직류구간 누설전류에 의한 전식현상의 방지대책

Ⅰ. 검토 배경

□ 개요

◯ 전식현상이 가져올 수 있는 안전사고와 기간시설물의 소손 등을 사전 예방하여 잠재적인 Risk에 대비하고자 함.

Ⅱ. 정 의

□ 일반적 개념

◯ 용어 정리

- 부식(腐蝕) : 금속이 화학작용에 의해 광물로 돌아가려는 현상.

- 전식(電飾) : 금속에 전류가 흘러들어 부식하는 현상.

- 방식(防蝕) : 금속이 화학작용으로 부식되지 않는 현상.

<그림1> 부식의 종류와 정의

	구분	부식정도	전류흐름
	부식	녹 발생(少)	없음
	전식	녹 발생(多)	유출
	방식	녹 미발생	유입

□ 전식현상(핀홀현상)

◯ 전식현상의 발생 원리

- 전식은 금속체 표면에서 주변의 전해질로 전류가 유출되는 경우 금속체가 부식되는 현상이며, 패러데이 전기분해 법칙에 따름.

<그림2> 패러데이의 법칙으로 해석한 전식(電蝕)

* 패러데이의 전기분해 법칙

[eqn: W`=`k BULLET i BULLET t]  [kg]

· W : 석출량[kg]

· k : 전기화학당량[mg/A·sec]

· i : 통전전류[A]

· t : 통전시간[sec]

- 전식현상은 직류에서 발생하며, 교류에서는 거의 발생하지  않음.

<그림 3> 직류전기와 교류전기의 비교표

구 분		전식 여부	원 인
직류 (DC)		발생	- 전류방향 일정(주파수 없음) - 전류가 지속적으로 유출
교류 (AC)		거의 없음 (DC의 1%수준)	- 전류방향 주기적 변화(주파수 존재) - 실질적인 전자 유출입이 거의 없음

◯ 직류전기철도에서의 전식현상

- 직류전원으로 전기차를 구동시킨 후 레일을 통하여 변전소로 귀환하는 전류 중의 일부가 레일에서 대지로 누설됨. - ①

- 누설전류는 인근의 지중금속관로에 유입되어 직류변전소로 귀환하며, 전류의 유출지점에 전식이 발생함. - ②

<그림4> 직류전기철도의 누설전류 발생과 흐름

* 누설전류의 크기

[eqn: I _{1} =k BULLET i BULLET {r} over {R} BULLET L ^{2}]  [A]

· I1 : 누설전류 · k : 비례상수 · i : 궤도전류	· r : 단위길이귀선저항 · R : 궤도누설저항 · L : 변전소 간격

Ⅲ. 문제점

□ 전식의 영향

◯ 현황

- 도심의 미관향상과 안전상의 이유로 가스관, 상하수도관, 송유관등의 기간시설이 지중 매설되었으며, 일부 전식이 발생함.

◯ 문제점

- 전식에 대한 대책이 미흡한 경우, 직류전기철도에서 발생하는 누설전류에 의해 지하매설물 전식 발생하여 심각한 안전상의 문제와 재산상의 손해, 사회적인 이슈가 발생함.

<그림5> 전식으로 인한 상수도관, 도시가스배관 손상 사례

Ⅳ. 개선방안

□ 전철 측 대책

◯ 변전소 간격(L) 축소 ( I1 ∝ L2 )

- 변전소 간격을 축소하여 누설전류를 감소시키는 설계방법.

- 전압강하 및 전력손실도 감소 가능.

- 변전소의 수가 증가하므로 건설비, 유지비, 전력손실 등을  종합적으로 비교하여 경제적으로 방법으로 검토 필요함.

◯ 도상철근 배류 시스템

- 도상 콘크리트 내부의 철근을 레일과 전기적으로 연결.

- 누설전류를 포집하여 변전소로 귀환하는 시스템.(누설전류 I1 감소)

- 우리나라 지하철에 적용된 시스템.

◯ 누설전류 포집 시스템

- 지하철 변전소 주변에 누설전류포집시스템을 설치.

- 누설전류를 포집하여 변전소로 귀환하는 시스템.(누설전류 I1 감소)

◯ 차량기지/레일 절연 시스템

[eqn: {1} over {R}]      - 레일을 비접지 방식으로 시설, 차량기지와 전기적으로 절연.

- 레일과 배관간의 누설저항(R) 증대. ( I1 ∝   )

- 우리나라 지하철에 적용된 시스템.

<그림10> 도상철근배류 시스템

<그림11> 누설전류 포집 시스템

<그림12> 기지/레일 절연 시스템

□ 지중 매설체 측 대책

◯ 배류 시스템(선택배류, 강제배류)

- 지중 매설물과 레일에 배류기를 설치하여 전기적으로 연결.

- 누설전류를 전기적 경로를 통해 유출함으로써 부식을 방지.

- 우리나라 지하철에 적용된 시스템.

＜그림6> 선택배류 시스템

<그림7> 강제배류 시스템

◯ 희생양극 시스템

- 지중 매설물보다 이온화 경향이 큰 금속을 전기적으로 연결.

- 금속을 통해 누설전류를 유출하여 전식을 방지하는 시스템.

◯ 외부전원 시스템

- 외부전원을 지중 매설물에 연결.

- 외부전원의 전류를 소비하여 전식을 방지하는 시스템.

<그림8> 희생양극 시스템

<그림9> 외부전원 시스템

◯ 지중매설체 측의 시스템 비교

구 분	장 점	단 점
선택배류	- 전철 운행시 부식 방지 - 공사비, 유지비 저렴 우리나라 지하철에 적용	- 전철 미운행시 효용 없음
강제배류	- 효과범위 넓음 - 전철 미운행시에도 부식 방지 우리나라 지하철에 적용	- 타 매설물과 간섭 발생 - 통신장해 가능성 있음
희생양극	- 설치 간편 - 타 매설물과 간섭 없음	- 공사비 고가 - 주기적 유지보수 필요 - 강한 전식에 효과 없음
외부전원	- 효과범위 넓음 - 소모가 적어 유지보수 간편	- 공사비 고가 - 타 매설물과 간섭 발생

Ⅴ. 결론

□ 우리나라 직류전기철도의 경우 배류법, 도상철근배류법, 차량기지/레일 절연 시스템을 반영하여 운영 중임.

□ 누설전류에 의한 전식현상 대책은 다음과 같음.

◯ 철도 측의 대책 : 누설전류포집, 누설저항감소, 귀선저항감소, 변전소간격축소 등의 설계 반영이 필요.

◯ 지중 매설물 측 대책 : 배류법, 외부전원법 등의 반영이 필요.

□ 전식방지에 관련된 설계사항과 더불어 유관기관과의 긴밀한 협조와 철저한 사전조사가 가장 중요하다고 생각함.

Ⅵ. 참고문헌

□ 민응기, “직류 도시철도에서 누설전류로 인한 전식방지에 관한 연구”, 우송대학교 철도대학원 석사학위 논문, 2011.

□ 배정효, “지하철 누설전류에 의한 전식 대책 시스템”,

『조명·전기설비학회지』, 2008, pp.20∼32.

□ 이재영, “직류전기철도에서의 누설전류에 의한 전식방지에 대한 연구”, 서울산업대학교 철도전문대학원 석사학위 논문, 2006.