접지저항 저감법

접지공사를 하는 장소에 따라 접지전극을 충분히 포설하여 소요접지 저항을 얻는 경우가 있다. 접지저항은 대지저항률의 대소에 따라 좌우된다. 따라서 접지공사지점의 토양에 화학적 처리를 시행하여 대지저항률을 낮추어서 접지저항을 감소하는 것을 고려한다. 이와 같이 화학적 처리를 하는 것이 접지저감제이다.

저감제로서는 여기서 합류된 화학성분에 따라서 여러가지가 개발되고 있다. 여기서는 저감제의 화학처리 모델의 이론적인 검토로서 구비하여야 할 조건으로 기본적 사항을 설명하고자 한다.

1.저감제의 구상

접지저항을 낮추기 위하여 전극부근에 소금물을 뿌리거나, 목탄불말을 채우는 방법은 옛부터 많이 사용하여 왔다. 이것은 접지전극을 유사접지도체로 본다는 것과 대지저항률을 인위적으로 작게 한다는 두 가지 관점에서 출발하고 있는 것이다.

접지저항은 대지저항률, 전극모양 및 크기의 함수이면 대지저항률을 작게하거나 전극의 크기를 크게 하면 접지저항은 감소한다.

그림 1-1 저감제 처리방법

유사접지도체란 그림 1-1(a)와 같이 전극의 겉보기 반지름을 더한 상태를 말하며, 토양에 소금물을 주입한다는 것은 대지저항률을 작게 한다는 것을 뜻하고있다.(그림 1-1(b)) 그런데, 소금물이나 목탄 등을 사용하는 방법에는 다음과 같은 결점이 있다. 즉 소금물을 주입하는 방법은 일시적인 효과는크나 빗물이나 지하수 흐름 등에 의해 사라져 버려 연속적인 효과를 기대할수 없고, 목탄을 채우는 방법은 전극재질이 구리일 때 침식작용을 일으켜 최악의 경우는 접지선의 전선사고를 유발하기도 한다.

저감제의 개발은 토목공사에 사용하고 있는 토질안정처리제에 힌트를 얻어 이에 도전성 물질을 첨가제로 혼합하여 접지저항 저감제로 한 것인데 대지저항률을 화학적으로 작게 하는 저감제에는 비교적 고유저항이 작은 도전성 물질이 사용된다. 대표적인 물질로는 토양과의 접착력이 약할뿐더러 물에 녹기 쉽고 확산하여 지속성이 없다. 오늘날에는 이러한 결점을 보완하고 또한 물리적, 화학적으로 뛰어난 저감제가 개발되어 왔다.

그림 1-2 화학처리의 모델

2.저감제 처리의 이론적 검토

토양에 화학적 처리를 하는 경우의 모델을 생각해 보자. 여기서는 저감제의 화학처리 모델로서 반구상 전극, 타원체상 전극을 사용하는 경우에 설명하기로 한다.

(1)처리모델

그림 1-2(b)와 같이 반지름r₁의 반구상 전극이 저항률이 다른 2개의 축으로 싸여 있다고 하자. 여기서 각 층은 각각 그 속에 있어서 동질이고, 이들의 경계는 전극과 동심이며 이들의 경계는 전극과 동심의 반구로 한다. 또 경계의 반지름을 r₂, 안쪽층의 저항률을 ρ₁으로 하고 바깥층은 무한원점까지 이어져 그 저항률을 ρ₂로 하여 r₁까지를 접지전극, r₁에서 r₂까지를 화학처리를 한 부분이라 가정한다.

그림 1-2(a)에서 전극의 접지저항 R1은 전극표면 R1에서 무한원점까지의 합성 저항이므로 다음 식으로 나타낼 수있다.

그림(b)의 전극의 접지저항R₁은 전극표면 r₁에서 r₂까지의 저항과 r₂에서 무한원점까지의 저항을 직렬이라고 볼 수 있으므로 다음 식으로 표현된다.

즉, 가정모델에 있어서 R₁은 화학처리를 하지 않은 경우에 해당하고, R₂는 ρ₁의 도전성 물질로 화학 처리한 경우에 해당한다.

R₁과R₂의 비를 보면, 식에서 ρ₁<ρ₂ 이면,

가 된다.

이와같이 같은 전극 근처의 저항률 ρ₁을 주위의 대지저항률ρ₂에 비해 아주 낮게 해주는 것이 접지저항을 감소시키는 하나의 방법임을 알 수 있다.

즉, 위 식이 뜻하고 있는 것은 전극이 r₁에서 r₂까지 확장한 것에 해당하여 이를 유사접지체에 의한 접지저항이라 할 수 있다.

그림 1-3 저감제 시공법

(2)처리모델Ⅱ

저감제의 시공법에는 여러가지 방법을 생각할 수 있으나 여기서는 회전타원체를 이용하여 가장 유효한 시공형상을 보기로 하자.

그림1-4 전극모양과 접지저항

회전타원체 전극계의 접지저항 계산식은 앞에서 소개한 바 있으나 그 식의 전극반지름 r, 길lI의 제원은 전극의 체적(V=4πr²l/3)이 일정하다는 조건에서 여러가지 경우의 r과l을 결정하도록 했다. 예를들어 반구상 전극을 기준으로 하여 그 반지름을 1[m]라 하면, 체적은4π/3[m]³가 되고 이것은 같은 체적의 편평상 전극은(r=5, l=0.04[m]), 편장상 전극은(r=0.5, l=4[m])가 된다.

이들의 r과 l을 접지저항 계산식에 대입해서 반구상 전극과 비교해 보면 그림 1-4와 같이 된다.

이 그림에서 수평축은(l/r)이고, α=1이 반구, α<1이 편평, α>1이 편장의 저극을 나타내며 수직축은 R/R0이며 반구상 전극의 접지저항과 회전타원체 계의 접지저항 R과의 비를 나타내고 있다.

이그림 1-4에 의하면 같은 체적, 즉 감소제의 사용량이 같은 경우 접지저항은 반구상이 가장 크고 편평, 편장으로 됨에 따라 작아지는데 편평과 편장을 비교하면 편장쪽이 작다. 즉, 저감제의 시공모양은 편평보가 편장형으로 하는 쪽이 유리하다고 할 수 있으며 그림 1-3의 답은 (b)이다

이상과 같이 두개의 모델을 검토한 결과 여기서는 저감제가 있는 타입을 가정한 것으로서 저감제가 토양중에서 게르화(고체와 액체의 중간상태)로서 어느 정도의 모양을 갖고 있는 것으로 보고 있다.

3. 저감제가 구비해야 할 조건

저감제를 사용할 때는 다음 항목을 만족해야 할 필요가 있다. 즉,

1. 안전할 것
2. 전기적으로 양도체일 것
3. 지속성이 있을 것
4. 전극을 부식시키지 않을 것
5. 작업성이 좋을 것

등인데, 1은 공해에 대하여 2,3은 감소효과에 대하여 4,5 는 관리, 경제효과에 대해 각각 고려해야 할 문제를 내포하고 있다. 다음은 이들 항목에 대해 기술 하기로 한다.

(1)안전성

접지저항은 화학적 처리를 한 것이기 때문에 사람과 가축, 식물에 대한 안전성이 염려되는데 토양을 오염시켜 생명체에 유해한 것을 사용해서는 안된다. 원래 토양의 오염원인이 되는 물질에는 카드뮴이나 동으로 대표되는 바와 같이 그 물질이 토양에 함유된 경우에 확산, 분해되지 않고 장기간 잔류해서 영향을 미치는 것이 있다. 오염원인 물질에는 아연 등의 중금속류, PCB(폴리염화비닐)등의 유기화합물이 있고 이 밖에 질소 및 그 화합물, 황산염 등도 토양 속에 다량으로 유입했을 경우에는 토양오염의 원인이 된다. 또 황산소다와 같은 무기화합물은 중금속류와 비교해서 토양 속에서 축적성은 적으나 다량인 경우가 위험하다.
그런데 여기서 저감제의 뿌리가 볼 수 있는 토질안정처리제에 대해 약간 언급하면 안정처리법은 다음과 같이 분류된다.

1. 폴트랜드 시멘트에 의한 방법
2. 석회 혹은 석회·플라이아슈에 의한 방법
3. 역청재에 의한 방법
4. 화학적 재료에 의한 방법

처리제에 쓰이는 첨가제의 효과는 크게 나누어 흙의 접착효과(흙입자간의 접착제로서 사용한다)와 흙의 함수량조절효과(흙입자에 작용하는 것으로 보수와 방수제가 있다)가 있는데 이 첨가제에는 여러가지가 있으나, 주된 성분으로 무기질에는 폴트랜드 시멘트, 소석회, 규산(소다)황산, 알루미늄, 탄산소다, 황산암모늄, 초산나트륨, 황산칼륨 등이 있다.

이들은 실험실에서 무해한 것일지라도 토양 속에서 다른 물질과 반응하여 유해한 물질로 될 수 있으므로 가급적이면 유기물질은 쓰지 않는 것이 바람직하다.

(2)도전성

저감제는 주위의 토양에 비해 저항률이 작다. 즉 도전도가 좋아야 한다. 접지저항 저감제로서 필요한 첫째 성분은 물을 다량으로 함유하고 또 이것을 쉽사리 빠지게 하지 않는 성분을 말한다. 이하 이러한 재료를 체류제라 부른다. 이 체류제로서 실제 쓰이고 있는 것에는 적토 및 벤트나이트(팽윤성이 풍부한 점토의 일종)가 있다.

이들 재료가 물을 함유했을 때의 저항률은 대략10[Ω·m]정도로 이며 고저항률 지대(10³[Ω·m]이상)저항률의 1/100정도이다(표1-1참조). 따라서 이들주가지 재료는 이것만으로도 나름대로의 감소효과를 얻을 수 있는데 이것에 전해액을 혼합하면 더욱 효과적이다. 저감제로서 필요한 도전도는 금속과 같을 필요는 없고 높은 것이 좋다.

물론 강전해질이라 해도 그 전기전도가 분자(이온)전도이기 때문에 자유전자에 의해 전기가 전도되는 금속에 비하면 그 저항률은 훨씬 높아 표 1-1과 같이 동이 10^-8[Ω·m] 정도의 저항률인데 비해 가장 좋은 전해액이라도 그 저항률은10^-2[Ω·m]정도이다. 그러나 이것이 합성수지를 이용한 체류제와 같이 사용하면 저항률이 올라가10^-1[Ω·m]정도이다. 그러나 고저항률지대의 저항률에 비하면 만분의 1이므로 접지저항 저감제로서의 효과는 충분히 기대할수 있다.

(3)지속성

접지전극에 저감제 처리를 한 경우 그 직후는 접지저항이 크게 감소하여 처리전보다 수십[%] 낮은 접지저항이 지속된다. 이것은 저감제가 완벽하게 효과를 나타내는 경우이다. 그러나 실제로는 저감제가 토양속에서 그성분이 츹어지거나 해서 효과가 감소되는 경우도 있다. 여기서는 어떤 겔모양의 저감제를 써서 감소효과가 지속되는 경우를 조사한 자료를 소개하고자 한다.

그림 1-5 실험지점의 대지구조

실험지점의 대지구조는 그림 1-5처럼 지표 아래 6[m] 정도의 대지저항률이 극단적으로 작은 곳에 있어서 이 지점에 막대모양 전극(길이5.3[m], 선모양 전극(길이10[m], 매설깊이0.75[m])을 포설해서 각기 저감제 처리를하여 접지저항의 경년변화를 살펴보았는데(그림 1-6 막대모양의 전극의 경우) 그림에서 전극 A는 100[%], B는 20[%]의 저항비를 나타내고 있다.

그림 1-6 막대모양 전극의 경년변화

이것은 처리효과가 나타난 것으로 처리후의 경년변화를 보면 약간 상하의 변화가 있고 점차 증가하는 경향을 볼수 있으나 처리전의 접지저항에 비하면 역시 낮다.

매설지선의 경우는 그림 1-7과 같다. 이 그림은 1년간의 계절변동도 함께 고려되고 있는데 처리전과 처리직후의 저항비는 19[%]이다.

이그림에서 A는 저감제 처리를 하지 않은 경우의 접지저항, B는 처리가 된 경우이다. 처리하지 은 경우 계절의 영향을 직접적으로 받고 있는 것이 뚜렷한 반면에 저감제로 처리한 전극은 1년을 통해서 거의 일정한데 그림 1-6과 그림 1-7을 보면 처리하지 않은 경우 어느 것이나 뚜렷하게 겨울에는 저항이 높고 여름에는 낮다. 이것은 토양의 수분함유율이 겨울에는 낮고 여름에는 높다는 것을 나타내고 있다.

이것에 대해 화학처리를 한 접지극은 접지저항이 계절변동의 영향을 거의 받지 않는다는 것을 알 수 있다.

그림 1-7 매설지선의 경년변화

(4)부식성

접지전극 줍ㄴ에 저감제를 처리한 경우는 그림 1-8과 같다. 접지전극이 저감제로 처리된 경우 부식은 일반적인 토양속에서의 부식과는 다음과 같이 그 양상이 다르다.

①보통의 토양은 그 물리적, 화학적 성질이 장소에 따라 현저하게 다르나 저감제인 경우 비교적 균질하게 유지되어 이것은 부식을 억제하는 효과를 갖는다.

그림 1-8 저감제 처리상황

②보통의 토양은 통기성이 있어 공기중의 산소가 전극 표면에 닿아 부식을 촉진하는데 저감제 처리를 한 경우나 겔의 존재로 통기성이 나쁘기 때문에 부식의 진행이 억제되는 효과가 있다.

③저감제 겔 속에 함유되어 있는 성분에 의해 복극작용 및 부동태피막의 파괴가 일어나 부식이 촉진된다.

이상과 같이 저감제 겔의 존재는 접지전극의 부식을 촉진하는 효과 억제하는 효과의 양쪽을 가지고 있다.

4.저감제 시공방법

저감제의 성상에 따라 저감처리의 효과를 유사접지체로서 또는 대지저항률의 감소를 위해 사용방법이 결정된다. 어떻든 저감제는 접지전극 부근에 시공하게 되는데 시공에 있어서 저감제의 시공향상은 편평보다 편장쪽이 유리하다. 물론 이것은 막대모양 접지전극을 위한 저감제를 유사접지체로서 이용하는 경우이다.

시공방법으로서 생각할 수 있는 것은 대별하여 유입법과 체류조법이 있으며 그림 1-9와 같다.

그림 1-9에서 유입법의 (a)는 막대모양 전극에 대한 것으로 타입할 구엄에 저감제를 유입하는 방법인데 토질에 따라서는 보링하는 경우도 있으나 이때에도 전극의 틈새에 저감제를 주입한다. (b)는 막대모양 전극 대신에 선모양, 띠모양 전극을 포설하는 경우로 보링공법으로 구멍을 뚫어 전극을 설치 한 후 그 속에 저감제를 유입시킨다. (c)는 전극 주위에 고리모양으로 홈을파서 그 속에 저감제를 유입시키는 방법이 있는데 이것을 구법이라 한다.

그림 1-9 시공방법

한편 체류조법(a)는 접지전극의 주위에 저감제를 넣어 되메우기를 하는데 구덩이의 바닥면, 벽면은 밀도가 큰 진흙 등으로 어느 정도의 수방을 하여 물의 침입을 막는 동시에 저감제가 흩어지는 것을 막는 역할도 갖게 한다.

또,(b)는 그물 모양 전극의 경우이다. 이상시공방법에 대하여 기술하였으나 그 방법에는 저감제 종류나 전극의 종류, 그리고 공사지점의 토질에 따라 다양하고 또 작업성이나 효과의 측면도 고려하여야 하므로 한마디로 어느 것이 좋다고 말할 수는 없다.