가공송전선 부식

왜 배우는가: 가공송전선은 옥외에 노출되어 대기오염물질, 염분, 습기의 영향을 계속 받는다. 부식이 진행되면 도체 단면적과 인장강도가 줄어 단선과 정전으로 이어지므로 설계와 유지보수의 핵심 검토 항목이다. 시험에서는 부식 요인과 방지 대책을 묻는 형태로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제134회 1교시 12번, 제102회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

가공송전선 부식은 대기 중 오염물질, 염분, 습기 같은 환경 요인과 금속 재질 사이의 화학·전기화학 반응으로 전선 도체와 철탑 부재의 금속이 표면부터 소모되어 단면적과 강도가 줄어드는 현상이다.

가공송전선 부식은 환경 요인과 금속의 화학·전기화학 반응으로 도체와 부재가 소모되는 현상이다

• 가공송전선
• 대기 부식
• 염해
• 갈바닉 부식
• ACSR
• 아연도금
• 전기화학적 부식

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 전선이 바깥 공기에 오래 노출되어 녹슬고 가늘어지는 현상이다. 부식은 금속이 주변 물질과 반응해 산화물이 되며 금속 원자가 빠져나가는 과정이다. 가공송전선에서는 공기 중 수분이 얇은 막을 만들면 이 과정이 전기화학적으로 빨라진다.

정식으로는 금속 표면에 수분 등 전해질 막이 형성되어 양극 반응과 음극 반응이 함께 일어나는 전기화학적 부식으로 정의한다. 대기 중 이산화황이나 질소산화물이 물에 녹으면 산성 막이 되어 반응을 촉진한다. 산성비는 일반적으로 pH 5.6 미만의 강산성 강수를 말하며, 이 환경은 아연과 철 계열 금속의 부식을 가속한다.

염해는 해염 입자가 바람에 실려 전선 표면에 부착되는 현상이다. 염화물 이온은 금속 표면의 보호 피막을 깨뜨리므로 해안 노선에서 부식이 두드러진다. 염분 부착량은 노선과 바다의 거리, 풍향, 강우 조건에 따라 달라진다.

갈바닉 부식은 전해질 속에서 서로 다른 두 금속이 전기적으로 접촉할 때, 전위차 때문에 한쪽 금속이 우선 부식되는 현상이다. 이때 전위가 낮은 쪽은 양극이 되어 부식이 촉진되고, 높은 쪽은 음극이 되어 부식이 억제된다. ACSR은 강심과 알루미늄 연선이 함께 있으므로 두 금속 사이의 전위차가 문제가 된다. 강심은 아연도금으로 보호하여 이 전위차에 따른 부식을 줄인다.

이 현상은 외관상 눈에 띄지 않는 경우가 많다. 그래서 점검 때는 색 변화, 표면 백화, 도금층 벗겨짐을 함께 본다.

3. 등장 배경과 필요성

송전 전압이 높아지고 송전 거리가 늘면서 가공송전선은 해안, 공업지대, 도심 주변을 지나는 경우가 많아졌다. 이런 지역은 염분과 오염물질 농도가 높아 부식 조건이 나쁘다. 같은 송전선이라도 환경에 따라 수명이 크게 달라지므로 노선 환경을 설계 단계에서 고려해야 한다.

부식이 진행되면 도체의 유효 단면적이 줄어 인장강도와 허용전류가 함께 떨어진다. 강심이 부식되면 전선의 기계적 강도가 감소하여 강풍이나 빙설 하중에서 단선 위험이 커진다. 도체가 끊기면 정전 사고로 이어지고 복구에 많은 비용이 든다.

국내에서도 교통 부문의 부식 사례가 보고되어 있다. 도심 철도의 전차선과 급전선에 쓰이는 아연도강선이 배기가스 영향으로 지방보다 빠르게 부식되어 조기에 교체해야 했다는 사례가 있다. 이 사례는 오염 농도가 높은 지역에서 아연도금층의 수명이 짧아진다는 점을 보여준다.

따라서 가공송전선 부식은 재료 선정, 도금 두께, 노선 환경 평가, 정기 점검을 함께 다루어야 하는 문제다. 답안에서는 부식 요인을 환경 요인과 재료 요인으로 나누어 설명하면 체계가 분명해진다.

4. 구성요소·원리·절차

가공송전선 부식은 금속 도체와 주변 환경이 만나 전기화학적 또는 화학적으로 금속이 소모되는 현상이다. 답안에서는 먼저 부식이 일어나는 부재를 나누고, 그다음 부식의 원리와 진행 절차를 순서대로 서술한다.

가공송전선의 주요 구성요소와 부식 관점의 특성은 다음과 같다.

표의 구성요소는 모두 금속이므로, 부식의 출발점은 금속 사이의 전위차와 수분이다. 전위차가 있는 두 금속이 전해질 막을 통해 연결되면 전자가 흐르고, 낮은 전위(양극) 쪽 금속이 먼저 녹는다. 이것이 갈바닉 부식은 전위가 낮은 금속(양극)이 우선 소모되는 현상이다. 양극이 된 금속은 부식이 촉진되고, 음극이 된 금속은 부식이 억제된다.

부식 원리를 식으로 나타내면 다음과 같다. 양극 반응에서 금속 M은 전자를 잃고 이온이 된다.

$M \rightarrow M^{n+} + ne^-$

여기서 M은 금속, n은 이온의 가수, e^-는 전자다. 음극에서는 용존 산소가 환원되어 수산화이온이 생긴다.

$O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-$

수분과 산소가 함께 있어야 반응이 지속되므로, 송전선에서는 습윤 상태(안개·결로·오염물 부착)와 염분·산성 물질이 부식을 가속한다.

부식 진행 절차는 다음과 같다.

• 대기 중 수분, 염분, 황산화물·질소산화물이 전선과 금구 표면에 부착하여 전해질 막을 만든다.
• 이종 금속이 접촉하거나 도금이 손상되어 전위차가 생긴다.
• 전위가 낮은 금속이 양극이 되어 금속 이온으로 용출한다.
• 용출된 부분의 단면적이 줄어 기계적 강도가 떨어지고, 부식 생성물이 쌓여 접촉 저항이 증가한다.
• 접촉 저항 증가는 발열을 일으키고 부식을 다시 촉진한다. 이 되먹임이 누적되어 단선이나 금구 파손으로 이어진다.

도식으로 보면 부식이 되먹임을 통해 누적되는 흐름이 드러난다.

이 흐름에서 핵심은 되먹임이다. 접촉 저항이 커지면 같은 부위에서 부식이 더 빨라지므로, 초기 단계에서 전위차와 수분을 끊는 것이 가장 효과적이다.

5. 관련 법령·기준·표준

가공송전선의 부식 방지는 전선·금구·철탑의 재질 기준과 도금 기준으로 관리한다. 송전설비의 설계와 시공은 전기설비기준 및 한국전기설비규정(KEC)의 송전선로 조항을 따른다. 그 세부 재질과 도금 두께 기준은 아래 표로 정리한다.

위 표의 세부 수치와 조항 번호는 시행 시점과 설계 기준의 개정에 따라 달라질 수 있다. 답안에는 기준 이름과 원리를 함께 쓰고, 정확한 수치는 해당 설계기준 원문에 따른다는 점을 전제로 서술한다.

강심알루미늄연선은 강심이 기계적 강도를, 알루미늄이 도전율을 맡는다. 두 금속의 전위차가 있으므로 접촉면 부식이 발생할 수 있다. 이 때문에 연선 내부에 부식 방지 그리스를 채우는 설계가 적용된다.

철탑과 가공지선은 아연도금으로 보호된다. 아연은 철보다 전위가 낮아 도금층이 먼저 희생되어 기저 강재를 보호한다. 도금이 벗겨져 강재가 노출되면 그 부분에서 부식이 집중된다.