KR20220127701A - Ac 상용전압 대지전위 상승 위치 탐사 후 금속관 불량 및 건물화재 예방을 위한 탐사방법 - Google Patents

Abstract

AC대지전위 상승에 의한 금속관 음극보호 영향으로 정확한 불량위치 탐사가 어렵고 또한 장시간 걸리는 문제점과 우기철 전기화재 발생 증가 원인을 제거하기 위해, 차량 이동형 대지전위 측정장치를 사용하여 대지전위 상승위치를 파악하여 전기 누전원을 제거한 후 다시 음극보호용 전선에 DC 탐사전원을 연결하여 불량 위치를 파악하고 또한 빌딩내 보호사각지대에서 발생되는 누전을 사선으로 파악하여 우기시 증가하는 건물 전기화재를 감소하려 하는 방법을 제시하고자 한다

Description

AC 상용전압 대지전위 상승 위치 탐사 후 금속관 불량 및 건물화재 예방을 위한 탐사방법{The method for locating the coating defected point in the pipeline system and electrical fire source of the blind spot in the buiding after surveying the earth potential rising place}

가스관, 금속관, 상수도관, 열배관, 부식, 점검, 음극보호

2021년부터 한국전기설비규정(KEC, Korea Electro-technical Code)이 2018년 전기사업법 제67조에 포함되어 법제화된 후 2년의 유예기간을 거쳐 본격 적용되기 시작했다.

국제표준(IEC) 도입과 신재생 에너지 등의 원활한 개발 및 현장 작용을 위해 불가피한 조치임에도 불구하고, 특히 [도 1]과 같이 50여년 이상 사용하여 왔던 종별 개별접지 방식을 폐기하고 [표 1]과 같이 고저압 설비간 단독 또는 공통 접지와 보호설비와 통합 접지를 사용하는 것으로 변경되었다.

명 칭	정 의
중성선 다중접지	전력계통의 중성선을 대지에 다중으로 접속하고, 변압기의 중성점을 그 중성선에 연결하는 계통접지 방식을 말한다.
단독접지	고압 및 특고압과 저압 전기설비의 접지극을 분리하여 접지하는 방식
공통접지	고압 및 특고압과 저압 전기설비의 접지극을 공통하여 접지하는 방식
통합접지	전기설비의 접지설비, 건축물의 피뢰설비·전자통신 설비 등의 접지극을 공용하여 접지하는 방식

특히, 가공 배전에서는 고저압 중성선을 공통 접지하여 왔지만, [도 2]와 같이 지중 배전에서는 저압 중성선을 비접지 운영하여 오다가 이번 KEC 규정의 법제화 적용에 따라 지중 저압 중성선을 다중 접지(TNC)하고 또한 고저압 공통 접지(등전위 본딩)를 시행하여야 한다.

이에 따라 지중 고압선 고장 발생시 이전에는 지중 고압 시스선을 통해 고장전류가 변전소로 귀환되었지만, 이제는 고장전류가 저압 중성선으로도 흐를 수 있도록하여 대지전위 상승(EPR, Earth Potential Rise)을 억제하여 접촉 및 보폭전압을 규정치 이하로 유지하여 안전을 기할 수 있는 장점을 얻을 수 있다.

그러나 고압선 고장 전류 분산 효과를 저압 중성선에 의지하여 대지전위 상승 억제되는 잇점이 있는 반면, [도 3]과 같이 저압 중성선 접지에 고압 고장 전류가 흘러 대지전위 상승 영향 지역이 확대된다는 단점이 발생하게 된다.

또한 [도 4]와 같이 저압선이 고객 전용으로 1:1 연결된 것이 아니라 실제 현장에서는 1:N 구성되어 1개의 저압공급선이 다수의 고객설비에 전력을 공급하고 있다.

[도 4]와 같이 저압선 중성선 비접지된 경우 전원(변압기)에서 저압선의 고장(누전)전류가 전원으로 귀환되는 누전전류(Leakage current) 또는 선로에 흐르는 잔류 전류(Residual Current)를 측정하여 누전여부를 검출하고 조치할 수 있으나, [도 5]와 같이 중성선 공통 다중 접지할 경우 고장(누전)전류는 전원(변압기)로 귀환하지 않고 인근 접지된 중성선으로 귀환하게 되어 전원 측에서는 이를 감지할 수 없다. 이러한 문제점으로 보호 사각지대가 발생하게 된다.

[도 5]는 도심지에서 전력선 지중화 증가시, 전력선 고장전류 또는 전철 운행에 따른 순간적인 비선형 전류가 고저압 중성선 다중 및 공통 접지시 지금까지 영향을 받지 않던 원거리에 위치한 금속 배관 등에 비선형 전류에 의한 대지전위 상승과 같은 영향을 줄 수 있게 된다.

[도 6]는 최근 급증하는 신재생 에너지 발전사업자 현황이다. 기하 급수적으로 늘어나 2020년말 회원 비회원을 합하면 약 8만여 소규모 전원이 전국에 산재되어 있어 기술적인 관리가 적절히 되지 않는다면 이 또한 중성선 접지 등을 통해 대지전위 상승 원인이 될 것이다.

[도 7]은 현재 지하 매설 금속관의 부식 여부를 조사하는 방법을 보여주고 있다. 가스관 보호는 1차로 지면과 접하는 가스관의 외면 코팅하여 전해질(대지)과 접촉하는 것을 방지하여 산화되는 것을 보호하고, 만약 코팅 불량이 발생하여도 가스관과 접촉하는 전해질이 알카리성을 유지하도록 희생 애노우드에 (+)와 보호하고자 하는 가스관에 (-) DC 전류를 인가하여 보호하는 ICCP(Impressed Current Cathode Protection)방식을 사용하고 있다.

이러한 음극보호 환경에서, (-)전류를 배관에 공급하는 전선의 중간에 전류를 펄스형태로 변경하는 전류 인터럽터 (Current Interrupter)를 삽입하고, 지하에 매설된 리퍼런스 전극이 있는 테스트 포인트와 한 선을 연결하고 나머지 한 선을 대지면과 접촉하는 전지 셀과 연결한 후 금속배관 매설경로를 따라 이동하며 전위 측정하여 코팅불량 여부를 파악하는 CIPS(Closed Interval Potential Survey) 방법이 있다.

또한 다른 방법으로는 CIPS와 같이 전선을 연결하지 않고 매설경로를 따라 대지면의 두 위치간 전위차를 측정하는 DCVG와 ACVG 점검 방법이 있다.

[도 8]은 DCVG 점검 개요를 보여주고 있다

[도 9]는 개스배관 점검자가 지면에 접촉하여 가스관과 대지(Pipe to Soil)간 전압강하(IR) 경도(Gradient)를 측정하여 코팅불량 개소를 찾는 모습과 열배관점검자가 배관 매설경로를 따라 차량으로 이동하며 지면의 온도상승 개소를 열화상 카메라로 측정하여 열배관 이상 개소를 찾는 모습을 보여주고 있다.

가스배관 점검시 일일히 배관을 따라 도보로 이동하며 대지전위 측정할 경우 시간이 장시간 소요되고, 열배관 점검시 지면이 대기 온도 이상으로 상승되어 열화상 카메라로 검출될 정도로 상승되었다면 이미 배관 부식이 상당히 진행되었을 때에사 검출할 경우 실질적인 예방 점검이 불가할 수 있을 것이다.

또한 [도 10]과 같이 전기화재가 국내 전체 화재 발생의 50% 이상 점유(부주의를 제외할 경우)하고, 또한 8월 우기에 평시보다 2배 이상 발생 건수가 증가하는 것은 중성선 접지 이후 보호 사각지대가 발생하여도 전위상승 원인이 제거되지 않고 지속되고 있다가 우기로 인해 절연저항이 낮아져 발화원인이 발생될 수 있다 주장해도 무리는 없을 것이다

이에 따라 최근 고저압 중성선 통합 접지에 따른 대지전위 상승 가능지역 확대로 AC 누전 등에 의한 대지전위 상승 원인 제거가 제대로 되지 않아 가스관 또는 열배관의 부식과 우기 시 전기 화재 발생에 대한 대책 수립이 필요하게 된다.

AC 누전 등에 의해 장기간 대지전위 상승에 의한 배관부식 및 건물화재 조기 검출 방법 개발

AC 뉴전원 제거 후 금속관 음극보호용 도체에 DC 탐사전원을 연결하여 배관불량 위치를 파악하고 보수하여 불량원을 제거하고 또한 건물내 보호사각지대에 위치한 누전원을 전해질과 접촉하지 않았을 때 사선으로 고전압 절연저항 측정으로 불량 여부를 파악하고 제거하여 우기시 전기화재 발생을 예방한다

전력선 유도 등에 의해 금속관 불량 및 건물내 누전원을 정확히 파악할 수 있는 이점이 있다

[도1]은 2011년부터 법제화되어 시행되는 한국전기설비규정 일부 설명이다
[도2]는 고저압 중성선 공용접지시 영향을 설명하고 있다
[도3]은 저압망의 이상적인 구성과 실제 구성을 비교 설명하고 있다
[도4]는 저압망 실제 구성에서 중성선 다중공용접지시 보호사각지대 발생을 설명하고 있다
[도5]는 전력선 지중화 증가에 따른 비선형 전류 영향지역 증가 원인을 설명하고 있다
[도6]은 최근 급격히 증가하고 있는 발전사업자 현황을 보여주고 있다
[도7]은 금속배관의 부식방지를 위한 음극보호(cathode protection)사례를 보여주고 있다
[도8]은 금속배관 코팅불량 위치 파악을 위한 점검설비의 구성을 보여주고 있다
[도9]는 금속배관의 코팅불량 등을 점검하는 모습을 보여주고 있다
[도10]은 전기화재 점유율 및 우기철 증가 통계를 보여주고 있다
[도11]은 서울시 조례에서 정하는 지하 매설물별 매설 깊이를 보여주는 수직 도면이다
[도12]는 국토부에서 정하는 지하 매설물 위치를 정하는 평면도이다
[도13]은 가스 및 전기 배관 및 계량기가 근접하여 설치된 모습이다
[도14]는 보호 사각지대에서 누전발생시 대지전위가 연속 상승되는 현상을 설명하고 있다
[도15]는 또 다른 형태의 보호사각지대를 설명하고 있다
[도16]은 AC 상용전압 이동측정을 위한 장치의 실례를 보여주고 있다
[도17]은 AC 사용전압 원인파악을 하는 모습을 보여주고 있다

[도 11]은 서울시 조례에서 정하는 지하매설 설비별 매설물 깊이를 보여주고 있다. 지하매설물 중에서 최상단에 전력선이 설치되고 있다는 것과 반대로 도시가스관은 최하단에 매설되어 있다는 것을 알 수 있다. 초기 가공설비로 시설하여 전력을 공급하다가, 최근에사 지중에 매설하는 방식으로 변경하다 보니 지표면과 제일 가까운 상단에 배치되고, 도시가스는 설치 초기부터 지중에 매설하여 제일 깊은 곳에 설치되어 두 설비간 수직으로 이격을 유지하고 있다.

[도 12]는 국토부에서 정하는 도로면 하부 수평으로 지하매설 설비별 매설 위치를 보여주고 있다. 인도와 근접한 지하에 가스관과 전기관이 인접하여 설치된다는 것을 알 수 있다.

위와 같이 비록 수직으로는 전기 설비와 가스 또는 열배관과 이격거리가 있는 것으로 보이지만, 수평방향으로는 가장 근접하여 설치되고 있다는 것을 알 수 있다.

또한 가정에 공급하는 저압 가스관은 지중 매설 구간에 PE(Polyetylen)관을 사용하여 부식이 되지 않지만, 지상 및 세대 내에서는 금속관을 사용하여 [도 13]과 같이 전력선 근처에 같이 설치되고 있다.

[도14]는 중성선 다중접지 시 보호사각지역에서 누전발생시 인근 중성선 다중접지(PEN)점의로 귀환되어 이를 전원측에서 인지하지 못할 때 계속하여 누전발생이 지속되고 이 때 대지전위 상승이 발생하는 경우를 설명하고 있다

[도15]는 또 다른 보호사각지대 발생 경우를 보여주고 있다. 즉 전력회사와 고객간 수급지점은 건물의 처마 끝 연결점인데 사실상 그 이후를 점검하려면 전력회사가 전원을 변압기에서 분리하여 줘야하는데 이는 현실적으로 어렵기 때문에 계량기 이후부터 전기안전공사에서 주기적으로 절연저항 등을 점검하고 있다. 그리고 최근 검침의 편리를 위해 계량기를 옥외에 설치할 경우 계량기에서 브레이커가 잇는 분전함까지 보호받지 못해 누전이 발생해도 이를 방치하는 경우가 발생하고 있다

전력선이 가공에 설치되어 있을 때는 문제가 되지 않다가, 최근 지중화 추진에 따라 지중 전력설비가 증가함에 따라 전력설비에 의해 대지전위 상승된 지역에 설치된 가스, 상수도 및 열배관과 같은 금속관 부식과 전기화재 가능성을 파악할 수 있는 장치 및 방법이 강구되어야 할 것이다.

전력선과 같이 평행 또는 교차하는 금속 배관은 전력선에 흐르는 전류에 비례하여 유도전류가 금속배관에 유기되고 이 전류에 의해 유도전압이 발생하게 된다. 다만 고압선은 외주면에 접지된 시스선이 있어 정전결합에 의한 고전압 유기는 무시할 수 있다.

만약 [도5]와 같이 금속배관 인근 전력선에서 고장 등으로 비선형 대전류 발생시 금속배관에 일정 크기 이상 유도전류가 흐르게 되고, 비접지시 금속배관 내부와 대지간 고저항에 의해 발생된 고전압은 코팅된 외부면 중 절연 응력이 제일 약한 곳을 택해 국부절연을 파괴하고 전류가 회귀된다.

이렇게 코팅불량 발생한 금속배관은 주변 전해질인 토양과 직접 접촉하게 되지만 음극보호설비가 있을 경우 부식 진행이 지연될 수 있다.

그러나 전력선으로부터 유도된 AC 상용주파수 전류가 코팅불량 개소인 [도 16]의 유입점인 a1과 유츌점인 a2를 통해 흐르게 될 경우, 양극 음극을 교번하는 상용주파수 전류에 의해 (-)극성을 유지하여 부식 보호를 하는 [도 7]과 같은 음극보호(cathode protection) 기능이 제대로 작동하지 못해 부식발생이 연속 진행될 수 있다.

또한 이러한 교번전류가 흘러 동일 (-)극성을 유지할 수 없는 곳에서는 [도 8]과 같은 DCVG(DC Voltage Gradient) 또는 CIPS(Closed Interval Pulse Survey)와 같은 진단이 불가능하게 된다.

이에 따라 전력선에서 유기되는 AC 유도 전류가 금속배관을 타고 흐르는 경우에는 [도8]과 다른 진단방법을 강구하여야 한다.

위와 같이 금속관 외면의 절연(코팅)불량 개소를 통해 전력선에서 유도되는 비선형 전류가 유입(a1) 또는 유출(a2)되는 위치한 대지면은 AC 상용전원 전위상승이 발생하게 된다.

이러한 원리를 활용하여 [도17]과 같은 대지전위 측정장치를 구비한 자동차를 이용하여 급속배관이 묻힌 지역의 도로면을 이동하며 바퀴전극을 이용하여 AC 상용전압 대지전위 상승위치를 파악한다.

다만 이전 기술과 같이 넓은 도로면을 아무런 제한없이 주행하는 것이 아니라, 동일 경로를 이동하더라도 차선의 위치에 따라 측정 데이터가 다를 수 있으므로 카메라를 이용하여 도로면의 일정 차선을 유지하도록 하거나, 레이저 거리측정장치를 사용하여 도로 중앙선과 거리 또는 보도 경계석과의 거리를 일정하게 유지하도록 관리하고 기록하여 다음 이동시 동일 차선 또는 중앙선 또는 경계석과의 거리를 유지하여 이동하며 측정하여 이전 자료와 비교 가능하도록 한다.

이렇게 기록된 주행루트별 대지전위 데이터를 기록 관리하고 다음 진단 시에도 동일 위치에서 대지전위를 측정할 수 있도록 이전 운행 차선정보 등을 활용하여 동일 위치로 운행되도록 이전 운행데이터를 기준점으로 하여 일정 거리 이내로 유지되도록 하는 이전 운전 데이터 기반 가이드 장치를 사용할 수 있다.

[도 18]은 대지전위 측정장치를 설명하고 있다. 복수의 바퀴전극들로부터 입력되는 대지전위 측정값을 기록하고 이동속도에 따라 측정데이터를 무선통신을 통해 차량 내부에 있는 기록, 매핑 경보장치로 전송한다. 또한 추가적으로 물통의 수위측정 및 바퀴전극의 측정값 오류를 보정하기 위한 진동계를 추가할 수 있다

[도 19]는 차량 내부에 설치되는 기록, 매핑 경보장치를 설명하고 있다. 측정데이터 수집부는 무선통신을 통해 취득되는 대지전위 측정정보와 GNSS 수신정보를 결합하여 위치별 대지전위 정보를 생성하고 그 결과를 차량운행 기록부와 데이터 관리부와 같이 공유한다.

차량운행정보 기록부는 차선을 유지 정보를 관리하고 기록하기 위해 카메라에서 이미지정보를 취득하여 차선변경과 회전과 같은 운전정보와 주요 랜드마크(교차로, 조향물) 이동시간 등을 취득하고, 또한 자동차 내부의 자동차 운행정보(운행시작, 종료 및 임시정지). 방향전환, 차선변경, 속도정보 등을 교환하여 이미지정보와 비교 보정하여 그 결과를 데이터 관리부와 공유한다

운전 가이드부는 다음 동일 구간 운전시 최근 차량운행정보 기록부의 운전정보를 기준점으로 하여 일정거리를 유지할 수 있도록 운전자에게 알려 비교 데이터가 이전 데이터 취극 위치와 동일 장소에서 대지전위 값이 측정될 수 있도록 한다

User Interface부는 데이터 관리부로부터 측정데이터 및 차량운행정보를 취득하여 이를 맵형태로 화면에 표시하도록 하고 또한 경보값이 발생시 그 위치를 사용자가 알 수 있도록 하여 추적 관리 및 분석할 수 있도록 한다

[도 20]은 차량 이동형 AC 상용전원 대지전위 상승위치 탐사장치를 사용하여 탐사할 경우 진단 경로 예시를 보여주고 있다. 도로의 위치에 따라 대지전위 차이 발생할 수 있으므로 대지전위 상승위치 탐사장치는 바퀴전극을 한차선을 카버할 수 있도록 제작하고 그 차선을 따라 이동하며 측정이 끝나는 도로에서 다시 회전하여 반대편 방향의 동일 차선을 측정하여 마지막까지 반복하여 측정한다.

[도21]은 차량 이동형 AC 상용전원 대지전위 상승위치 탐사작업 순서를 설명하고 있다. 대지전위 측정장치를 설정하고 운행하고자 하는 도로의 차선 위치에서 시작하여 바퀴전극을 통해 입력되는 대지전위를 연속 측정하여 [도 20]과 같은 순서로 측정하여 대지전위 상승 최대점을 파악한다

[도 22]는 카트 이동식 대지전위 탐사장치를 사용하여 차량 이동식 대지전위 측정장치가 검출한 대지전위 상승 최대점(Vmax)으로 이동하여, 차량 진입이 불가한 지역애서 대지전위(Vs)를 측정하여 Vmax보다 같거나 큰 대지전위 발생장소를 탐사하고 그 곳을 중심으로 전력설비 누전조사를 시행한다

누전조사를 시행하여 누전원을 분리한 후 Vmax를 제거하고 AC 대지전원 영향이 없는 상태에서 금속관 또는 접지와 연결된 음극보호(Cathode Protection) 도체에 DC 탐사 전압을 인가하여 금속관 불량 위치를 파악한다

[도23]은 대지전위가 전동차 운행과 같이 비선형 전류 등의 영향을 받아 주기적으로 전압변동이 발생하는 곳에서 금속관 불량 위치를 찾는 방법에 대해 설명하고 있다.

대지전위 전압 변동 주기가 일치하는 대전류 발생원을 주변 중성선 접지 PEN 전압을 측정하여 방향을 파악하고 그 위치 주변에서 대전류 발생원을 찾고 그 대전류 발생 기기의 동작시간 또는 전동차일 경우 운행시간과 Vmax 또는 Vpen의 상승주기 일치여부를 확인한 후 일치할 경우 그 대전류 발생원의 휴무시간을 파악하거나 또는 임시휴무를 협의하여 대전류 발생원 정지시 Vmax 등의 전압이 제거될 경우 [도 22]와 같이 음극보호 설비에 DC 탐사 전압을 인가하여 금속관 불량위치를 탐사한다

[도24]는 건물 인근에서 대지전위 상승 현상이 발생하는 경우에 건물 내부 보호 사각지역에 위치한 전력설비 누전에 의한 화재를 예방조치 작업 순서를 설명하고 있다. [도22]와 같이 Vmax주변에 위치한 건물 경계선에서 최대 대지전위가 검출되면 건물 내부 전력설비 누전탐사를 활선으로 시행하고 만약 누전발생 설비가 없다면 전력회사와 협의하여 보호 사각지역 내엣 위치한 설비의 절연저항 등을 측정하여 불량여부를 파악한다. 필요시 절연 불량이더라도 지중에 매설되 경우와 달리 건물내 전력선과 접촉하는 재질이 건기 시 절연 유지될 수 있으므로 우기 시에 점검할 필요할 경우도 있다.

이렇게 누전발생원을 제거한 후 정전작업을 마치고 다시 전기가 흐를 때 Vmax의 제거가 된 것을 확인하고 작업을 마친다.

Claims (1)

1. AC 상용전원 대지전위 상승에 의한 금속관 코팅불량 위치 및 건물 전기화재 발생 예방을 위한 방법

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