KR20160035642A - 토양의 열저항 측정장치 - Google Patents

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김경열
김민주
이대수
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Abstract

본 발명은 토양의 열저항 측정장치에 관한 것이다.
일례로, 회전력에 의해 지반으로 관입되며, 일측 단부에 개구부가 형성된 굴착봉; 상기 굴착봉에 회전력을 제공하는 모터부; 상기 굴착봉의 지반 관입 시 상기 굴착봉의 내부에 위치하고, 지반 관입 후 상기 개구부를 통해 인출되어 상기 굴착봉보다 더 깊은 깊이로 관입되며, 일측 단부에 토양의 열저항을 측정하기 위한 센서부가 탑재된 탐침봉; 및 상기 탐침봉과 연결되어 상기 탐침봉의 관입 동작을 제어할 수 있도록 설치된 탐침봉 제어부를 포함하는 토양의 열저항 측정장치를 개시한다.

Description

토양의 열저항 측정장치{DEVICE FOR MEASURING THERMAL RESISTIVITY OF SOIL}
본 발명은 토양의 열저항 측정장치에 관한 것이다.
전력 사용량이 급격히 증가함에 따라 도심지 내에 보다 많은 전력을 공급해야 한다. 이에 기존 154kV 및 365kV를 상회하는 765kV와 전력송전에 따른 전력손실을 줄이기 위하여 직류송전(HVDC)이 계획되고 있다. 기존 송전에 비하여 765kV 및 HVDC 지중송전은 증가되는 전류와 전압에 따라 열이 많이 발생한다. 이에 기존 설계와 달리 지반의 열저항 값이 중요한 요소가 된다. 정확하지 않은 지반 열저항 평가를 통하여 지중 송전 케이블 설계 시, 열폭주 또는 케이블의 절연파괴의 원인이 된다.
송전 케이블 파괴 시, 광역 정전발생은 사회적 파장이 크며, 765kV 송전철탑 추가 건설에 따른 사회 수용성이 극히 떨어짐에 따라, 전력계통보강 및 증대와 지중 송전케이블의 건설은 점차 확대될 것이다. 이에 지중 송배전케이블의 신뢰성 높은 설계와 경제적인 설계를 위하여 현장 지반의 정확한 열저항 측정이 반드시 필요하다.
현재 지중송전 케이블 설계 시, 지중 송전설계기준(DS-6210)에 따라 케이블의 종류와 허용전류를 산정하고 있다. 허용전류 계산 시, 아래 식을 따르며 T4는 외부열저항과 관계가 있으며, T4는 방식층의 열저항, 관 자체의 열저항, 토양 열저항, 되메움재에 대한 열저항 특성에 영향을 받는다.
케이블 설계 및 허용전류 계산 시, 케이블의 종류에 따라 절연체 열저항 및 방식층 열저항은 결정되며, 외부 열저항은 관 및 되메움재 종류에 따라 결정된다. 여기서, 토양 열저항을 제외한 변수들은 재료 선택에 따라 결정되며, 토양 열저항 값에 따라 허용전류 및 케이블 설계가 이루어진다. 즉, 토양 열저항 값이 케이블 설계 및 허용전류 계산 시 중요한 변수로 작용한다. 현재 지중 송전설계기준에 따라 154kV 및 365kV 송전케이블 설계 시 토양 열저항 값으로 0.9 K·m/W을 사용하고 있으며, 이는 국내 지반의 평균 열저항 값인 0.8 K·m/W을 반영한 값이다
일반적인 토양의 열저항 측정 방법은 “thermal needle method”, “shnnon and wells”, “guarded hot plate method” 등의 직접법이 있으며, “De viries 모델”, “Kersten 모델”, “Mikeley 모델” 등의 간접법이 있다. 직접법의 대부분은 열원을 시료에 삽입하여 시간에 따른 토양 내의 온도를 측정하여 열저항 값을 측정하는데. 이 중 탐침법 측정이 짧은 시간 내 측정이 가능하고 신뢰성 높은 결과를 얻을 수 있다.
실내실험을 통하여 현장 지반의 열저항 추정을 위해서는 현장 지반의 입도분포, 다짐도, 함수율 등을 고려하여 측정함에 따라 정확한 현장의 열저항을 평가하기는 어렵다. 현재 토양 열저항 측정의 대부분은 실내실험 규모의 장비이며, 현장 실험을 위한 탐침법 장비로 “Hukeseflux”의 FTN01 장비가 있다. 상기 FTN01 측정장비의 최대 깊이는 1.5m 이며, 측정시간은 약 5분 정도 소요된다.
상기 FTN01 장비를 사용하여 송전케이블 경과지의 현장 열저항 측정시험 결과, 모래와 같은 느슨한 지반의 경우 1m 깊이의 측정은 가능하나 일반 퇴적토의 지반 및 단단한 지반에서는 탐침의 파괴가 유발되어 30cm 이상 깊이에서는 측정이 불가능하다. 또한, 지중 케이블은 보통 지표에서 3 내지 4m 깊이에 설치되는데, FTN01 장비의 최대 깊이는 1.2m로 3 내지 4m의 깊이의 열저항 측정은 불가능하다.
따라서, 전력계통 보강 및 증대와 지중 송전케이블 건설 확대에 따라 지중 송전 케이블의 신뢰성 높은 설계와 경제적인 설계를 위하여 현장 지반의 정확한 열저항 평가가 필요하다. 따라서, 현장에서 지반 열저항 측정이 간편하고, 지반의 단단한 정도(강도)와 3 내지 4m 깊이에서 측정 가능한 현장 열저항 측정장치가 필요하다.
본 발명은, 지반의 환경적 조건에 관계 없이 현장에서 보다 정확한 토양의 열저항을 측정할 수 있는 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 토양의 열저항 측정장치는, 회전력에 의해 지반으로 관입되며, 일측 단부에 개구부가 형성된 굴착봉; 상기 굴착봉에 회전력을 제공하는 모터부; 상기 굴착봉의 지반 관입 시 상기 굴착봉의 내부에 위치하고, 지반 관입 후 상기 개구부를 통해 인출되어 상기 굴착봉보다 더 깊은 깊이로 관입되며, 일측 단부에 토양의 열저항을 측정하기 위한 센서부가 탑재된 탐침봉; 및 상기 탐침봉과 연결되어 상기 탐침봉의 관입 동작을 제어할 수 있도록 설치된 탐침봉 제어부를 포함한다.
또한, 상기 굴착봉과 상기 탐침봉을 지면에 대하여 수직하도록 고정시키는 고정부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 탐침봉과 연결되고, 토양의 열저항 측정 결과를 표시하는 모니터링부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 굴착봉의 외표면은 나선형 구조로 이루어지며, 상기 굴착봉의 단부는 드릴 비트(drill bit) 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 센서부는, 열을 방산시키기 위한 히팅부; 지반의 온도변화를 측정하는 온도 측정부; 및 상기 히팅부 및 상기 온도 측정부와 연결되고, 상기 온도 측정부로부터 측정된 데이터에 기초하여 토양의 열저항 값을 계산하는 열저항 계산부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 굴착봉과 상기 모터부 사이를 연결하며, 상기 굴착봉과 상기 모터부 사이에 연장용 굴착봉을 추가 연결시키기 위한 굴착봉 연결부가 형성될 수 있다.
또한, 상기 탐침봉에는 다단으로 분리 및 결합되도록 탐침봉 연결부가 형성되며, 상기 제 2 연결부를 통해 연장용 탐침봉이 추가 연결되어 상기 탐침봉의 길이가 연장될 수 있다.
본 발명에 따르면, 지반의 환경적 조건에 관계 없이 현장에서 보다 정확한 토양의 열저항을 측정할 수 있는 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 토양의 열저항 측정장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 굴착봉의 외표면을 보다 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 굴착봉과 탐침봉의 단부를 보다 구체적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 탐침봉의 구성을 보다 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 탐침봉의 관입 동작을 보다 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 탐침봉의 제 2 연결부를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 제 2 연결부의 단면을 보다 구체적으로 나타낸 도면이다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 토양의 열저항 측정장치의 구성도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 굴착봉의 외표면을 보다 구체적으로 나타낸 도면이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 굴착봉과 탐침봉의 단부를 보다 구체적으로 나타낸 단면도이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 탐침봉의 구성을 보다 구체적으로 나타낸 도면이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 탐침봉의 관입 동작을 보다 구체적으로 나타낸 도면이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 탐침봉의 제 2 연결부를 나타낸 도면이다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 제 2 연결부의 단면을 보다 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열저항 측정장치(100)는 굴착봉(110), 모터부(120), 탐침봉(130) 및 탐침봉 제어부(140)를 포함한다. 더불어, 상기 열저항 측정장치(100)는 고정부(150)와 모니터링부(160)를 더 포함할 수 있다.
상기 굴착봉(110)은, 측정하려는 지점의 지반 깊이까지 관입되는 부분으로, 상기 모터부(120)와 연결되고, 상기 모터부(120)의 회전력을 이용하여 지반으로 관입될 수 있다. 상기 굴착봉(110)은 지반에 쉽게 굴착되도록 도 2에 도시된 바와 같이 외표면이 나선형 구조로 이루어지며, 도 3에 도시된 바와 같이 일측 단부가 드릴 비트(drill bit, 111)로 제작될 수 있다. 또한, 상기 굴착봉(110)의 일측 단부에는 상기 탐침봉(130)이 인출될 수 있도록 개구부(110a)가 형성될 수 있다.
상기 굴착봉(110)과 모터부(120) 사이를 연결하며, 상기 굴착봉(110)과 모터부(120) 사이에 연장용 굴착봉(미도시)를 추가적으로 연결시키기 위한 굴착봉 연결부(113)가 형성될 수 있다. 상기 굴착봉 연결부(113)는 상기 굴착봉(110)과 모터부(120) 사이를 결합 및 분리할 수 있도록 타측 단부에 형성되고, 상기 굴착봉(110)과 모터부(120) 사이에 연장용 굴착봉(미도시)를 연결함으로써 상기 굴착봉(110)의 길이가 연장될 수 있다. 상기 굴착봉 연결부(113)는 나사산 구조로 이루어져 상기 굴착봉(110)과 모터부(120)를 결합시킬 수 있다. 또한, 상기 굴착봉(110)은 그 내부에 상기 탐침봉(130)이 삽입 및 이동할 수 있도록 상기 탐침봉(130)보다 큰 직경의 통공이 형성될 수 있다.
이와 같은 굴착봉(110)은, 지반 관입 시 호박돌층이나 전석층과 같은 강도 높은 지반에서도 관입이 가능하며, 이에 따라 토양의 열저항 측정의 위한 작업시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 상기 굴착봉(110)은 연장용 굴착봉(미도시)과의 추가 연결을 통해 종래보다 깊이가 깊은 지점에서의 열저항 측정을 가능하게 한다.
상기 모터부(120)는 상기 굴착봉(110)과 연결되고 상기 굴착봉(110)이 지반으로 관입되도록 상기 굴착봉(110)을 회전시키는 역할을 한다. 상기 모터부(120)의 일측은 상기 굴착봉(110)의 타측 단부와 함께 상기 굴착봉 연결부(113)로 형성될 수 있다.
상기 탐침봉(130)은 현장 지반의 열저항을 측정하는 센서를 포함하는 부분으로, 크게는 도 4에 도시된 바와 같이, 열을 방산시키기 위한 히팅부(131), 지반의 온도변화를 측정하는 온도 측정부(133) 및 상기 히팅부(131) 및 온도 측정부(133)와 연결되고, 상기 온도 측정부(133)로부터 측정된 데이터에 기초하여 토양의 열저항 값을 계산하는 열저항 계산부(135)를 포함할 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는 상기 탐침봉(130)의 구체적인 구성에 대해서는 한정하지 않으며, 열저항 값을 측정할 수 있는 통상의 구성을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 굴착봉(110)이 지반으로 굴착되면 굴착된 지반은 교란이 일어나게 되는데, 보다 정확한 현장의 열저항 측정을 위해서는 비교란 된 지반의 열저항을 측정해야 한다. 따라서, 상기 탐침봉(130)은, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 굴착봉(110)에 의해 지반에 관입된 후, 교란된 지반(A)을 지나 상기 굴착봉(110)보다 더 깊은 깊이의 비교란 된 지반(B)으로 관입될 수 있다. 상기 탐침봉(130)을 비교란 된 지반(B)으로 관입시킬 경우 상기 탐침봉 제어부(140)를 이용하여 상기 탐침봉(130)의 관입 동작을 제어할 수 있다.
상기 탐침봉(130)은 도 1 및 도 6에 도시된 바와 같이 다단으로 분리 및 결합되도록 탐침봉 연결부(137)가 형성될 수 있다. 이와 같은 탐침봉 연결부(137)를 통해 연장용 탐침봉(미도시)이 추가적으로 연결됨으로써 상기 탐침봉(130)의 길이가 연장될 수 있다. 상기 탐침봉 연결부(137)는 탐침봉(130)과 연장용 탐침봉(미도시)의 단부에 결합돌기 또는/및 상기 결합돌기와 대응하는 결합홈으로 이루어져 탐침봉(130)과 연장용 탐침봉(미도시)를 서로 연결할 수 있다. 또한, 탐침봉(130)과 연장용 탐침봉(미도시) 간의 결합력을 증대시키기 위하여, 상기 결합돌기의 외측면에 나사산이 형성되고 상기 결합홈의 내측면에 나사홈이 형성될 수 있다. 또한, 상기 탐침봉 연결부(137)에는 도 7에 도시된 바와 같이 데이터 케이블 접속부(139)가 형성되어 상기 탐침봉(130)과 연장용 탐침봉(미도시) 간에 데이터가 전송되도록 할수 있다.
이러한 탐침봉(130)은 상기 굴착봉(110)으로부터 인출됨으로써 교란되지 않은 지반에 대한 열저항을 측정할 수 있으므로, 보다 정확한 측정을 가능하게 한다. 또한, 상기 탐침봉 연결부(137)는 상기 탐침봉(130)에 연장용 굴착봉(미도시)을 추가적으로 연결시킬 수 있도록 함으로써, 종래보다 깊이가 깊은 지점에서의 열저항 측정을 가능하게 한다.
상기 탐침봉 제어부(140)는, 상기 탐침봉(130)과 연결되어 상기 굴착봉(110)의 굴착 동작이 완료된 후 동작할 수 있으며, 인력에 의해 상기 탐침봉(130)이 지반에 관입될 수 있도록 도 1에 도시된 바와 같이 손잡이 형태로 형성되거나, 별도의 전동기구를 포함함으로써 상기 탐침봉(130)을 기계적인 힘에 의해 관입시킬 수 있다.
상기 고정부(150)는, 현장 지반의 열저항 측정 지점에서 상기 열저항 측정장치(100)를 고정시키기 위한 장치로, 상기 굴착봉(110)과 탐침봉(130)이 지표면에서 수직하게 관입되도록 고정시켜 주는 역할을 한다.
상기 모니터링부(160)는 상기 탐침봉(130)으로부터 온도 측정 결과를 표시하며, 일정 시간이 경과되면 현장 지반의 열저항 측정 결과를 표시할 수 있다.. 또한, 상기 모니터링부(160)는 상기 탐침봉(130)이 관입된 깊이 및 측정 지반의 현재 온도를 표시할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열저항 측정장치(100)를 이용한 측정방법을 설명하면 아래와 같다.
우선, 열저항 측정 지점을 선정하고, 상기 고정부(150)를 이용하여 상기 탐침봉 제어부(140) 모니터링부(160)와 모터부(120)를 설치한다. 굴착봉 연결부와 탐침봉 연결부를 각각 이용하여 굴착봉(110)과 탐침봉(130)을 각각 설치한다.
이후, 모터부(120)의 모터를 통해 굴착봉(110)이 목표 지반까지 관입되도록 한다. 그 후, 탐침봉 제어부(140)를 이용하여 탐침봉(130)을 비교란 지점(B)으로 관입시켜 토양의 열저항을 측정하고, 모니터링부(160)를 통해 측정 결과를 확인한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 토양의 열저항 측정장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
100: 토양의 열저항 측정장치
110: 굴착봉
113: 굴착봉 연결부
120: 모터부
130: 탐침봉
137: 탐침봉 연결부
140: 탐침봉 제어부
150: 고정부
160: 모니터링부
A: 교란된 지반
B: 비교란 된 지반

Claims (7)

  1. 회전력에 의해 지반으로 관입되며, 일측 단부에 개구부가 형성된 굴착봉;
    상기 굴착봉에 회전력을 제공하는 모터부;
    상기 굴착봉의 지반 관입 시 상기 굴착봉의 내부에 위치하고, 지반 관입 후 상기 개구부를 통해 인출되어 상기 굴착봉보다 더 깊은 깊이로 관입되며, 일측 단부에 토양의 열저항을 측정하기 위한 센서부가 탑재된 탐침봉; 및
    상기 탐침봉과 연결되어 상기 탐침봉의 관입 동작을 제어할 수 있도록 설치된 탐침봉 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 토양의 열저항 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴착봉과 상기 탐침봉을 지면에 대하여 수직하도록 고정시키는 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토양의 열저항 측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탐침봉과 연결되고, 토양의 열저항 측정 결과를 표시하는 모니터링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토양의 열저항 측정장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴착봉의 외표면은 나선형 구조로 이루어지며,
    상기 굴착봉의 단부는 드릴 비트(drill bit) 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 토양의 열저항 측정장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서부는,
    열을 방산시키기 위한 히팅부;
    지반의 온도변화를 측정하는 온도 측정부; 및
    상기 히팅부 및 상기 온도 측정부와 연결되고, 상기 온도 측정부로부터 측정된 데이터에 기초하여 토양의 열저항 값을 계산하는 열저항 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 토양의 열저항 측정장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴착봉과 상기 모터부 사이를 연결하며, 상기 굴착봉과 상기 모터부 사이에 연장용 굴착봉을 추가 연결시키기 위한 굴착봉 연결부가 형성된 것을 특징으로 하는 토양의 열저항 측정장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 탐침봉에는 다단으로 분리 및 결합되도록 탐침봉 연결부가 형성되며,
    상기 제 2 연결부를 통해 연장용 탐침봉이 추가 연결되어 상기 탐침봉의 길이가 연장되는 것을 특징으로 하는 토양의 열저항 측정장치.
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