KR102379286B1 - 매설 배관에 대한 ac 간섭 완화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 매설 배관(Pipe Line)에 대한 AC(교류 전압) 간섭 완화 장치에 관한 것이다. 더 상세하게는, 매설 배관에 유입되는 AC 간섭 전압 및 전류를 용이하게 측정하고, 이것에 의해 상기 매설 배관에 유입되는 AC 간섭을 완화시키는 장치를 제공함으로써, AC 간섭 전압 및 전류에 의한 상기 매설 배관이 부식되는 현상을 방지하고, 또한 감전과 같은 인체의 위험을 방지할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

Description

매설 배관에 대한 AC 간섭 완화 장치{AC INTERFERENCE RELIEF DEVICE FOR PIPE LINE}

본 발명은 매설 배관(Pipe Line)에 대한 AC(교류 전압) 간섭 완화 장치에 관한 것이다. 더 상세하게는, 매설 배관에 유입되는 AC 간섭 전압 및 전류를 용이하게 측정하고, 이것에 의해 상기 매설 배관에 유입되는 AC 간섭을 완화시키는 장치를 제공함으로써, AC 간섭 전압 및 전류에 의한 상기 매설 배관이 부식되는 현상을 방지하고, 또한 감전과 같은 인체의 위험을 방지할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

일반적인 시설물의 대부분은 금속 및 그의 합금으로 이루어져 있는데, 금속은 고유한 성질에 의해 본래의 상태인 산화물로 되돌아가려는 현상(전기 화학적인 반응)을 일으킨다. 이를 부식이라 한다. 공지된 연구자료에 따르면 부식에 의한 직접적인 손실은 국가 GNP의 약 3 ~ 5%를 차지할 정도로 막대하고, 특히 지하 매설물(가스관, 송유관, 상하수도관 등)의 부식으로 인한 손실이 큰 비중을 차지하고 있다.

이에 따라, 금속 구조물 부식 방지 대책이 요구되고 있고, 이러한 대책의 한 예로 전기방식(cathodic protection)이 이용되고 있다. 전기방식은 희생 양극법과 외부 전원법이 있으며, 외부에 직류 전원을 설치하고, 그 양극을 흙 속의 전극판에, 음극을 금속 구조물에 접속하는 통전하는 외부 전원법이 대규모의 장치나 구축물에 주로 적용되고 있다. 한편, 예를 들어, 매설 배관과 같은 금속 구조물을 전기방식 시키기 위해, 방식 전류를 흘리면 부근의 금속 구조물의 전위에도 영향을 받는 데, 이와 같은 현상을 "간섭"이라 한다. 이러한 간섭의 원인은 직류 전기철도와 전기방식시설(외부전원 장치, 배류기)과 같은 직류전기설비에 의해 발생하며 자연 부식과 달리 부식 정도가 심하기 때문에, 이와 같은 DC 간섭 전류에 의한 부식을 방지하기 위한 대책도 적용되고 있었다.

그러나, 금속 구조물에 유입 또는 유출되는 AC 전류에 대한 대책은 거의 없었다. 이는 금속 구조물에 유입 혹은 유출되는 AC 전류는 금속 구조물을 거의 부식시키지 않는 것으로 알려져 있었기 때문이다. 하지만, 최근의 연구 결과에 의하면 AC 전류도 어떤 조건이 되면 금속 구조물을 부식시킬 수 있다는 것이 보고되고 있고, 특히, AC 유도전압이 크면 사람 혹은 동물에 감전될 가능성이 있다.

AC 유도전압의 발생은 전자기 유도(Electromagnetic Induction) 및 저항 유도(Resistance Coupling)에 기인한다. 전자기 유도 간섭은 AC 송전선 주변에 매설배관이 있는 경우 매설배관에 유도되는 AC 간섭이다. 송전선에 AC 전류가 흐르면 이 AC 송전선 주위에 자기장이 형성되며 이 자기장에 의해 매설배관에 AC가 유도된다. 이러한 전자기 유도는 변압기 원리처럼 AC 송전선이 1차 권선코일이 되고 매설배관이 2차 권선코일이 되어 1차측 전압이 2차측에 유도된다. 배관의 코팅이 양호한 경우에는 유도전압이 커지며, 반대로 코팅이 불량한 경우에는 유도전압이 작아지는 경향이 있다. 저항 유도는 우리나라에서 가장 많이 나타나는 유도현상이다. 접지된 중성선을 가진 전력계통에서 계통의 불균형으로 인해 중성선에 불평형 전류가 흐르거나 또 계통의 3차 고주파가 중성선에 흐르면 이 에너지는 접지지점에서 토양으로 유출되며 주변에 지중 구조물에 유입되어 AC 간섭을 일으킨다.

금속의 부식에 있어서 일반적으로 DC 전류 방전에 의하여 발생하는 금속 손실량이 AC 전류에 의한 것보다 훨씬 더 큰 것으로 알려져 있다. 예를 들어 1A DC 전류 방전은 1년 동안 약 9kg의 강철의 손실을 유발하는 반면 1A AC 전류는 1kg보다 적은 양이 손실된다. 하지만, 전자기 유도상태에서는 수백 암페어의 전력 라인에 결함이 발생되었을 때는 수천 암페어의 AC 누설 전류가 발생할 수 있으며, 이는 충분히 사람을 감전시킬 수 있을 뿐 아니라 전기방식 시설과 같은 구조물과 관련 장비에 손상을 줄 수 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 매설 배관에 유입되는 AC 간섭 전압 및 전류를 용이하게 측정하고, 이것에 의해 상기 매설 배관에 유입되는 AC 간섭을 완화시키는 장치를 제공함으로써, AC 간섭 전압 및 전류에 의한 상기 매설 배관이 부식되는 현상을 방지하고, 또한 감전과 같은 인체의 위험을 방지할 수 있는 장치를 제공하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 AC 간섭 완화 장치는 방식 전류가 흐르는 방식 배관에 연결되어 상기 방식 배관에 유도되는 AC 간섭 전압을 완화하는 AC 간섭 완화 장치이고, 상기 장치는 상기 방식 배관에 유입되는 AC 간섭 전압을 측정하는 AC 간섭 전압 측정부, 상기 방식 배관과 접지 전극 사이에 흐르는 AC 간섭 전류를 측정하는 AC 전류 측정부, 상기 방식 배관으로 인가된 상기 방식 전류 및 AC 간섭 전류를 제어하는 DC 전류 제어부, 상기 방식 배관과 상기 DC 전류 제어부의 접속을 온오프하는 스위치부 및 상기 DC 전류 제어부의 양극에 접속되는 상기 접지 전극을 포함하고, 상기 접지 전극의 저항의 크기는 상기 측정된 AC 간섭 전압과 AC 간섭 전류의 크기에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 DC 전류 제어부는 상기 방식 배관으로부터의 방식 전류는 차단하고 AC 전류는 통과시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 스위치부를 오프한 때의 상기 방식 배관의 AC 전압과 상기 스위치부를 온한 때의 상기 방식 배관의 AC 전압 사이의 차에 기초하여 상기 방식 배관에 유입되는 AC 간섭 전압을 측정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 방식 배관에 유입되는 AC 간섭 전압과 측정된 AC 간섭 전류의 비에 의해 상기 접지 전극의 허용 저항이 결정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 방식 배관의 AC 간섭 전압을 15V 미만으로 조정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 AC 간섭 완화 장치는, 금속 배관에 유입되는 AC 간섭 전압 및 전류를 쉽게 측정하고, 상기 유입된 AC 간섭 전압 및 전류로 인해 상기 금속 배관이 부식되는 현상을 방지하고, 인체에 위험한 AC 전압을 완화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 AC 간섭 완화 장치의 개략적인 구성도이고,
도 2는 단일 접지 전극을 설명하기 위한 예시도이고,
도 3은 다수 접지 전극을 설명하기 위한 예시도이고,
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 AC 간섭 완화 장치가 설치된 측정 지점을 도시하는 도면이고,
도 4b는 도 4a의 측정 지점의, 본 발명에 따른 AC 간섭 완화 장치를 설치 전과 설치 후에 측정한 AC 전압을 도시한 표이고,
도 4c는 도 4a의 측정 지점의, 본 발명에 따른 AC 간섭 완화 장치의 설치 전, 설치 후의 AC 전압과 전압 감쇄값을 도시한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 AC 간섭 완화 장치의 개략적인 구성도이다. 상기 AC 간섭 완화 장치는 방식 배관(10), 접지 전극(20), AC 간섭 전압 측정부(100), AC 간섭 전류 측정부(200), DC 전류 제어부(300), 스위치부(400)를 포함할 수 있다.

상기 AC 간섭 전압 측정부(100)는 상기 방식 배관의 AC 전압을 측정하고, 상기 AC 간섭 전류 측정부(200)는 상기 스위치부(400)가 온한 상태에서 흐르는 AC 전류를 측정한다. 상기 DC 전류 제어부(300)는 상기 방식 배관으로부터의 방식 전류는 차단하고 AC 전류는 통과시키는 역할을 한다.

매설되는 접지 전극은 상기 DC 전류 제어부의 플러스 단자에 연결되고, 상기 접지 전극으로 방출시킬 전류량에 의해 그 저항의 크기가 결정된다.

접지 전극의 저항을 결정하기 위해, 먼저, 접지 전극 대신에 상기 방식 배관 주위에 임시 접지 전극으로 이용할 수 있는 구조물(예를 들어, 가드레일)을 이용한다. DC 전류 제어부(300)의 플러스 단자를 상기 임시 접지 양극에 연결을 한다. 그리고, 상기 스위치부(400)를 오프한 상태에서 AC 간섭 전압 측정부(100)에서 AC 전압을 측정한다. 그 후, 상기 스위치부(400)을 온한 상태에서 AC 전압과 상기 간섭 전류 측정부(200)에서 AC 전류를 측정한다. 상기 스위치부(400)의 온 및 오프시의 AC 전압의 차가 상기 방식 배관에 유입(유출)되는 간섭 AC 전압에 해당된다. 유입되는 간섭 AC 전압과 상기 측정된 AC 전류의 비가 상기 접지 전극의 허용 저항이 된다.

구체적인 예를 들어 설명하면, 스위치부(400)를 오프한 상태에서 AC 전압이 14V이고, 상기 스위치부(400)를 온한 상태에서 AC 전압이 4V이고, AC 전류는 1A로 측정되었다면, 유입되고 있는 AC 전압은 14V - 4V = 10V로 결정되고, AC 전류는 1A이므로 접지 저항(R)은 V/I = 10V/1A = 10Ω으로 계산된다. 즉, 접지 방출 전류를 1A로 할 때 접지 전극의 허용저항이 10Ω이다. 따라서, 상기 허용 저항 이하가 되도록 접지 전극을 설계하여 매설함으로써, 본 발명의 일 실시예 따른 AC 간섭 완화 장치를 구현할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예로서, 상기 매설되는 접지 전극 제외한 AC 간섭 완화 장치를 휴대용으로 구현하여 용이하게 매설 배관에 유입되는 AC 간섭 전압과 전류를 용이하게 측정하고, 이를 이용하여 상기 매설되는 접지 전극을 설계할 수 있다.

다음으로 도 2 및 도 3을 참조하여 매설되는 접지 전극 설계에 대해 설명한다. 도 2는 단일 접지 전극을 설명하기 위한 예시도이고, 도 3은 다수 접지 전극을 설명하기 위한 예시도이다.

도 2에 도시된 예에서, 접지 전극의 매설 깊이가 낮은 경우(t<<L 및 L>>d)인 경우, 접지 저항(R_a,h)은 다음 식(1)에 의해 구할 수 있다.

...(1)

여기서, ρ는 토양비저항, L 접지 전극의 길이, d는 접지 전극의 직경, t는 접지 전극의 매설 깊이를 나타낸다.

지금 접지 전극 1개의 규격을 직경(d) 15cm, 길이(L) 200cm로 하고, 매설 깊이를 1.5m로 했을 때 접지전극 1개의 저항 및 총 설치 수량을 산출하면 아래와 같다.

여기서 필요한 접지전극의 수(N)는 다음 식(2)에 의해 구해진다.

...(2)

여기서, R이 접지 전극의 허용저항이다.

상기 구체적인 예에서 접지 전극의 허용저항이 10Ω인 경우를 대입하여 보면, 방출전류를 1A로 할 때, 접지전극의 최소 수량은 37.8/10=3.78, 즉 4개여야 한다.

다음, 도 3과 같은 다수 접지 전극을 설치하는 경우에 적용하여 접지 전극을 설계하는 예를 살펴본다.

다수 접지 전극의 저항(R_gb,h)는 다음 식(3)에 의해 구해진다.

...(3)

여기서 R_a,h는 단일 접지 전극의 저항이고,

N은 접지 전극의 수이고,

F는 다중 군집 전극 팩터이다.

상기 다중 군집 전극 팩터(F)는 다음 식(4)에 의해 구해진다.

...(4)

여기서, S는 접지 전극의 이격 거리이다.

앞선 예와 동일한 접지 전극으로, 양 전극의 이격 거리(S)를 3.5m, 접지 전극의 수(N)를 15개로 하였을 때 저항(R_gb,h)은 4.8Ω이고, 이는 허용 저항 5Ω 이하이다.

도 4는 본 발명에 따른 AC 간섭 완화 장치의 설치 실시예를 도시한 도면이다. 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 AC 간섭 완화 장치가 설치된 측정 지점을 도시하는 도면이고, 도 4b는 도 4a의 측정 지점의 본 발명에 따른 AC 간섭 완화 장치를 설치 전과 설치 후에 측정한 AC 전압을 도시한 표이고, 도 4c는 도 4a의 측정 지점의 본 발명에 따른 AC 간섭 완화 장치의 설치 전, 설치 후의 AC 전압과 전압 감쇄값을 도시한 그래프이다.

도 4a 의 번호 13 지점에 본 발명의 일 실시예에 따른 AC 간섭 완화 장치를 설치하였다. 도 4b 및 4c에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 AC 간섭 완화 장치('PCR'이라 표기됨)를 설치하여 조사하여 보면, 설치 후 AC 전압이 안전한 범위내로 감소하였음을 알 수 있다.

이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변형은 청구 범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명은 매설 배관과 같은 금속 구조물에 유입되는 AC 간섭 전압 및 전류를 쉽게 측정하고, 상기 유입된 AC 간섭 전압 및 전류로 인해 상기 금속 배관이 부식되는 현상을 방지하고, 인체에 위험한 AC 전압을 완화할 수 있다.

Claims (5)

1. 방식 전류가 흐르는 방식 배관에 연결되어 상기 방식 배관에 유도되는 AC 간섭 전압을 완화하는 AC 간섭 완화 장치에 있어서, 상기 장치는:
   상기 방식 배관에 유입되는 AC 간섭 전압을 측정하는 AC 간섭 전압 측정부;
   상기 방식 배관과 접지 전극 사이에 흐르는 AC 간섭 전류를 측정하는 AC 전류 측정부;
   상기 방식 배관으로 인가된 상기 방식 전류 및 AC 간섭 전류를 제어하는 DC 전류 제어부;
   상기 방식 배관과 상기 DC 전류 제어부의 접속을 온오프하는 스위치부; 및
   상기 DC 전류 제어부의 양극에 접속되는 상기 접지 전극을 포함하고,
   상기 접지 전극의 저항의 크기는 상기 측정된 AC 간섭 전압과 AC 간섭 전류의 크기에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 AC 간섭 완화 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 DC 전류 제어부는 상기 방식 배관으로부터의 방식 전류는 차단하고 AC 전류는 통과시키는 것을 특징으로 하는 AC 간섭 완화 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 스위치부를 오프한 때의 상기 방식 배관의 AC 전압과 상기 스위치부를 온한 때의 상기 방식 배관의 AC 전압 사이의 차에 기초하여 상기 방식 배관에 유입되는 AC 간섭 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 AC 간섭 완화 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 방식 배관에 유입되는 AC 간섭 전압과 측정된 AC 간섭 전류의 비에 의해 상기 접지 전극의 허용 저항이 결정되는 것을 특징으로 하는 AC 간섭 완화 장치.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 방식 배관의 AC 간섭 전압을 15V 미만으로 조정하는 것을 특징으로 하는 AC 간섭 완화 장치.

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