1. 서 론

전기설비, 통신장비 등은 낙뢰/써지전압에 의한 전기적인 충격으로부터 인명 보호, 전기기기 동작확보와 충격전류를 대지로 신속하게 방류하기 위하여 접지공사를 시공하고 있다. 특히 현대생활에 필수적인 스마트폰의 원활한 통신을 위한 통신기지국은 30년전 부터 도심지 빌딩옥상에 설치되어 전국적으로 10만 개소에 분포되어 있으며, 통신설비와 연결된 접지동봉은 땅속에 매설되어 경년변화로 접지보강이 절실히 요구되고 있다. 전력설비는 접지저항값이 법규로 정해져 있고, 매년 접지저항값을 측정하여 그 규정값 이하로 유지하기 위하여 접지보강공사를 시행하여야 하는데 도심지역 지하에 산재되어있는 7대 지하매설물(전기, 가스, 통신, 열난방, 송유관, 상·하수도)을 손상시키지 않고 접지보강공사를 하기에는 매우 힘든 일이다. 또한 현재 시공되는 접지방식의 경우 매설된 접지만으로 규정저항값을 만족하기 어려워 별도의 접지저감재 시공이 필연적이며, 그마저도 토지성분에 따른 공극 또는 저감재 유실 등에 의한 접지저항 상승을 제어하기 어려운 현황이다. 따라서 본 논문에서는 초정밀 카메라 내장 비파괴 드릴접지 장치 및 공정개선과 지하매설물 손상 제로화 시공의 기술적 근간 확보, 그리고 신개념 접지저감재 활용에 따른 접지저항 신뢰도 향상 방안에 대해 기술하였다.

현재 한전 배전선로 1100만개소의 접지저항 측정은 지중설비, 기기설치 배전전주는 1회/3년, 일반 배전전주 1회/5년 시행하고 있다⁽¹⁾. 그러나 한정된 예산에 맞춰 매년 측정한 접지저항 불량개소는 도면에 의존하여 지하매설물 유무를 확인하고 해머를 이용한 항타식 접지보강공사 방법으로 시행하고 있어 지하매설물 손괴, 작업자 감전사고의 위험을 상시 내재하고 있는 실정이다. 또한 접지장소, 지역, 지질에 따라 대지 고유저항이 달라 접지저항에 큰 영향을 미치며 산악지와 같은 지질은 공극과 암반으로 접지 저항이 높은바, 보통 2직4병 방법으로 요구 저항값이 나올때까지 접지보강 공사를 시행하므로 외상고장으로 인한 경제적 피해액을 최소화하고 국가적 재산손실 및 안전사고의 원천적 예방과 원가절감의 방법을 모색하여야 한다. 따라서 도심지 지하매설물 확인이 불가한 현행 항타식 접지시공 방법과 달리 내시경 카메라를 내장한 드릴 장치를 개발하여 굴토 진행 상황의 실시간 확인, 필요 불가결한 미량의 토사만 압축/제거, 일련의 접지 관련 공사규모를 대폭 축소하는 등의 기술 및 공정개선 방법을 적용하고자 한다.

2. 초소형 카메라 내장형 비파괴 드릴 접지 장치 개발

전력설비의 접지불량은 낙뢰 등 환경적 측면에서 각종 피해를 초래하며, 건물 신증축을 위한 공사용 펜스 파이프, CCTV 접지공사 등은 도심지 지하매설물 현황의 육안 확인이 불가하여 전력케이블 외상고장을 일으켜 광범위한 정전고장으로 이어지고 있는 실정이다. 본 연구에서 드릴 접지장치는 굴토 작업시 우선 드릴장치 끝부분에 설치된 비파괴 센서가 자기장 수치변화에 따른 감지방식으로 활선상태의 전력케이블을 인지하면 드릴장치 동작을 자동으로 중지시키고, 초소형 카메라는 드릴 작업시 실시간 육안확인, 기타 매설물을 인지하면서 굴토 가능토록 설계하였고, 이 구성은 그림 1 에서 접지보강공사는 총5단계 29개 항목으로 구성되어있는데 그중 굴착 허가신청 등 14가지 공정을 생략하여 전체공정의 단축을 가능토록 하였다.

그림 1 접지보강공사 흐름도

Fig. 1 Ground Reinforcement Flowchart

그림 2 드릴장치 기능별 내부 배치도

Fig. 2 Drill gadget interior layout

2.2 드릴 접지장치 구동부 및 감시부 사양 적용

드릴장치 구동부는 그림 3과 같이 BLDC모터 7690S(정격전압 DC 24V, 출력 250W, 토크 1.04Nm, 회전수 2300±10% rpm, 무게 2kg)2개로 상하작동 및 스핀들 구동에 연결되어 있으며 감속기 NMRV050-100/1은 상하작동, 감속기 NMRV050-30/1은 스핀들 작동에 사용된다. 모터드라이브 BLD-4815(무게 410g)는 모터 속도 콘트롤러에 사용된다. 감시부는 10.1인치 FHD IPS 디스플레이의 해상도 1920×1200화소, CPU 1.6, 크기 245㎜×151㎜×8.9㎜를 케이블베어를 이용 동력전달을 가능하게 하였다.

그림 3 드릴장치 구동부

Fig. 3 Drill gadget drive components

2.3 비파괴 센서 개발 적용

검전장치 콘트롤러(70㎜×25㎜)는 조정기 본체 내부에 설치되어 드릴 본체로 연결되어 있으며, 드릴 끝 날 기준(감지범위30㎜∼400㎜) 굴토되는 토양 하부의 지하매설 전력케이블을 감지하면 1차 알람으로 신호를 보내며, 그와 동시에 상하굴착 동작은 자동 정지되도록 하였고(감지범위는 콘트롤러에 설치되어 있는 볼륨으로 조정가능) 감시부에서 상황을 해제할 수 있도록 수동으로 센서감지 동작을 정지시켜 드릴장치를 상부로 올려 다른 장소에서 유도공 굴토작업을 이어간다. 그림 4는 초소형 카메라 내장형 비파괴 드릴접지 장치 사시도이다.

그림 4 비파괴 드릴접지 장치 개발품 사시도

Fig. 4 Perspective view of non-destructive drill grounding device

2.4 기존 검전기 문제점 및 자기장 검전기 개발

특고압 배전공사 및 기타 전기공사에 활용하고 있는 검전기 종류에는 활선접근경보기, 다전압 휴대용 검전기(3.3kv~35kv), 용량성 검전기(5~35kV)가 있다. 그러나, 그림 5와 같이 기존의 3가지 검전기로는 지중케이블에 대해서 모두 검전이 불가하다. 지중케이블 교체, 지상변압기, 개폐기 교체 및 조작 시에는 해당 선로가 필히 사선임을 확인한 후 작업이 가능하며, 지상기기만 검전이 가능하다. 특히 굴착공사로 관로가 노출될 경우 기존 검전기로는 검전이 불가하여 관로를 절개해서 케이블 유무만 확인이 가능할 뿐이다. 이러한 문제점으로 자기장 검전기를 개발하였다. 자기장 검전기는 자속의 크기에 보정 값을 증폭하는 방법으로 검전하여 별도의 준비작업 없이 현장의 지중 관로 상부에서 지중케이블 사·활 구분이 가능하다. 또한, 부하에 따른 자기장 센서 감도를 조절하여 검전거리 조절이 가능하다. (자기력선속의 밀도인 가우스 수치활용 5cm : 71.8G, 10cm : 54G, 15cm : 14.9G, 20cm : 12.3G, 25cm : 4.0G 실험결과 거리에 따라 가우스 수치가 떨어진다.)

그림 5 기존 검전기 및 자기장 검전기 현장시험

Fig. 5 Field test with magnetic volt detector and stereotype detector

그림 6 신개념 접지저감재 경년변화 데이터 취득

Fig. 6 Secular data of new-type ground reducer

3. 신개념 접지저감재 기술 적용

지역별, 계절별 대지저항편차 발생에 따른 접지저항 적기보강의 어려움을 해소하고자 폐자원(석탄가루)과 질석의 혼합조성물 구성 비율별로 현장시험 결과 그림 6과 같은 값을 나타내었다. 질석은 산(酸)에 쉽게 분해되고, 양이온 교환능력이 크며 흡수능력이 뛰어난 장점을 이용하여 석탄가루와 혼합하여 신개념 접지저감재를 접지동봉 주변에 도포하였으나, 접지저항저감재의 경우 일시적으로 효과는 있으나 시간이 지남에 따라 땅속으로 흘러 들어가는 빗물 유입으로 접지저감재 유실(접지지역과 지질에 따라 영향)이 발생됨을 알 수 있었다⁽²⁾. 또한, 유도공 천공작업 후 접지저감재를 물과 함께 희석하여 천공부위에 투입하므로 작업의 효율성과 작업시간이 길어짐을 보강하기 위해 자갈·돌 등이 많은 공극이 큰 토질에 유실 방지 및 지속적인 접지저항 값을 유지하도록 도전성분이 포함된 섬유로 대지와의 접촉면적을 넓힐 수 있도록 하였다.

3.1 자갈·돌이 많은 토질 현장 검증

앞서 언급한 신개념 접지저감재는 접지동봉 1직1병(매설지역 및 깊이는 전체 동일하게 굴착 : 1,000㎜×1,000㎜×750㎜, 매설깊이 : 지표면에서 1.8M)에 종류별로 2m의 간격을 띄워 시공한 후 3점식 접지저항 측정기로 1년간의 경년변화를 측정하기 위해 그림 7과 같이 자갈·돌이 많은 토질로 선정, 그림 6의 측정값을 취득하였다.

그림 7 용연변전소 산기슭 현장검증

Fig. 7 Field Test near Yong-Yeon S/S

기존접지공법과 비파괴 드릴접지 장치공법으로 도심지 번화가에 전력설비가 설치되어있는 동일장소에서 시공결과 그림 8과 같은 작업 소요시간이 검증되었다. 검증장소의 지질은 기존 접지보강으로는 1직2병으로 시공하여야 하나, 신개념 접지저감재 보강결과 목표 접지저항값을 1직1병으로 공사비 66%의 원가절감을 구현할 수 있었다.

그림 8 기존 접지공법 대비 드릴장치 사용공법 시범 결과

Fig. 8 Test result with drill gadget compared to existing methods

3.2 탄소봉을 활용한 접지저항 경감 검증

현재 시공하고 있는 접지봉 및 접지저감재는 빗물 등으로 유실될 우려가 크며, 지역과 지질에 상당한 영향을 받고 있다. 또한, 기존 접지봉의 경우 경년변화에 따른 접지저항 측정과 불량개소 공사가 반복적으로 수행되고 있다. 이러한 문제점으로 접지저감재를 일체형한 탄소튜브 접지봉을 개발하였다. 접지저감재 일체형 제작으로 별도의 물과 희석작업 없이 간단한 물 공급으로 작업이 가능하며, 전도성 섬유는 도전성분이 포함된 섬유로 대지와의 접촉면적을 넓혀 저항을 낮추는 효과와 수분의 흡수와 방출이 용이하며 접지저감재와 접지건극과의 밀착을 유지시켜줌으로써 접지저감재 유실을 막아준다. 아래는 실제 탄소튜브 접지봉을 활용하여 접지보강 공사한 결과이고 측정값은 1480Ω에서 55Ω으로 접지저항이 경감하였음을 알 수 있다.

그림 9 탄소봉을 활용한 접지시공 현장

Fig. 9 Grounding with carbon ground rod

4. 결 론

본 연구는 접지공사 시 발생할 수 있는 각종 매설물 사고를 예방하고 굴착시간 최소화, 만족스러운 접지 저항값을 확보하기 위한 연구이다. 그간 추진한 연구사항을 정리하면 다음과 같다.

첫째, 시공 중 매설물을 실시간으로 파악하기 위한 감지장치(내시경 카메라, 비파괴센서)내장형 접지 유도공 굴착장치를 개발하였다. 원활한 현장사용을 위하여 최소화된 크기와 매설물 파손예방을 극대화할 수 있도록 설계하였고, 굴토 시 내장된 카메라를 통한 모니터링 기능과 검전형 비파괴센서의 전력케이블 탐지기능으로 지중 전력설비의 파손을 예방하였다.

둘째, 지반유실, 지하수 등 공극 발생 및 저감재의 유실로 인한 접지저항 상승을 방지하기 위하여 전도성을 가진 물질을 배합한 튜브형 접지저감재를 개발하였다. 혼합된 저감재를 일정기간동안 비교측정한 결과 만족스러운 접지저항값 확보가 가능할 것으로 사료된다.

따라서, 기술적 활용 방안으로 도심지의 매설물 밀집지역에서 대형 굴착장비 없이 무사고 접지봉 시설이 원활히 이루어질 수 있다. 또한, 신개념 접지저감재를 활용하여 경년변화에 따른 접지저항값에 대한 신뢰도가 향상되어 반복적인 접지보강공사를 최소화하는 등 경제성과 효율성 향상효과가 나타날 것으로 판단된다.