● 變性 尿素 樹脂系 접지 저항 저감제에 대하여

Earth- Resistance Lowering Agents on Modified Urea Resin

飯 森  博

1. 序論

전력 계통에서 전력 설비에 대한 사고 방지, 보안을 위해 많은 개소에서 접지 공사가 시공되고 있다. 保安 접지는 주로 다음 3가지 目的으로 행해지고 있다.

(ⅰ) 過電壓으로부터 보호

(ⅱ) 뇌전류와 靜電荷를 대지로 放散

(ⅲ) 전기 설비의 비충전 부분을 대지와 等電位化

이와같은 목적을 반드시 달성하기 위해서는 접지 저항이 충분히 낮지 않으면 안된다.

그러나 토질 구조의 복잡함과 경제적인 고려에의해 공사를 시행할 필요가 있으므로 토질이 나쁜 곳에서 접지 저항을 낮추기 위하여 다음과 같은 대책을 채택하고 있다.

(ⅰ) 접지 전극 그 자체의 연구 (예를들면, 표면적을 크게한다 등)

(ⅱ) 시공장소의 선택 (예를들면 건축물의 기초 근방을 피한다)

(ⅲ) 다수의 접지극을 시공하여 병렬 접속한다.

(ⅳ) 접지 전극을 깊게 시공한다 (심타공법)

최근에는 위에 열거한 여러 가지 방법 이외에 토양의 화학 처리에의해 접지 저항의 저감 방법이 개발되어 실용화 되고 있다. 이것은 접지 전극 주위의 토양을 전해성 화합물로 처리하여 접지 전극 부근의 토양을 導電率이 좋은 것으로 처리하여 접지 저항을 낮게하는 방법으로서 예전부터 있어왔다.

예를들면 Sanik1)는 電解質 gel인 페로시안화 銅에의한 처리 방법을 최초로 報告하였고, 또한 Clark2)는 그 외 게이산염 겔, 흑연과 수소의 혼합물을 토양중에 주입하는 방법을 發表하였다. 그러나 이러한 혼합물을 토양중에 注入하는 화학적 처리 방법은 그 효과가 일시적으로서 영구히 지속되지 않는다는 결점을 가지고 있었다.

1967년 경부터 일본의 다양한 토질 조건에 대응하여 장기간에 걸쳐 低抵抗率을 지속·유지

시켜주기위한 목적으로서 도전성 물질을 水溶性 常溫 硬化型 폴리머 예를들면, 요소 수지, 페놀 수지, 메라민 수지, 리크닌스루본산 염, 이크릴산 염,  에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리우레탄 수지, 게이산 소다 등을 조합시켜 그 混合液을 접지극 주위의 토양중에 침투시켜, 일정 시간 후 도전성 함수 경화 수지(導電性 含水 硬化 樹脂)를 형성시켜 토양을 高저항율에서 低저항율로 변화 시키는 새로운 접지 저항 저감제가 개발되어 실용화 되었다.

이 접지 저항 저감제는 일반적으로 低分子量 폴리머와 전해성 화합물과 硬化劑의 3가지 성분으로 되어있어 이것은 물과 함께 대지중에서 반응하여 접지 전극 주위의 고전도성 경화 수지를 생성시키는 것이다. 이 고전도성 경화 수지는 含水 硬化 樹脂로서 그 중의 강전해질은 수지의 조밀한 망상구조 중에 포함되어 있기 때문에 지하수가 흐르는 토양중에 방치하여도 저저항치를 장기간에 걸쳐 유지 가능하다.

이점이 종래의 식염처리, 유안(硫安)처리, 벤토나이트 처리 등에의한 접지 저항 저감법과 저항 지속성이 전혀 다른  접지 저항 低減劑이다.

그림-1 접지 저항의 定義                그림-2 화학적 처리 모델

R = E / I (□)

2. 化學的 처리법의 理論的 說明3)

접지 저항은 이론상 다음과 같이 정의된다. □ 한 개의 접지극이 있고 (그림-1(a) 참조) 여기에 I(A)의 접지 電流가 流入되어 여기에서 대지로 放流될 때 접지극은 무한 원점 대지에 대하여 전위 上昇이 된다.(그림-1(b) 참조). 이것을 E(V)라 할 때, E / I (□)이 접지 저항이다. 구체적으로 접지 저항의 구성 요소를 생각하여 보면 다음의 3 가지가 된다.4)

(ⅰ) 접지선의 저항 및 접지 電極 자신의 저항

(ⅱ) 전극 표면과 이것에 접한 토양과의 接觸 저항

(ⅲ) 전극으로부터 먼 곳으로 흐르는 전류 經路의 저항

여기서 이론적 설명은 (ⅲ)항이 관련되는 것으로서 이것에 대하여 설명하는 것으로 한다.

지금 반경 r의 半球狀 접지 전극을 생각하고 전류 경로의 저항과  거리의 관계를 생각한다.

R을 전극 중심에서 거리 rn 까지의 부분에 포함된 저항이라고 한다면 전류경로의 저항은 전극 표면 r부터 멀리 떨어짐에 따라서 쌍곡선상에 따라서 증가하고, R∽에 접근한다. 또 R과

R∽의 비를 보면,

R / R∽ = 1- r / rn --------------------------(1)

(1)식에 기초하여 rn의 각각의 값에 대하여 계산하면 지표에서 전극 중심까지의 거리를 측정할 경우, 전 접지 저항의 1/2이 2r까지의 부분에 존재하여 이후 점차적으로 작게되고, 10r까지가 전체 저항의 약 90% 포함된다.

이런 사실은 抵抗 區域이라고 하는 개념에 기초한 것이다. 결국 접지 저항의 대부분은 접지

전극의 매우 가까운 부분에 존재하는 것으로서 어떤 방법에 의해 접지 전극 부근의 토양의 저항율을 낮추어 준다면 그 전극의 접지 저항은 낮아지게 된다.

이것이 化學的 處理法에의한 접지 저항 저감의 이론적 근거이다.

그림-2에 화학적 처리의 모델을 나타낸다. (a)는 처리 전, (b)는 처리 후를 각각 나타낸다.

(b)에서 □1 부분이 접지 저항 저감제에의해 토양의 저항율을 인위적으로 낮춘 부분이다.

관점을 달리해서 보면, 전극이 r1에서 r2까지 팽창한 것에 해당되며 저감제를 사용하여 전극의 외관의 반경을 증가시킨 것과 같으며 처리 전의 접지 전극은 대전극에 취부된 터미널로 가정할 수 있다.

3. 변성 요소 수지계(變成 尿素 樹脂系) 접지 저항 저감제- 케미 어스(CHEMI-EARTH)

(1) 도전성 含水 硬化 樹脂 - 케미 어스의 구조

앞서 기술한 바와 같이 화학 처리법의 조건은 □1 ≪  □2  즉, 접지 전극 부근의 토양을  도전도가 좋은 것으로 바꾸는데 있다. 이러한 방법으로는 종래 대지의 접지 저항 저감을 목적으로서 염화 나트륨(NaCl), 염화 암모늄(NaOH), 황산 암모니움 등의 전해성 화합물의 수용성 또는 몬모리로 나이트를 主成分으로 하는 벤토 나이트를 접지극 주위의 대지에 주입 살포 함으로써 대지의 저항율을 저감하는 화학 처리의 방법이 실시 되었다. 이러한 화합물의 각 수용액은 일시적인 효과는 현저하게 크지만 降雨에 의해 전해성 화합물이 접지 전극 주위에서 제거· 流失되기 때문에 접지 저항 저감의 지속성이 시공 후 1년정도 지나면 감소하여 접지 저항치가 시공 시보다 증가하게 된다. 또한 지하수가 있는 상태에서는 사용하여도 급속히 유실되어 저감 효과의 지속성은 매우 단축된다.

종래의 전해성 화합물에의한 화학 처리 대신에 접지 저항치를 지속적으로 유지하는 고전도성 함수 경화 수지로서 1977년에 실용화된 변성 요소 수지계 접지 저항 저감제(케미어스)는 주성분이 변성 요소수지를 통상 3차원 網狀 구조화 되어 있기 때문에 경화제에 의해 固化되어 경화 수지를 형성시킨다.

일반적으로 상기의 경화 수지만은 저항율이 높기 때문에 저항율을 감소 시키기 위하여 전해성 화합물(예를들어 염화 나트륨, 염화 암모니움, 황산 암모니움 등)을 약간 첨가한다.

접지 저항 저감제로서 구비하여야 할 조건으로서는

(ⅰ) 저항율이 낮을 것

(ⅱ) 처리한 토양이 그 도전 효과를 장기간 지속할 수 있을 것

(ⅲ) 금속 접지극에 부식이 되지 않을 것

(ⅳ) 人·畜 및 농작물에 無害할 것 등의 조건이 필요하다.

접지 저항 저감제 「Chemi-Earth」의 경화물은 젤리 상태의 3차원 망상구조의 고중합 폴리머로서 마크로적인 구조에서는 연속 matrix를 형성하고 있기 때문에 固□的 성질을 갖고 있으나 마이크로적인 구조에서는 상당히 미세하여 연속된 공극을 갖고 있는 망상구조로 추정되어 固□, 液□의 공존하는 2 成分系이다.

공극에는 도전성 수용액을 포함하여 전체적으로는 저저항율의 함수 경화수지(含水硬化樹脂)를 형성하고 있다. 즉, 전해액이 치밀한 다공성 수지의 벽의 가운데에 자리잡고 있는 것이다.6)  (그림-3 참조)

(a) 도전성 함수 경화 수지의      (b) 도전성 함수 경화 수지 처리                           마이크로적 模型                 토양의 마이크로적 모형

固液 二相의 多孔性 구조 : □ 이온 : 양이온, □ 이온 : 음이온 ---- 도전성 물질

斜線 : 含有水

그림-3  접지 저항 저감제의 構造

(2) 「Chemi-Earth」의 特性

고도전성 접지 저항 저감제 「케미 어스」의 특징은

(ⅰ) Gel 化 전에 저점성, 저저항율의 수용액이므로 대지중에 침투성은 매우 우수하므로 접지극 주변의 대지에 입체적으로 또한 광범위하게 퍼져서 高저항율의 지반을 低저항율로 改良한다.

(ⅱ) 대지중에서 저분자량 수지와 경화제가 반응하여 3차원 구조의 저침투성 고분자 함수 경화 수지를 형성한다. 습윤 상태에서는 함수 경화 수지의 내수성은 오랫동안 지속되므로  접지 저항치의  지속성 효과를 발휘한다.

(ⅲ) 저저항율에서 토양중에 침투성이 우수하기 때문에 공법상으로 이전의 심타공법 및 앞서 설명한  전해성 화합물 처리와 비교하여 효율이 좋은 시공이 가능하며, 목표 저항치 취득에  접지봉, 접지판 등의 접지극의 절감도 도모할 수 있으며, 全工事가 경제적이다.

「케미 어스」의 특성치, 사용 시의 배합, 배합제의 성분을 표-1∼표-3에 나타낸다.

주 성 분	변 성 요 소 수 지
외 관	담황색수용액
비 중 (20¸C)	1.170
점 도 (20¸C)	5 C.P
압축강도 (kg/□)	8∼10
고유저항 (□cm/20¸C)	10
경화시간	10분/20¸C
금속부식성	10-3cm 이하
動植物害	무
施工法별 용도	1. 접지판 공법 2. 이설 접지 공법 3. 주입 공법 4. 접지봉 공법 5. 케미어스 공법

* 금속 腐植性: 케미어스 배합액에 대한 금속판의 부식도

부식도 =[eqn: { 단위 면적 감량} over {밀도}]=[eqn: { g / □} over {g / □}]= cm

표-1  케미 어스의 特性

100□ 작성 형		30□ 작성 형		20□ 작성 형
A 제	15 kg	A 제	3 kg	A B 제	12.7 kg
B 제	1.2 kg	B 제	0.4 kg	C 제	2 kg
C 제	20 kg	C 제	4 kg	D 제	3.2 kg
D 제	20 kg	D 제	4 kg	계	20□
水	50□	水	20□
계	100□	계	20□

표-2 케미 어스의 成分別  配合

	主劑 (C제)	도전제 (A제)	가교제 (D제)	경화제 (B제)
화 학 명	변성요소수지	카나릿트	요소 + PVA	산성유산소다

표-3 케미 어스의 配合劑의 成分

(ⅳ) 「Chemi-Earth」는 종래의 銅 또는 鐵 등의 금속 접지극과 재질이 전혀 다르므로 낙뢰시의 뇌격 전류 통전 시 통전 특성을 확인 하기 위하여 충격 대전류 통전 시험을 행하였다. 실험조(槽)로서는 목제통에 긴 금속 띠를 두른 것으로, 케미 어스 화합물의 模擬 접지극 (그림-4)을 소정의 깊이에 매설하여 토양을 바닥보다 약 50cm 정도 채워 넣는다.(그림-5)

통전 전류 파형 6 x 20□, 반파 고시간 12□ 정도에서 파고치 약 15, 25, 35KA의 3 종류를 연속 10회 인가 하였으나 시험 후의 접지극 외관 표면 상태에는 용융에의한 접촉 면적 감소 등이 발견되지 않았고, 실제의 뇌격 전류 통전 후에도 통전 전과 똑같은 효과를 갖고 있다는 것이 입증되었다.(그림-6 참조)

그림-4 저감제 模擬 접지극

그림-5 모의 접지극의 土中 試驗

그림-6 케미 어스 모의 접지극의  電壓-電流-抵抗의  時間 特性

(3) 접지 저항 저감제의 施工 方法

전력 설비 공사의 최근의 省力化 경향과 경제성, 안전성을 기본 바탕으로 한 접지 공법의 요구 事項으로서는

(ⅰ) 공법의 간단화

(ⅱ) 경비의 저렴화

(ⅲ) 장기간의 효과 지속성

(ⅳ) 어떠한 지형, 구조에도 즉시 접지 效果가 있을 것 등이다.

이러한 요구 사항에 대하여 종래의 접지극 재료, 공법에서는 한계가 있어서 접지극 부근의 토양의 저항율의 저감을 도모하는 접지 저항 저감제을 이용한다.

접지 저항 저감제는 접지극(예를들면 접지봉, 접지판, 매설지선 등)과  병용한 아래의 공법을 채택하고 있다.

(가) 注入 工法

(나) 埋設 地線 工法

「Chemi-Earth」의 대표적 사용법의 예를 들면 다음과 같다. 즉, 물을 준비한다. 그리고 수지와 전해질 화합물과 경화제의 3가지 성분을 물과 섞는다. 그 다음에 필요량을 전극 주위에 주입한다. 일정 시간 경과 후(경화 시간은 배합량, 수온 등에의해 변하지만 대체로 2분∼15분 정도) 젤리 형태의 소위 gel 상태가 된다.(그림-7 참조)

그림-7  케미 어스 處理

더구나 접지봉, 접지판 또는 매설 지선과 접지 저항 저감제와 병용 사용 공법에 있어서 저감제의 사용량과 저감율과의 관계는 그림- 8에 나타나 있으나 저감율은 저감제의 일정사용량 이상에서는 飽和値에 도달한다.

그러므로 저감제의 사용량은 실용상 경제 사용량을 채택한다.

(a) 주입 공법

(b) 케미어스 사용량과 저감율의 관계

저감율(%)= [eqn: { (처리전- 처리 후) 접지 저항치} over {처리 전 접지 저항치 }]x100

(c) 펌프에 의한 주입 공법

보링 기계로 구멍을 파서  땅속으로 채워 넣는다.

(d) 매설 지선 공법

(e) 케미 어스 사용량과 저감율의 관계

그림- 8  각종 施工 處理 方法

(4) 접지 工法과 計算式

접지 저항치는 통상 대지에 타설하거나 또는 매설시킨 접지 전극의 접지 저항치의 이론식(또는 경험식)에의해 산출 가능하다. 그러나, 어느것이나 근사 계산식으로서 다소 차이는 있다. 어떤 계산식에대해서도 저항치는 대지 저항율의 함수가 되므로 보통 대지 저항율은 일정한 것으로 가정하여 논하기로 한다. 즉, 케미 어스(Chemi- Earth)를 접지극과 병용한 경우의 접지 저항치는 접지극 단독의 이론 접지 저항치의 50∼80% 정도 저감을 나타낸다.

① 銅棒 접지봉

(ⅰ) 접지봉이 지표면 또는 지상에 노출되어 있는 경우

R = [eqn: { □} over {2□□ }] (ln [eqn: { 4□} over {d/2 }] -1)--------------------------------(2)

(ⅱ) 접지봉이 지표하에 타설되어 있는 경우

R = [eqn: { □} over {2□□ }] (ln [eqn: { 2□} over {d }] + [eqn: { 1} over {2 }] ln[eqn: { 3□/2 + 2h} over {□/2 + 2h}])-----------------(3)

여기서,

R : 접지 저항(□)

□: 대지 저항율(□·m)

□: 접지봉 길이(m)

d : 접지봉의 외경(m)

h : 지표면으로부터 접지봉 상단까지의 깊이(m)

□ 매설 접지판

(ⅰ) 수평 매설의 경우

R □[eqn: { □} over {8r }]+ [eqn: { □} over {8□h }](1 -[eqn: { 7} over {48}]·[eqn: { r□} over {h□ }])----------------------------(4)

(ⅱ) 수직 매설의 경우

R □[eqn: { □} over {8r }]+ [eqn: { □} over {8□h }](1 -[eqn: { 7} over { 96}]·[eqn: { r□} over {h□ }])-----------------------------(5)

여기서,

R : 접지 저항(□)

□: 대지 저항율(□·m)

r :[eqn: SQRT { ab/□}] (axb를 원으로 본 등가 반경)

a, b : 접지판의 종. 횡의 길이(m)

h : 지표면으로부터 접지봉 상단까지의 깊이(m)

③ 매설 지선의 경우

R = [eqn: { □} over {2□□ }] (ln [eqn: { 4□} over {d }] + ln[eqn: { □} over { h}]- 2 +[eqn: { 2h} over {□ }])---------------------(6)

여기서,

R : 접지 저항(□)

□: 대지 저항율(□·m)

□ : 매설지선의 길이(m)

d :  매설지선의 외경(m)

h : 지표면으로부터 접지봉 상단까지의 깊이(m)

④ mesh 접지

접지판 환산 접지 저항치로서 田中의 공식을 이용한다.

R □[eqn: { □} over {2□t }] ln [eqn: { r+t} over {r }] ---------------------------------------(7)

여기서,

R : 접지 저항(□)

□: 대지 저항율(□·m)

t : 메쉬 매설 길이(m)

r : A를 메쉬 포설 면적(m□)로 볼 경우 A=2□r□에서  r을 구한다.

즉, A를 반구의 표면적과 등가가 된다.  r ≫ h

(5) Chemi- Earth의 지속정(8)

케미 어스의 低減 效果와 그 장기 持續性을 확인하기 위하여 대지 저항율이 높은 후지산(富士山) 지역의 山梨縣 南都留郡 山中湖 山中 千葉大學 氣候醫學 연구실 구내에서 케미어스 처리에의한 장기간 시험을 실시하였다. 심타 접지극의 처리는 2 개의 타설 접지극에 대하여 실시 하였다. 각각의 기준에 의해 0.7m 굴착 후, 연결식 접지봉을 3본 연결하여 타설하였다.

저감제 처리 전에 접지 저항계에의해 접지 저항을 측정한 후,  타설된 접지봉 중심에서 0.35m씩 이격하여 4개소에 지표에서 5m짜리 보링을 하였고 펌프를 이용하여 각 보링 hole에 케미 어스 480□를 각각의 hole에 주입 하였다. (그림- 9 참조)

그림- 9  주입 공법

그림- 10 매설 지선 공법

매설 지선 처리는 그림-10에 나타난 바와 같이, 길이 10m 깊이 0.7m 폭 0.4m의 두 개의 트렌치를 파서, 22mm2의 나동선을 포설하고 케미 어스 100□를 균등하게 주입하여 매설한 후

되메우기를 하였다.

저감제 미처리의 경우는 통상 접지 저항 저감에는 현저한 季節 變動과 經年 변화를 볼 수 있었다. (그림- 11, 그림- 12 참조)

그림- 12  월별 접지 저항치 변화

이것은 토양의 수분 함유율이 冬季에는 낮고 夏節期에는 높기 때문이다. 이에 비해서 저감제 처리한 접지극에서는 연간 접지 저항의 계절 변동이 억제되는 경향이 있다. 이것은 저감제의 보수성(保水性)이 우월한 케미 어스에 의해 연간 일정량의 수분이 전극 부근에 보유하게 되는 결과라고 생각한다.

지금까지 20년이상 경과 하였으나, 현저하게 저항치 증가는 발견되지 않고 있다. 저감 효과가 명확하게 지속되고 있다는 증거이다.

(6) 저감제의 安全性

케미 어스의  動·植物에 대한  藥害 試驗은 식물에 대해서는 단자엽 식물(稻: 벼) 및 쌍자엽 식물(小松菜, 大根)의 2 종류, 동물에 대해서는 mouse를 선택 하였다.

(ⅰ) 식물 약해 시험

약 液(硬化 前 배합액)과 생성 겔 추출액을 각종 농도로 조종하여 토양 표면에 살포 처리 후 새싹의 발아 경과, 지상부, 지하부의 수확물 조사(길이, 무게, 건조 상태 등) 하였으나, 0.1%의 농도에서는 모든 시작물에 害가 없었다.

(ⅱ) 동물 약해 시험

ddYS 계 마우스(20g)의 1 군 10 마리에 0.05%, 0.5%, 5% 농도의 저감제를 1회/일/ 0.5mg 경구 투여하여 1 주일 동안 관찰하였으나 이상은 없었으며 또한 모든 실험 쥐에 대한 부검에 의해서도 각각의 장기에 이상 소견을 발견할 수 없었다.

4. 結言

접지는 다양한 저항율을 갖는 대지와 有限한 空間을 대상으로 하기 때문에 접지 설계 및 시공을 계획적으로 실시하기에는 곤란하여 경험적 요소가 아직까지는 많이 좌우 되고 있는 分野라고 보여진다.

최근은 접지 저항 저감제가 여러 종류로 제품화 되어 있으나 폴리머 계의 접지 저항 저감제의 2∼3 종류는 20년간 이상 사용 실적이 있다.

접지 저항 저감제의 성능 기준이 되는 시험 방법에 대한 기준안 마련이 이번 전기 설비 학회지의  특집호에 다루게 된 것을  계기로 촉진 되기를 바라마지 않는다.

參考 文獻

1) I. H. Sanik ; Bull Schweiz Elecrotechn, 44, Nr. 25, S. 1052 (1953)

2) R. J. Clark and B. O. Watkins: A. I. E. E. Power App. and Syst., No. 51,

p. 1016(1960)

3) 川瀨, 淵田, 飯森; 전설공업 Vol. No 18, No. 1 (1972) p.113

4) G. F. Tagg ; Earth Resistance ; George Newnes Limited (London) (1964)

5) 特公昭 47-40624

6) 新壓; 전기 계산 Vol.41, No. 1 (1973) p. 90

7) 접지 저감에 관한 연구(제2차 중간 보고서) ; 關西 電力 종합 연구 자료, 1669년 8월

8) 山□, 川瀨, 淵田 ; 1969년 電氣學會 동경지부 대회 279

편집자 주:

著者 : 飯森 博 : 日本 三井 動壓 化學(株) 綜合 硏究所