KR101095916B1 - 접지저항 저감제 조성물 및 이를 이용하여 형성한 접지저항 저감 경화체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 접지저항 저감제 조성물 및 이를 이용하여 형성한 접지저항 저감 경화체에 관한 것으로서, 이산화규소(SiO₂)가 다량 함유된 연탄재 50 ~ 60 중량%, 점토 10 ~ 15 중량%, 연탄재 45 ~ 50 중량%, 에틸렌글리콜 5 ~ 10 중량%, 황산구리(CuSO₄) 수용액 5 ~ 10 중량%, 폴리아닐린 15 ~ 20 중량% 및 도전성 필러 10 ~ 15중량%를 포함하는 조성물을 이용하여 접지저항 저감 경화체를 형성하는 것을 특징으로 하는 발명에 관한 것이다.

Description

접지저항 저감제 조성물 및 이를 이용하여 형성한 접지저항 저감 경화체{Composition of Earth Resistance Decreaser And Hardening Substance of Manufactured Using The Same}

본 발명은 접지저항 저감능력이 우수한 접지저항 저감제 조성물에 관한 것으로서, 환경적으로도 안정적이고 접지전극의 부식 및 주변토양의 오염도 방지할 수 있고, 접지시공 후 접지성능의 계절적 또는 경년변화가 발생하지 않도록 하는 기술에 관한 것이다.

접지는 눈에 보이지 않는 전류의 흐름으로부터 사고를 미연에 방지하기 위한 것이다. 그러나, 접지는 눈에 보이지 않으므로 그 중요성을 간과하기 쉽다. 또한 상시적으로 일어나는 사고가 아님에 따라 주먹구구식의 시공을 하고 있는 것이 현실이다. 그러나 접지가 불량할 경우 원인 규명이 어려운 사고가 빈번히 일어날 수 있으므로 상당한 주의가 필요하다. 또한 접지문제로 설비의 일시적인 고장이 발생하면 경제적 손실은 상당히 클 수 있으므로 세밀한 시공이 이루어져야 한다. 이러한 이유에서 접지전극의 설치가 중요시되고 있으며, 여기에 사용되는 접지저항 저감제의 중요성도 증가되고 있다.

접지시공은 설계에 따라 연결식 접지봉과 병렬접지 방식, 메쉬(Mesh) 시공, 보링(Boring) 시공, 심타공법등을 대지에 설치하게 된다. 그러나 대지의 흙은 그 특성상 많은 변수(Factor)를 가지고 있으므로, 요구하는 접지저항 값을 설계대로 얻는 것은 상당히 어려운 문제가 있다.

접지 저항값은 접지 전극의 길이, 단면적, 접촉면적, 매설 깊이와 밀접한 관계가 있다. 따라서 접지봉, 동판, 나동선을 이용하여 접지를 하는 경우 가능하면 크기가 큰 것으로 시공하는 것이 유리하다. 과거에는 패네트, 패럿어스와 같은 접지전극을 이용하여 접지저항을 쉽게 얻을 수 있었다. 그러나 최근에는 전기 설비의 발달로 인해 낮은 저항치를 요구함에 따라 패네트, 패럿어스와 같은 접지전극의 사용은 한계에 부딪히고 있다. 따라서 여러가지 방법으로 대지의 특성을 조사하여 접지공사 시공을 위한 설계를 하는데, 이렇게 설계가 되어도 요구 저항치를 얻는 것은 매우 어렵다.

아울러, 접지저항을 낮추기 위한 수단으로서는 접지전극을 길고, 크게 형성하거나, 양질의 대지를 선정하는 것이 중요하다. 그러나 양질의 대지를 선정하는 것은 시공 장소에 따라 상이하므로 어려움이 있다. 그리고 접지전극을 길고, 크게 형성하는 경우 공사비등의 부담이 가중됨에 따라 인위적인 접지저항 저감제의 사용이 중요시되고 있다.

인위적인 공법은 도전성물질 또는 화학적 전해질 물질을 접지극 주변의 토양속에 주입, 치환하여 토양의 고유저항율을 저감시키는 방법이다. 이 공법의 사고방식은 상당히 오래전부터 있어 왔으며 사용 물질로서는 염(소금), 황산 암모니아, 탄산소다, 카본분말, 벨라이트, 벤토나이트 등을 조합하여 사용하였다. 또한 일부에서는 잿가루, 숯, 분뇨, 흑연, 염화 칼슘, 염화 마그네슘, 코크스 등도 많이 사용되었다. 이러한 물질을 사용한 직후, 저항값은 확실히 낮아지지만 시간이 경과함에 따라 서서히 저항 값이 상승하여 1 ~ 2년이 경과하면 거의 효과가 없어진다. 그 원인은 토립자간의 공극에 이들 물질이 채워져 일시적으로 토양의 고유저항이 저하되나, 이들 물질에는 접착력이 없어 물에 녹기 때문에 빗물 또는 지하수 등에 의하여 쉽게 소멸되어 버리는 이유 때문이다. 또한 접지 전극이 금속인 경우는 부식의 원인이되므로 현재는 이러한 물질을 사용하지 않는다.

최근에는 이러한 단점을 해결하고자 도전성 재료를 혼합 한 새로운 저감제가 개발되었다.

제올라이트(Zeolite)를 활용한 방법이 있는데, 이는 기존 화학처리재인 아스론, 치코겔 등의 단점을 보완하여 시멘트와 도전재료, 무기 재료 등을 첨가하여 제조한다. 이들은 동봉, 나동선과 친화력을 가지므로 도체화하여 접지전극의 크기를 극대화시킬 수 있다. 또한, 제로라이트(ZeroLite)는 강한 알카리성을 띠므로 토양 또는 접지전극을 부식시키지 않고 안전하게 사용할 수 있다.

그러나 산업폐기물인 제올라이트는 유실될 경우 환경오염을 유발시킬 수 있는 문제가 있다. 또한, 시멘트의 경화 과정에서 접지전극 주변의 수분유지가 잘 이루어지지 않아 접지저항 저감능력이 오히려 감소되는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명은 인체, 환경, 공해 등에 안정적이고, 전기적으로 전해질 물질이거나 도체화된 것으로 반영구적인 지속 효과가 있고, 시공 및 작업성이 좋고, 접지극의 부식 및 침식성이 없는 새로운 형태의 접지저항 저감제 조성물 및 이를 이용하여 형성한 접지저항 저감 경화체를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 접지저항 저감제 조성물은 점토 10 ~ 15 중량%, 연탄재 45 ~ 50 중량%, 에틸렌글리콜 5 ~ 10 중량%, 황산구리(CuSO₄) 수용액 5 ~ 10 중량%, 폴리아닐린 15 ~ 20 중량% 및 도전성 필러 10 ~ 15 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 연탄재는 점토성분 및 이산화규소성분을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 도전성 필러는 금속 분말 또는 탄소 분말을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 금속 분말 및 탄소 분말의 입도는 0.5 ~ 2㎛ 인 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명에 따른 접지저항 저감 경화체는 상술한 접지저항 저감제 조성물을 혼합하여 타설물을 형성하고, 상기 타설물을 성형 및 양생시켜 제조된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 접지저항 저감제 조성물은 저저항 특성을 갖도록 함으로써, 겔 형상으로 접지전극에 공극 없이 부착되어 공극형성으로 인한부식이나 전식을 방지할 수 있으며, 환경적으로도 안정하여 저감제 자체로 인한 접지전극의 부식 및 주변토양의 오염도 방지할 수 있고, 접지시공 후 접지성능의 계절적 또는 경년 변화가 발생하지 않도록 하는 효과를 제공한다.

본 발명은 저항 저감제에 이산화규소가 다량 함유된 연탄재, 점토, 금속 분말 또는 탄소 분말 등을 첨가하여 우수한 저저항 특성을 얻을 수 있도록 한다.

이하에서는, 본 발명에 따른 접지저항 저감제 조성물의 각 성분별 특성에 대해 상세히 설명하는 것으로 한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

여기서, 각 조성물의 함량비로 표시되는 중량%는 본 발명에 따른 접지저항 저감제 조성물 총 중량에 대한 각 조성물의 함량비를 나타내는 것이다.

[점토 및 연탄재]

점토에 포함되는 이산화규소(SiO₂)는 주위의 수분을 흡착하는 역할을 한다.

여기에 수분흡착성 광물로서 제올라이트(Zeolite), 벤토나이트(Bentonite), 카올린(Kaolin) 등이 더 포함될 수 있는데, 특히 제올라이트는 1,000㎡/g의 넓은 기공 면적으로 수분을 흡착하거나 배출시키는 기능을 가지고 있기 때문에 계절에 관계없이 항상 일정한 온도와 습도를 유지하여 항상 일정한 접지저항을 유지시킬 수 있도록 한다. 이와 같이 점토에 포함되는 수분흡착성 광물들은 이온 교환능력이 우수하므로 접지 설비가 시공된 토양의 중금속 등을 잘 흡착할 수 있다. 따라서 토양 개량재로서 기능도 수행할 수 있는 환경 친화적인 재료이다.

상술한 기능을 수행하는 점토는 전체 접지저항 저감제 조성물의 10 ~ 15중량%만큼 첨가되는 것이 바람직하며 10중량% 미만 첨부되면 응집력이 약해지는 문제가 있을 수 있고, 반대로 15중량%를 초과할 경우 조성물의 무게가 증가하여 현실적으로 이용에 제한을 받는 문제가 발생할 수 있다.

상기 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 이산화규소가 다량 함유된 연탄재를 45 ~ 50중량% 만큼 사용하여 조성물을 완성한다. 연탄재에는 약 10%정도의 탄소 성분을 포함하고 있으며, 그 외에는 칼리와 이산화규소를 포함하는 황토 성분이 포함되어 있다. 따라서 연탄재를 사용하면, 점토의 장점을 살리면서도 조성물의 무게를 상당히 감소시킬 수 있는 장점이 있으며 친환경적으로 재활용하는 의미도 있으므로 매우 바람직하다.

[황산구리(CuSO₄) 수용액]

접지저항 저감제 조성물의 유동성을 유지하고, 조성물들의 결합을 용이하게 하기 위하여 물을 사용한다. 본 발명에서는 물 대신 황산구리 수용액을 사용함으로써, 물의 특성을 향상시키면서도 구리이온(Cu^{2 +})에 의한 접지저항 저감 특성을 향상시킬 수 있다.

황산구리(CuSO₄) 수용액은 전체 접지저항 저감제 조성물의 5 ~ 10중량%만큼 첨가되는 것이 바람직하며 5중량% 미만 첨부되면 유동성이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 반대로 10중량%를 초과할 경우 강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

[에틸렌글리콜(ethylene glycol)]

본 발명에 따른 에틸렌글리콜은 상기 황산구리 수용액의 유동 특성을 보조하면서도, 접지저항 저감제의 흡습성을 향상시킬 수 있도록 첨가한다.

에틸렌글리콜은 전체 접지저항 저감제 조성물의 5 ~ 10중량%만큼 첨가되는 것이 바람직하며 5중량% 미만 첨부되면 유동성이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 반대로 10중량%를 초과할 경우 흡습성이 지나치게 향상되어 강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

[폴리아닐린(Polyaniline; PANI)]

본 발명에서는 저항 저감제로 폴리아닐린을 사용하며, 전체 접지저항 저감제 조성물의 15 ~ 20중량%만큼 포함되도록 한다. 폴리아닐린은 전도성을 갖는 고분자 물질이다. 따라서, 종래의 아스론과 같은 저항 저감제로서의 역할도 수행하면서 합성하기가 쉽고 여러 가지 용매에 대한 용해도가 비교적 크며 양성자의 부가에 의해 전기전도도를 조절하기가 용이하여, 접지저항 저감제로서 적합하다. 또한, 도핑한 후에 높은 전기전도도를 보임은 물론 도핑 형태와 비도핑 형태 모두 열적 및 대기 안정성이 우수하다.

폴리아닐린이 15중량% 미만 첨부되면 부분적으로 접지 동봉의 접촉부에 부식이 발생하여 시일이 경과 후엔 접지저항 값이 감소되어 특성이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 반대로 20중량%를 초과할 경우 전체 구성 비율에 따른 수분 흡착의 특성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

[도전성 필러]

본 발명에 따른 접지저항 저감제 조성물에는 금속(Al, Cu, Ag) 분말 또는 탄소(C) 분말이 10 ~ 15중량%만큼 첨가된다.

여기서, 도전성 필러는 상기 폴리아닐린과 결합하여 접지저항 저감 특성을 효율적으로 향상시킬 수 있다. 전기전도성 재료로서는 그 입도가 0.5 ~ 2㎛ 인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 한 종류의 입도만 사용하는 것이 아니라 다양한 크기의 입도를 갖는 것을 혼합하여 사용할 수 있으며, 금속 분말 및 탄소 분말을 혼합하여 사용할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 들어 접지저항 저감 경화체를 제조하고, 그 특성을 분석한다.

본 발명에 따른 접지저항 저감성이 우수한 경화체의 형성방법은 상술한 접지저항 저감제 조성물을 혼합하는 단계와, 혼합물을 몰드에 타설시키는 단계와, 타설물을 일반성형, 진동성형, 가압성형, 압출성형 또는 원심성형 방법을 이용하여 일정 모양 및 크기로 성형시키는 단계와, 성형물을 대기양생, 항온양생, 가열양생, 증기양생 또는 오토클레이브 양생시키는 단계와, 양생물의 표면을 연마하는 단계들로 구성된다.

여기서, 점토, 연탄재 및 도전성 필러를 미리 혼합하고 에틸렌글리콜, 황산구리(CuSO₄) 수용액 및 폴리아닐린을 첨가하여 JIS R 5201에 규정되어 있는 "시멘트의 물리시험 방법"에 따라 혼합하는 것으로 한다. 성형체의 성형과 양생은 종래의 공지된 방법으로 행하며 특별히 한정되지 않는다.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하고자 하나, 본 발명이 기술된 실시예에 제한되는 것은 아니다.

실시예1

본 발명의 제 1 실시예에 따른 제 1 경화체는 점토 10중량%, 연탄재 50중량%, 에틸렌글리콜 5중량%, 황산구리(CuSO₄) 수용액 10중량%, 폴리아닐린 15중량%, 금속분말 10중량%를 이용하여 형성한다. 이때, 연탄재는 이산화규소(SiO₂) 성분이 포함된 것을 사용하고, 금속분말은 도전성을 가질 수 있는 정도의 입도인 0.5 ~ 2㎛ 로 조절하여 사용한다.

실시예2

본 발명의 제 2 실시예에 따른 제 2 경화체는 점토 10중량%, 연탄재 45중량%, 에틸렌글리콜 5중량%, 황산구리(CuSO₄) 수용액 10%, 폴리아닐린 20중량%, 탄소분말 10중량% 를 이용하여 형성한다. 이때, 연탄재는 이산화규소(SiO₂) 성분이 포함된 것을 사용하고, 탄소분말은 도전성을 가질 수 있는 정도의 입도인 0.5 ~ 2㎛ 로 조절하여 사용한다.

실시예3

본 발명의 제 3 실시예에 따른 제 3 경화체는 점토 15중량%, 연탄재 45중량%, 에틸렌글리콜 5중량%, 황산구리(CuSO₄) 수용액 10중량%, 폴리아닐린 15중량%, 금속분말 5중량% 및 탄소분말 5중량%를 이용하여 형성한다. 이때, 연탄재는 이산화규소(SiO₂) 성분이 포함된 것을 사용하고, 금속분말 및 탄소분말은 도전성을 가질 수 있는 정도의 입도인 0.5 ~ 2㎛ 로 조절하여 사용한다.

비교예1

상기 제 1 실시예 중 에틸렌글리콜 및 황산구리(CuSO₄) 수용액을 물로 대체하고, 금속 분말을 제외시키고, 금속 분말이 제외된 양만큼 점토의 중량을 증가시켜 경화체를 형성한다.

비교예2

상기 제 2 실시예 중 에틸렌글리콜 및 황산구리(CuSO₄) 수용액을 물로 대체하고, 폴리아닐린을 제외시키고, 폴리아닐린이 제외된 양만큼 점토 및 탄소분말의 중량을 증가시켜 경화체를 형성한다.

비교예3

상기 제 3 실시예 중 에틸렌글리콜 및 황산구리(CuSO₄) 수용액을 물로 대체하고, 연탄재 및 폴리아닐린을 제외시키고, 이들이 제외된 양만큼 금속분말 및 탄소분말의 중량을 증가시켜 경화체를 형성한다.

[특성 분석]

실시예 1∼3 및 비교예 1∼3는 JIS R 5201 "시멘트의 물리시험 방법"에 따라 4× 4× 16㎝ 몰드로 성형하여 공시체를 제조하고, 온도 20± 1℃, 상대습도 90%이상의 항온항습기에서 양생시킨 다음 24시간이 경과된 후에 양생된 경화체를 탈형시켜 물성측정을 행하였다.

이하, 본 발명에 의해 제조된 경화체의 물성측정 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

1. 수분 흡수율

탈형된 경화체의 수분흡수율을 측정하기 위하여 경화체를 105℃의 건조기에서 24시간 동안 건조시킨다.

다음에는, 건조시킨 경화체의 무게(W₁)를 측정한 다음 다시 23℃의 수중(水中)에 침지시킨다.

그 다음에는, 24시간이 지난 후에 수중에 침지시킨 경화체를 꺼내어 표면의 수분을 닦고, 무게(W₂)를 측정하여 하기 [방정식 1]으로 수분흡수율(%)을 산출한다.

[방정식 1]

2. 전기 저항률

탈형된 경화체를 대기중에 1시간 정도 방치시킨 후, 경화체의 양단에 전극(silver paste)을 도포한 다음 저항측정기를 이용하여 저항을 측정한다. 이때, 측정된 저항값을 하기 [방정식 2]에 대입하여 전기저항율(Ωm)을 산출한다.

[방정식 2]

3. 파열강도 및 압축강도

탈형된 경화체를 6일간 양생시킨 후 파열강도와 압축강도를 측정한다.

이때, JIS R 5201 "시멘트의 물리시험 방법"에 따라 파열강도를 측정하고 절단된 시편을 이용하여 압축강도를 측정한다.

4. 접지저항 측정

본 발명에 의한 접지저항 저감재 조성물의 토양과의 접착력에 따른 접지저항 저감효과를 시험하기 위하여 접지저항 테스트를 실시한다.

테스트를 위하여 4점식 측정기를 사용하여 대지저항율을 먼저 측정하며, 여기서는 대지저항율이 330Ωㆍm인 경우를 들어 설명하는 것으로 한다. 이때, 4점식 측정기는 BIDDLE사의 DET2/2를 사용하고, 측정 방법은 전위강하법(Fall of potential method)으로 측정하는 것으로 한다.

다음에는, 대지에 각각 폭 0.4m, 깊이 1m, 길이 3m의 터파기를 행한 다음 BC 100㎟의 전선을 바닥에 고정시키고 1m당 10㎏의 접지저항 저감제 조성물을 포설시킨 후 흙으로 되메우기를 행한 후 접지저항(Ω)을 측정한다.

이하 [표 1]은 상술한 물성 측정방법으로 측정한 결과를 나타낸 표이다.

[표 1]특성 비교

상기 물성측정 결과, 실시예 1 내지 3에서 제조된 경화체는 전기저항율이 0.05Ωㆍm미만이고, 파열강도가 50㎏f/㎠이상이며, 압축강도가 240㎏f/㎠이상으로 나타나고 있다. 아울러, 접지저항 저감효과도 비교예1 내지 3보다 우수한 물성을 나타냈다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의해 제조되는 경화체는 접지극 주변에 항상 일정한 수분이 유지되도록 하고, 저저항특성을 갖도록 함으로써, 겔 형상으로 접지전극에 공극 없이 부착되어 공극형성으로 인한 부식이나 전식을 방지할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (10)

1. 점토 10 ~ 15 중량%, 연탄재 45 ~ 50 중량%, 에틸렌글리콜 5 ~ 10 중량%, 황산구리(CuSO₄) 수용액 5 ~ 10 중량%, 폴리아닐린 15 ~ 20 중량% 및 도전성 필러 10 ~ 15 중량%를 포함하는 접지저항 저감제 조성물로써,
   상기 접지저항 저감제 조성물은 수분 흡수율 : 26 ~ 30%, 접지저항 : 87 ~ 93Ω 및 전기저항율 : 0.01 ~ 0.03Ωㆍm을 갖는 것을 특징으로 하는 접지저항 저감제 조성물.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 연탄재는 점토성분 및 이산화규소성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 접지저항 저감제 조성물.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 도전성 필러는 금속 분말 또는 탄소 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 접지저항 저감제 조성물.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 금속 분말 및 탄소 분말의 입도는 0.5 ~ 2㎛ 인 것을 특징으로 하는 접지저항 저감제 조성물.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 접지저항 저감제 조성물의 파열강도는 55 ~ 58㎏f/㎠인 것을 특징으로 하는 접지저항 저감제 조성물.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 접지저항 저감제 조성물의 압축강도는 249 ~ 262㎏f/㎠인 것을 특징으로 하는 접지저항 저감제 조성물.
   
9. 삭제
10. 청구항 제 1 항에 기재된 접지저항 저감제 조성물을 혼합하여 타설물을 형성하고, 상기 타설물을 성형 및 양생시켜 제조된 것을 특징으로 하는 접지저항 저감 경화체.