흙을 약 10cm 정도 신중하고 조심히 덮는다. 이 공법의 효과에  대해서는 4장에서 설명한 바와 같다. 어스다인 살포량은 m당 5 Kg 정도로 살포하는 것이 좋다.

그림-3  매설 지선과 어스다인

(3) 보링 접지 공사에 利用

보링 접지 공사는 접지극을 굴착시에 선단에 보링 롯드보다 외경이 큰 Core Tube 및 Drill Bit를 이용하기 때문에 보링 구멍과 도체 전극 사이에 충진제가 필요하다. 이때에 (1)과 같이 어스다인을 물과 같이 혼합하여 보링 전극봉 구멍에 넣거나, 전극이 파이프에 있으면 적당한 Pump 등을 이용해 Pipe 내에 압력을 가하여 Pipe 밑 부분에서 파이프 외측(구멍과의 빈 공간)을 지상까지 환류시켜 충진한다. 이때에는 물을 많이 사용한다. 전술한 바와 같이 어스다인은 팽창하기 때문에 다른 접지 저감제처럼 수축하거나 하여 접지 봉과 토양과의 빈틈이 생기는 등의 경우는 발생하지 않는다.

(4) 銅版 접지 공사에 利用

토지의 상황에띠라 적절히 대응하는 방법을 강구하는 것이 좋지만 당사에서 추천하는 방법은 그림-4와 같다.

우선 어스다인을 물에 녹여 동판의 표면에 가능한한 두껍게 솔등을 이용하여 도포한다.(0.9x 0.9m의 동판의 경우 약 5K 정도 사용). 트렌치 바닥에 약 5Kg 정도의 저감제 분말을 살포하고 그 위에 동판을 세워 양쪽 면에 각각 5Kg씩 살포한 후, 부드러운 흙으로 되메우기를 한다. 저감제의 사용량은 0.9x0.9m 의 동판 1매당 약 20Kg 정도 사용한다.

그림-4  동판에 어스다인 적용 예

(5) 직접 타설 접지봉의 저항 저감제 이용

일반 銅被覆 강봉등 직접 대지에 타설할 경우에는 그림-5와 같이 소위 수반법(水盤法)을 이용한다. 접지봉 주위에 구멍을 만들어  그안에 물과 저감제을 2:1로 혼합하여 주입한다. 어스다인의 사용량은 0.1□x 1.5m 접지 동봉 1개소당 약 5Kg 정도 사용한다.

그림- 5  직접 타설 접지봉 어스다인 적용 예

6. 安全性

1장의 성분 항목에서 기술한 바와같이 이른바 毒性 物質은 전혀 없다. 탄소는 색깔이 검다는 사실을 제외하면 공해를 유발한다는 것은 전혀 없다. 지난 63년 겨울 북쪽 지방의 대설 지역에서 태양열을  흡수시켜 눈을 녹이기 위하여 도로 이외의 눈쌓인 곳에 목탄 분말을 뿌렸다는 뉴스가 있었지만  탄소가 無公害性이라는 사실이 오랜 기간동안 충분히 검토되어 입증되었다.

다음에 생석회가 있으나 이것도 강한 알카리성인 탓에 소독제, 비료, 토양 개량제 등으로 이용되고 있다는 사실은 잘 알려져 있다. 이밖의 혼합물도 통상 건축등에 사용될 수 있기 때문에 또한 함유 금속 화합물드에 대해서도 일반 물질이나 식품 등에 함유된 허용치 이내의 함유량만을 갖고 있을 정도이다. 따라서, 어스다인 저감제에 대해서는 환경적인 오염, 인체, 동.식물등에 유해하지 않아 사용상 어떠한 문제도 없다.

7. 經年 變化

어스다인 저감제를 사용한 시공법에서 메쉬 매설 지선을 어스다인 처리한 접지극의 10년간 기록 및 심타식 접지(Dash Earth)와 함께 어스다인을 사용한 접지극에 대한 8년간의 기록 및 日光 東照宮 지역의 일광 문화재 보존회 사무소의 岡部씨가 접지봉 전극 주위를 저감제 처리한 6종류의 경년 변화를 조사하였던 귀중한 자료를 얻을 수 있었기에 여기에 저항 변화추이를 다음에 나타내어었다.

(1) 그림-6은 일광 컨트리 크럽내에서 Club House, 피뢰침, 파라데이 케이지의 접지 공사중 대표적인 것 4개소에 대한 10년간의 기록이다. 토지가 과거에 하천 바닥이었던 관계로 메쉬접지에의한 공법을 선택할 수밖에 없었으므로 저항치는 다소 상승 경향이 있으나 대부분은 안정하다고 말할 수 있다.

그림-6  어스다인( Mesh 접지극에 사용) 경년 변화 1

(日光 Country Club)

(2) 그림-7은 하관 컨트리 크럽내의 것으로 건물 피뢰침, 수목용 피뢰침 등의 접지극 중에서  대표적인 4개소의 접지 저항치의  8년간 기록이다. 전동 해머에의한 打設로 비교적 깊이(약10m) 시공되어 있기 때문에 저항치도 낮으며 경년 변화도 대부분 안정되어 있다. 또한 그래프상의 높고 낮은 형태로 나타내어진 것은 대지 저항율의 계절 변화에의한 것이라 생각되어진다.

그림-7  어스다인 (심타공법에 적용) 경년변화 2

(霞關 Country Club)

(3) 그림-8은 日光 東照宮地내의 관리 담당자인 岡部씨가 동일한 접지 전극으로 6종류의 저감제에 대하여 그림-9에 나타낸 것처럼 경년 변화를 시험했던 기록이다.

그림에 표시한 바와 같이 어스다인만을 꺽은 선 그래프로 나태내었고 각각의 위치가 그 때의 접지 저항치이다.

어스다인은 炭素 粉末이 주성분이기 때문에 그것 자신의 저항율은 표- 1에 나타낸 바와같이 다른 전해질 성분을 가진 저감제에 비교해보면 초기치는 다소 높은 값이 되었으나 초기에 우수한 것으로 나타난 전해질 성분의 저감제의 저감율은 2-3년 경과 후 전해질의 유실에의해 저항치가 높게 변동하는 사실을 잘 나타내 주고 있다.

어스다인은 계절 변동계수의 영향에의한 변화이외에는 대부분 안정된 값을 유지하고 있다고

결론내려도 좋다고 생각한다.

그림-8 어스다인의 경년 변화 3                             그림-9 저항 저감제 시험 방법

(일광 문화재 보존협회 사무소구내)

편집자 주) 1: 日本 中央防雷(株) 대표이사