KR100610604B1

KR100610604B1 - 탄소 저저항 접지 모듈과 그 제조방법

Info

Publication number: KR100610604B1
Application number: KR1020050010566A
Authority: KR
Inventors: 박성우; 정용기; 이강수
Original assignee: (주)의제전기설비연구원
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2006-08-09
Also published as: KR20060081320A

Abstract

본 발명은 탄소 저저항 접지 모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비금속 재료를 위주로 하는 접지체로서, 전기 전조성 및 안정성이 우수한 비금속광물과 전해물로 구성되어 건축물의 피뢰접지, 정전 방지 접지, 교류 접지, 직류 접지, 안전 보호 접지 및 기타 다른 목적의 접지체로 사용 가능한 탄소 저저항 접지 모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.

접지, 접지체, 탄소 저저항체,

Description

탄소 저저항 접지 모듈과 그 제조방법 { A carbon low-resistance grounding module and the method of the same}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소 저저항 접지 모듈의 제조공정을 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 탄소 저저항 접지 모듈의 사시도.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 탄소 저저항 접지 모듈의 부분 단면 사시도.

도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 탄소 저저항 접지 모듈의 사시도.

도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 탄소 저저항 접지 모듈의 부분 단면 사시도.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 탄소 저저항 접지 모듈을 구성하는 저저항체 봉의 시료를 전자현미경으로 촬영한 사진.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100,200 : 금속재 심봉 150,250 : 저저항체 봉

255 : 관통구멍

일반적으로 접지봉으로 사용되는 철제 앵글, 쇠 파이프, 동봉, 동판은 안정성이 떨어지며, 특히 산악지형의 암반 토양에서는 접지 저항을 떨어뜨리기 어려운 특성을 가지고 있다. 즉, 산악지역, 암반, 모래 토양 지역의 경우에 일반적으로 몇십 미터를 천공하는 접지 보링 기법을 채택하는데, 암반 지역에서는 접지봉을 깊게 매설해도 접지 저항치가 크게 내려가지 않으며 또한 막대한 비용이 들어감에도 불구하고 접지 보링 기법에 의한 효과가 크지 않아 비경제적이라는 문제가 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 강력 한 수분 흡수력과 습도 유지력 및 낮은 접지 저항치를 제공하는 탄소 저저항 접지 모듈 및 그 제조방법을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 반복적인 강한 낙뢰전류에도 저항이 증가하지 않으면서 경화, 깨짐 및 부스러짐이 없는 탄소 저저항 접지 모듈 및 그 제조방법을 제공하고자 함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 기존 접지 저항저감제보다 성능이 우수하며 영하 40도씨의 온도 변화에서도 특성 변화가 적으면서 산 정상의 암반 지역에서 심타 공법이 아닌 지표면 시공에서도 낮은 저항치를 확보할 수 있는 탄소 저저항 접지 모듈 및 그 제조방법을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 탄소 저저항 접지 모듈 제조 방법은, 탄소 저저항 접지 모듈의 제조 방법에 있어서, 탄소 저 저항체를 제조하는데 필요한 원료 분말들의 조성을 설계하는 탄소 저 저항체 조성 설계단계와; 상기 설계된 조성에 맞게 원료 분말들을 준비하는 단계와; 상기 준비된 원료 분말들을 소정 시간동안 혼합한 후, 그 혼합 원료분말들에 소정량의 물을 섞어가며 소정시간 동안 반죽하는 단계와; 중앙에 금속재 봉심이 설치된 성형 틀에 상기 반죽된 혼합 원료 반죽을 충진 시킨 후, 상기 성형 틀을 제거하여, 그 중앙에 금속재 봉심이 박혀진 탄소 저 저항체로 이루어진 탄소 저저항 접지 모듈을 얻는 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 원료 분말들에는, 주성분으로 나노입자의 흑연과 보통입자의 흑 연(graphite), 방해석(calcite) 및 도전성 시멘트를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 혼합된 원료분말들에 공급되는 물의 양은 원료 분말의 부피와 대비하여 35~45% 범위 내에 있는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 탄소 저 저항체는, 49.4~54.6wt%의 C, 21.85~24.15wt%의 O, 10.26~11.34wt%의 Ca, 5.795~6.405wt%의 Si, 2.945~3.255wt%의 Al을 포함하는 것이 바람직하다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 탄소 저저항 접지 모듈은, 전도성 금속재의 긴 심봉과, 상기 심봉이 그 중앙에 박혀진 구조를 갖는 저저항체가 일체로 성형되어 이루어지고, 상기 저저항체는, 49.4~54.6wt%의 C, 21.85~24.15wt%의 O, 10.26~11.34wt%의 Ca, 5.795~6.405wt%의 Si, 2.945~3.255wt%의 Al을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 저저항체는, 1.71~1.89wt%의 Fe, 1.33~1.47wt%의 Ni, 0.95~1.05wt%의 Na를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 저저항체는 두께가 얇은 사면체 형상을 가지며, 상기 심봉은 구리로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 저저항체는 육면체 형상을 가지며 상기 심봉이 박힌 중앙부 주위에 적어도 하나의 관통구멍이 길이방향으로 형성되어 있고, 상기 심봉은 구리로 이루어져도 된다. 상기 저저항체는 그 육면체 형상의 그 둘레 방향에서 등 간격으로 그 단면이 반원형을 가진 6개의 골이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 탄소 저저항 접지 모듈 및 그 제조 방법의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 탄소 저저항 접지 모듈의 제조방법에 대한 공정 흐름도이다.

동 도면에 도시한 바와 같이, 다양한 조성 변화에 따른 탄소 저 저항체의 저항 특성을 알아보기 위해서는 원료분말들을 다양하게 혼합해 본다. 이러한 과정을 거쳐 소망하는 탄소 저 저항체에 대한 원료 분말들의 조성을 설계한다(단계 S100). 그후, 이러한 저 저항체 원료 분말들에 대한 조성에 근거하여 원료 분말들의 배합비를 측정한다(단계 S110). 여기서, 이러한 배합비 측정에서 오차는 1.0% 이하를 유지시켜야 한다.

본 실시예에서는 원료 분말의 조성은 다음과 같다.

원 료 명	조 성 비
흑 연	45%
방 해 석	30%
도전성 시멘트	15%
산 화 철	2%
산화아연	2%
석 회 암	3%
기 타	3%

여기서, 흑연은 나노입자 흑연 분말과 보통입자 흑연 분말로 구성된다.

그후, 상기 단계 S110에서 측정된 원료분말들을 혼합기에 넣은 후에 소정 시간 동안(예를 들면 3~15분, 바람직하게는 5분 동안) 혼합기를 가동하여 상기 원료분말을 잘 혼합한 다음, 상기 혼합기에 물을 공급하여 상기 혼합된 원료분말들을 반죽한다. 여기서, 상기 공급되는 물의 양은 원료 분말의 부피와 대비하여 35~45% 정도이면 바람직하고 40% 정도인 것이 더욱 바람직하다. 상기 혼합기에 바람직한 양의 물을 공급한 후에도 소정 시간(예를 들면 5~25분, 바람직하게는 15분 정도) 더 반죽을 한다(단계 S120).

이어서, 상기 혼합된 원료를, 특정 형상의 성형 틀에 넣는다(단계 S130). 여기서, 상기 성형 틀의 중앙부에는 금속재의 심봉이 고정되어 있다. 성형 틀 안에 상기 혼합 원료가 잘 공급되도록 하여야 하며, 상기 혼합 원료를 상기 성형 틀에 가득 채운 후 압출을 시작하여 상기 성형 틀이 서서히 상승하도록 한다.

그후, 상기 성형틀을 제거하고(단계 S140), 중앙에 금속재 심봉이 박혀진 저 저항체로 된 탄소 저저항 접지 모듈에 대하여 1차 외형 검사를 실시한다(단계 S150).

이어, 상기 1차 외형 검사를 통과한 탄소 저저항 접지 모듈에 대하여 소정의 시간동안 상온에서 대략 7일 정도 동안 양생 기간을 거친다(단계 S160).

그후, 상기 양행 기간을 거친 탄소 저저항 접지 모듈에 대하여 2차 외형 검사를 실시한다(단계 S170). 여기서, 상기 외형검사는 모듈의 저저항체 파열이나 손상이 있는지, 금속재 심봉의 양단에 찌꺼기가 있는지 부식이 있는지, 또한 모듈의 금속재 심봉 및 저저항체의 길이가 규격에 맞는지 등을 검사한다.

이어, 상기 2차 외형 검사를 마친 탄소 저저항 접지 모듈에 대하여 본체 양단의 직류 저항을 측정하여 그 측정 저항이 규격에 맞아야 한다. 이 측정 직류 저항 규격은 후술하는 도 2 및 도 3의 실시예에 따른 탄소 저저항 접지 모듈에 대하여는 측정 저항이 310오옴 이하인 것이 바람직하고, 도 4 및 도 5의 실시에에 따른 탄소 저저항 접지 모듈은 150오옴 이하인 것이 바람직하다.

상기와 같이 제조한 수십개의 탄소 저저항 접지 모듈에서 금속재의 심봉을 제외한 저저항체에 대하여 성분 분석을 하였고 그 결과는 표 1과 같은 결과를 얻었다.

[표 1]

성분	구성비(wt%)	비고
C	49.4~54.6
O	21.85~24.15
Ca	10.26~11.34
Si	5.795~6.405
Al	2.945~3.255
Fe	1.71~1.89
Ni	1.33~1.47
Na	0.95~1.05
기타	0.76~0.84

또한, 상기와 같이 제조된 모듈의 저저항체 시료를 광학 현미경으로 촬영한 결과 사진을 도 6a 및 도 6b에 나타내었다. 도 6a는 완성된 탄소 저저항 접지모듈에 대한 입체 현미경 사진으로서, 사진 안의 어두운 색상의 물질은 나노 입자 흑연 및 보통 입자 흑연이다. 그리고 도 6b는 탄소 저저항 접지모듈에 대한 편광현미경 사진으로서, 사진 안의 어두운 색상의 물질은 나노입자 흑연 및 보통입자 흑연이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 탄소 저저항 접지 모듈의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 탄소 저저항 접지 모듈의 부분 단면 사시도이다.

동 도면들에 도시한 탄소 저저항 접지 모듈은 두께가 얇은 대략 사면체의 저저항체(150)의 중앙에 금속재의 심봉(100)이 박혀 있는 형상을 가지고 있는 것이다. 여기서, 상기 심봉은 구리와 같은 고 전도체로 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 저저항체는 상기 표1에 나타낸 성분 조성을 만족하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 저저항체(250)가 길이와 폭이 거의 같은 형상으로 되어 있어 넓은 표면적을 가짐에 따라 지면에 매립되었을 때 수분 흡수력과 습도 유지력을 향상시킬 수 있다.

본 실시예에 따른 접지 모듈은 산악 지형에 적합한 것으로, 상온(17도씨)에서의 고유저항은 3.5오옴 이하인 것이 바람직하다. 본 실시예에 따른 단일 모듈을 수평 방향으로 매립할 경우 접지저항(Rj)은 다음의 식 1에 의하여 구할 수 있으며 그 값은 0.13~0.2의 범위 내에 있는 것이 바람직하며, 0.15~0.17의 범위에 있는 것이 더욱 바람직하다.

[식 1]

여기서,

는 지층에 매립되는 저항률(

)이고, a 및 b는 저저항체의 길이 및 폭(m)이며, Mo는 모듈의 조정계수로서 본 실시예의 경우 0.33이다.

본 실시예에 따른 접지 모듈에 대하여 고유저항(오옴)과 저항률(

)은 상온 17도씨에서 평균 5.8과 0.58로 측정되었고, 영하 20도씨에서 평균 8.8과 0.88로 측정되었으며, 영하 40도씨에서 평균 13.2와 1.32로 측정되었다.

또, 본 실시예에 따른 접지 모듈은 뇌 서지 파형을 모델링한 스위칭 서지파형을 인가하여 기존동봉과 비교 실험한 결과표에서 보는 바와 같이 뇌서지 전압을 가감시키고 방전전류를 증가시키는 것으로 확인되었다.

도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 탄소 저저항 접지 모듈의 사시도이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 탄소 저저항 접지 모듈의 부분 단면 사시도이다.

동 도면들에 도시한 탄소 저저항 접지 모듈은 대략 육면체에 그 둘레 방향에서 등 간격으로 그 단면이 반원형을 가진 6개의 골이 형성되어 있으며, 그 중앙부에 금속재의 심봉(200)이 박혀 있으며, 그 심봉 주위에 등간격으로 세개의 관통구멍(255)이 길이방향으로 형성되어 있는 저저항체(250)로 이루어져 있다. 여기서, 상기 심봉은 구리와 같은 고 전도체로 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 저저항체는 상기 표1에 나타낸 성분 조성을 만족하는 것이 바람직하다. 여기서, 관통구멍(255)은 지면에 매립되었을 때 수분 흡수력과 습도 유지력을 향상시키기 위한 것이다. 또한, 상기 저저항체(250)에 길이방향으로 형성된 골도 그 표면적을 증가시켜 지면에 매립되었을때 수분 흡수력과 습도 유지력을 향상시키기 위한 것이다.

본 실시예에 따른 접지 모듈은 일반적인 지형에서 예를 들면 통신 기지국 등에 적합한 것으로, 상온(17도씨)에서의 고유저항은 4.0오옴 이하인 것이 바람직하다. 본 실시예에 따른 단일 모듈을 수직 방향으로 매립할 경우 접지저항(Rj)은 다음의 식 2에 의하여 구할 수 있으며 그 값은 0.8~0.14의 범위 내에 있는 것이 바람직하며, 0.1~0.12의 범위에 있는 것이 더욱 바람직하다.

[식 2]

여기서,

는 지층에 매립되는 저항률(

)이고, L은 저저항체의 길이(m)이며, Mo는 모듈의 조정계수로서 본 실시예의 경우 0.33이고, d는 접지모듈의 직경(m)이며, h는 접지모듈의 매립 깊이이다.

)은 상온 17도씨에서 평균 9.9과 0.99로 측정되었고, 영하 20도씨에서 평균 54.3과 5.43으로 측정되었으며, 영하 40도씨에서 평균 47.9와 4.79로 측정되었다.

상기한 도 2 및 도4에 도시한 바와 같이 구성된 탄소 저저항 접지 모듈은 수직매설이나 수평매설이 가능하고 매설깊이는 0.6m보다 작아서는 안된다. 일반적으로 0.8m~1.0m 정도가 적당하다. 몇 개의 모듈을 병렬 연결할 때는 모듈간 거리가 4m보다 작아서는 안된다. 만약 여건이 맞지 않을 때는 적당한 간격으로 늘인다. 저 저항 접지모듈의 극심을 서로 병렬 연결하거나 접지선과 연결할 때 반드시 용접으로 연결하고, 반드시 같은 종류의 금속재료를 사용하여 용접함으로써 연결의 확실성을 보장한다. 용접의 길이는 100mm을 넘어서는 안되고 틈이나 공간이 생겨서는 안된다. 용접 부위는 깨끗하게 처리하고, 방부도료를 발라서 부식을 막는다. 그리고, 탄소 저저항 접지 모듈의 보존은 항상 검사를 하고 일정한 습도를 유지하며, 고온과 건조 및 직사광선을 피하도록 한다. 탄소 저저항 접지모듈의 운송과 설치시에 접지 모듈의 기계적인 손상을 피하고 매설위치를 선택할 때는 화학적인 부식이나 고온의 영향을 받을 수 있는 곳을 피하여야 한다. 흙을 다시 뭍을 때는 적당한 수분 층으로 다지고, 저저항 접지모듈이 수분을 흡수할 최소 72시간 정도의 시간이 지난 후에 접지저항을 측정한다. 시공 10일 후에 측정하는 것이 가장 합리적이다. 한랭지역에서는 모듈을 동토 층 이하에 매설하도록 한다.

한편, 본 발명은 상기한 특정 실시예들에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 변형 및 수정하여 실시할 수 있는 것이며, 첨부하는 특허청구범위에 기재된 범주에 포함되는 것이라면 본 발명에 속하는 것이라는 것은 본 발명 분야에 통상의 지식들 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 강력한 수분 흡수력과 습도 유지 력 및 낮은 접지 저항치를 제공할 수 있으며, 반복적인 강한 낙뢰전류에도 저항이 증가하지 않으면서 경화, 깨짐 및 부스러짐이 없으며, 기존 접지 저항저감제보다 성능이 우수하며 영하 40도씨의 온도 변화에서도 특성 변화가 적으면서 산 정상의 암반 지역에서 심타 공법이 아닌 지표면 시공에서도 낮은 저항치를 확보할 수 있는 우수한 탄소 저저항 접지 모듈을 제공할 수 있다.

Claims

탄소 저저항 접지 모듈의 제조 방법에 있어서,

탄소 저 저항체를 제조하는데 필요한 원료 분말들의 조성을 설계하는 탄소 저 저항체 조성 설계단계와;

상기 설계된 조성에 맞게 원료 분말들을 준비하는 단계와;

상기 준비된 원료 분말들을 소정 시간동안 혼합한 후, 그 혼합 원료분말들에 소정량의 물을 섞어가며 소정시간 동안 반죽하는 단계와;

중앙에 금속재 봉심이 설치된 성형 틀에 상기 반죽된 혼합 원료 반죽을 충진 시킨 후, 상기 성형 틀을 제거하여, 그 중앙에 금속재 봉심이 박혀진 탄소 저 저항체로 이루어진 탄소 저저항 접지 모듈을 얻는 단계를 포함하여 이루어지며,

상기 원료 분말들에는, 주성분으로 나노입자의 흑연과 보통입자의 흑연(graphite), 방해석(calcite) 및 도전성 시멘트를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 저저항 접지 모듈 제조 방법.
제 1항에 있어서,

상기 혼합된 원료분말들에 공급되는 물의 양은 원료 분말의 부피와 대비하여 35~45% 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 탄소 저저항 접지 모듈 제조 방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 탄소 저 저항체는, 49.4~54.6wt%의 C, 21.85~24.15wt%의 O, 10.26~11.34wt%의 Ca, 5.795~6.405wt%의 Si, 2.945~3.255wt%의 Al을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 저저항 접지 모듈 제조 방법.
전도성 금속재의 긴 심봉과, 상기 심봉이 그 중앙에 박혀진 구조를 갖는 저저항체가 일체로 성형되어 이루어지고,

상기 저저항체는, 49.4~54.6wt%의 C, 21.85~24.15wt%의 O, 10.26~11.34wt%의 Ca, 5.795~6.405wt%의 Si, 2.945~3.255wt%의 Al을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 저저항 접지 모듈.
제 4항에 있어서,

상기 저저항체는, 1.71~1.89wt%의 Fe, 1.33~1.47wt%의 Ni, 0.95~1.05wt%의 Na를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 저저항 접지 모듈.
제 4항 또는 제 5항에 있어서,

상기 저저항체는 두께가 얇은 사면체 형상을 가지며, 상기 심봉은 구리로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소 저저항 접지 모듈.
제 4항 또는 제 5항에 있어서,

상기 저저항체는 육면체 형상을 가지며 상기 심봉이 박힌 중앙부 주위에 적어도 하나의 관통구멍이 길이방향으로 형성되어 있고, 상기 심봉은 구리로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소 저저항 접지 모듈.
제 7항에 있어서,

상기 저저항체는 그 육면체 형상의 그 둘레 방향에서 등 간격으로 그 단면이 반원형을 가진 6개의 골이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소 저저항 접지 모듈.
전도성 금속재의 심봉과, 상기 심봉이 박혀진 구조를 갖는 저저항체가 일체로 형성되어 이루어진 탄소 저저항 접지 모듈에 있어서,

상기 저저항체는, 흑연, 방해석, 도전성 시멘트, 산화철, 산화아연, 석회암 분말 및 불가피한 불순물을 혼합하여 소결함으로써 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소 저저항 접지 모듈.