● 카본 파이바계  접지 저항 저감제

Earth- Resistance Lowering Agent on Modified Carbon Fiber

竹內 勝次 외 3인1)

1. 序論

접지극 부근의 토양 대지 저항율을 저하시켜서 접지 저항을 저감 시키는 저감제를 크게 나누면 석고계와 시멘트계로 구분할 수 있다. 이번 소개하는「 도덴 크리트 (이하 導電 콘크리트라 칭함)」는 시멘트계에 속하는 것으로서 저감제로서의 구비 조건인 도전성, 내구성, 무부식성, 작업성, 안전성 등이 우월하며 특히 定常 저항의 저감 이외에 써지 저항의 저감 효과도 크기 때문에 耐雷 接地用으로 적합하다.

이하 도전 콘크리트에 대하여 成分, 性能 등의 仕樣, 用途, 特長, 施工 方法 등 시험 데이터를 포함하여 서술한다.

2. 仕樣

도전 콘크리트는 시멘트를 주체로하는 無機 組成物에 도전재로서 탄소 섬유를 혼합, 분산 시키는 것이다. 탄소 섬유가 시멘트와 균일하게 분산되도록 탄산 칼슘을 분산 조정제로 사용하고 있다.

S 형과 B 형이 2 가지 종류가 있으며, S 형은  일반 접지용, B 형은  보링 접지용이다. S 형의 평균 탄소 섬유 길이는 13mm, 직경은 20□이다. B 형의 탄소 섬유는 보링 기계의 펌프를  통과하기 위하여 5mm 정도로 짧다. 탄소 섬유는 소결 온도가 2000℃인 고품질인 제품을 사용한다.

사진-1 固體化 破斷面

내 용	S TYPE (DCS - 0100	B TYPE (dcb - 020)
성 분	· 포틀랜드 시멘트 · 탄소섬유 · 분산 조정제 (탄산칼슘) · 규사	· 포틀랜드 시멘트 · 탄소섬유 · 분산 조정제 (탄산칼슘)
외 관	단섬유 혼합 분산형 시멘트상 혼합체	단섬유 혼합 분산형 시멘트상 혼합체
포장상태	외장 : 그라프트 내장 : 폴리에칠렌	외장 : 그라프트 내장 : 폴리에칠렌
중 량	10kg	20kg
전기저항율	0,2 □·m 이하	1,2 □·m 이하
압축강도	100kg/cm□ 이상	100kg/cm□ 이상
비틀림강도	10kg/cm□ 이상	10kg/cm□ 이상
유해성분	없음	없음
용 도	일반용	보링 공법용

표-1   仕 樣

3. 用途

배전주, 송전철탑, 발·변전소, 무인 중계소, 피뢰침 등의 접지극으로서 널리 사용되고 있다.

3.1 配電柱

배전주 접지극은 일반적으로 도로에 시설하는 경우가 대부분이므로 규정치 확보에 유의 하는 것이 당연하나 공중 안전면에서 시공시에는 세심한 주의가 필요하다.

접지선에 고장 전류가 흐르면 그림-1과 같이 접지극 중심으로해서 지표면에 電位 傾度가 생긴다. 이것이 클 경우에는 보폭 전압 및 접촉 전압에의해  人·畜에 위험을 주게되므로 전기 설비에 관한 기술기준에서는 지표에서 75cm 이상의 깊이에 매설하는 등의 規定을 두고 있다. 또한 鐵柱 등에 접지선을 시설하는 경우는 접지극을 철주 등에서 1m 이상 이격시켜 매설하도록 하는 등의 규정도 있다.

新設 할 때는 그림-2에 표시한 전주  밑에의 접지, 改·補修 시에는 그림-3에 나타낸 바와 같이 별도의 트렌치를 신설하여 시공한다. 전주 밑에의 접지는 전주 굴착 시에 시공하므로 省力化에 효과가 있다. 그 외에 공통인 방법으로서 그림-4에 나타난 바와 같이 보링이나 帶狀 전극이 있다.

그림-1  接地管의 埋設 깊이와 地表 電位 分布

그림-2 電柱 下部 接地                          그림-3  별도 트렌치 接地

그림-4   配電柱

3.2  送電 鐵塔

철탑의 접지 저항이 높게되면 역섬락에의해 2 회선 停電事故에 도달하는 경우도 있으며, 써지 저항은 가능한한 낮게하지 않으면 안된다. 그림-5에 표시한 방법이 있다.

그림-5  송전 철탑

3.3 發·變電所

근래 발·변전소의 보호 계전기에 반도체가 보급되어 접지 저항은 10-1□ 정도가 요구되고 있으며 또한 用地의 취득난 등에 의해서 건설 조건은 더욱 까다로워지고 있어서 건설 지역이 산악 지역이 되는 경우가 많다.

이와 같이 시공 장소가 산악 지대에 있는 경우는 암반, 모래, 자갈 등의 영향에 의해 대지 저항율이 높고 접지 설계 시에 소요 접지  저항치을 구하는데 있어서 고려하여야 할 사항이 많다.(1)

저감제를 사용하지 않는 저감 방법으로서는 이중 메쉬 포설(메쉬를 2층으로 하는 것)이나, 접지봉의 設置 등이 있다. 도전 콘크리트 사용한 경우는 그림-6에 나타낸다.

그림-6 발·변전소의 mesh

그림-7은 메쉬의 주변에 도전 콘크리트를 폭 30cm로 포설한 경우, 동일한 저항치을 얻기위한 면적은 약 반정도로서 경제적이다. 동일 면적에서의 저감율은 약 20% 정도로서 이것은 아마도 꽤 우수한 수치가 아닌가 생각한다.

현재 Field test를 檢討 중에 있어, 추후에 대규모 mesh에 적용 가능한지 여부를 解明할 수 있을 것으로 생각한다.

그림-7 mesh 주위에 포설한 경우의 계산치

4. 特長

4.1 經年 變化

석고계 등의 化學的 저감제는 일시적인 저감 效果을 보이다가도 시간이 경과함에 따라 저항치가 增加하는 경향이 있다. 도전 콘크리트는 접지 저항 저감 작용을 장기간 維持하므로 장기적인 관점에서 보면 공사비 절감이 된다.

그림-8은 7년간의 도전 콘크리트의 경년 변화를 나타낸다.

그림-8  도전 콘크리트의 경년 변화

4.2 定常 抵抗의 低減 效果

그림-9에 나타난 매설지선 시공의 경우 도전 콘크리트을 사용할 경우 매설 지선만 부설한 경우보다 56 ∼ 61% 저감 효과를 나타내고 있다. (그림-10 참조)

그림-9 카운타포이즈(CP) 부설도

그림-10 도전 콘크리트의 저감 효과

4.3 써지 저항의 저감 효과

도전 콘크리트는 정상 접지 저항뿐만 아니라 써지 저항의 저감에도 효과가 있다. 이것은 탄소 섬유의 先端에서 매우 빠른 放電이 이루어 지기 때문이다.

그림-11은 뇌 서지 저항의 저감 사례, 그림-12는  시험 회로 사진-2는 인가 파형을 나타내고 있다.

그림- 11 써지 저항의 저감 예

그림-12  써지 저항의 시험 회로

사진-2  인가 파형

4.4 强度

콘크리트와 비슷한 정도의 강도를 갖는다.

4.5 腐食性

접지극으로서 동, 알루미늄 등의 금속이 사용되고 있으나 도전 콘크리트는 각각의 경우에 있어서 표준 부식 減量은 0.15% / 30일 이하이다.

4.6 安全性

有害 성분은 없으며 動·植物에 대한 안전에 만전을 기하고 있다.

5 施工 方法

5.1 S 형

보통 몰탈과 동일한 방법으로 물과 반죽하여 사용한다.

(1) 도전 콘크리트 1포당 물 6□를 첨가한다.

(2) 시멘트 및 탄소 섬유가 덩어리가 없이 잘 반죽하여 접지극에 투입한다.

(3) 물을 얻기가 곤란한 산악 지대의 철탑 접지 공사 등에서는 물에 반죽하지 않더라도 빗물을 흡수하므로 물과 반죽한 경우와 동일한 효과를 나타낸다.

그림-13에 나타난 바와 같이 다음의 3가지 방법에의하여  시험한다.

a. 접지봉만 포설시(횡으로 시공)

b. 접지봉 + 도전 콘크리트 분말째 물 없이 사용

c. 접지봉 + 도전 콘크리트 물과 같이 반죽하여 사용

포설한 접지봉만의 접지 저항치는 190□이었다.

여기서 대지 저항율을  Sunde 공식을 이용하여 계산하면,

□            2 l

R = □□□□□□□□ ＿ln □□□□□□□□□ -1ａ

□l          [eqn: SQRT {2rt }]

□                2 x 1.5

= □□□□□□□□□□ ＿ln □□□□□□□□□□□□□□□□ -1ａ

□ x 1.5        [eqn: SQRT {2 x 0.007 x 0.5}]

= 0.547□ (□)

∴ □ = R / 0.547

190

= □□□□□□□□

0.547

= 347 (□·m)

그림-13  접지봉의 부설도

설치 시공한 접지봉을 다시 파내고 동일한 토양으로 도전 콘크리트 저감제를 물 없이 시공했을 때의 접지 저항치는 70□ 이었다. 동일한 面積의 銅版을 시공한 경우라고 가정하면 동판의  접지 저항 Rc는 다음과 같다.( Rudenberg 식을 이용)

물이 없는 장소를 동일하게 굴착하여 도전 콘크리트르 물과 반죽하여 시공하였을 때는 60□이었다.

이것으로부터 정리하면 물 없이 시공 하였을 때도 동판의 경우보다 13% 저감하였음을 알 수 있다. 그리고 1개월 후의 측정에서는 물이 없는 경우의 시공에 있어서도 65□으로 측정되었다.

5.2 B 형

(1) 보링하여 구멍의 정상부에서부터 물을 주입하고 보링 시에 사용하였던 벤토나이트를 물로 씻어낸다.

(2) 나동선을 삽입한다.

(3) 도전 콘크리트를 10□에 대해 물 7∼12□ 정도로 충분히 반죽하여 그림-14에 나타난 바와 같이 펌프로 注入한다.

6. 結言

이상 高强度, 超耐久性 접지 저항 저감제인 도전 콘크리트의 特長, 시험 데이터에 대해서 소개하였으나 앞으로 광범위한 분야에 걸쳐 用途(전력, 정보통신의 내뢰용, 차폐용, 정전기 방지용 등)가 많아 짐으로서 制限된 시공 面積內에서 낮은 접지 저항을 얻기 위해서 다방면에서  많이 使用하게 될 것으로 생각한다.

그림-14  B Type  보링 시공 방법

參考 文獻

1) 岡本, 藤根: 「架空 配電線의 接地 공사와 管理」 電氣 評論, 1986년 臨時增刊, 621항

2)石井豊章:「EHV 變電所의 接地의 實際」 電氣 評論, 1981년 臨時增刊, 590항

편집자주:

1) 著者, 竹內勝次외 3인:(株) 日本 關西 TECK. 大板 北支店