전식 발생 및 방지대책

왜 배우는가: 전식은 직류 전기철도 운행으로 주변 매설 금속체(가스관·수도관·지중케이블 외피)가 부식되는 현상으로, 실무에서 누설전류 관리와 매설 배관 안전을 좌우한다. 전기응용기술사 시험에서 여러 회차에 걸쳐 반복 출제되므로 발생 원리와 방지 체계를 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제125회 3교시 1번, 제121회 4교시 3번, 제118회 2교시 6번, 제109회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전식은 직류 전기철도의 레일에서 대지로 누설된 전류가 매설 금속체에 유입·유출되며, 유출부에서 금속이 전기화학적으로 산화되는 부식이다.

• 전식(Electrolytic Corrosion)
• 누설전류(Stray Current)
• 대지 귀로(Earth Return)
• 레일 전위(Rail Potential)
• 매설 금속체(Buried Metallic Structure)
• 배류법(Drainage)
• 희생양극법(Sacrificial Anode)
• 외부전원법(Impressed Current)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 전철이 돌아오는 전류 일부가 레일을 벗어나 땅속으로 새고, 그 전류가 땅속 수도관이나 가스관에 들어갔다가 다시 흘러나오는 자리에서 쇠가 녹는 현상이다. 전류가 금속에서 흙으로 빠져나가는 지점이 가장 심하게 부식된다.

정식 정의는 다음과 같다. 직류 전철의 귀로인 레일은 절연이 완전하지 않아 궤도 대지 사이 전기 전도도에 따라 전류 일부가 대지로 누설된다. 이 누설전류가 근처 매설 금속체를 통과하면서 전기분해 작용으로 금속 이온이 용출하는 현상을 전식이라 한다.

핵심 용어는 다음과 같다. 누설전류는 귀로 레일에서 대지로 새는 전류이다. 양극부(Anode)는 전류가 금속에서 대지로 빠져나가는 부위로, 여기서 금속이 용해된다. 음극부(Cathode)는 전류가 대지에서 금속으로 들어가는 부위로, 여기서는 부식이 거의 일어나지 않는다.

직류 전철 레일 누설전류가 전식의 주원인이다. 교류 전철에서도 유도 장해는 있으나, 전식 문제는 주로 직류 방식에서 두드러진다.

3. 등장 배경과 필요성

전기철도는 레일을 귀로로 사용하는 경우가 많다. 별도 귀선을 설치하면 비용이 크게 늘기 때문이다. 이 구조에서 레일은 대지와 여러 지점에서 접촉하므로 전류 일부가 자연스럽게 땅으로 흐른다. 레일과 대지 사이 누설 정도는 레일 저항, 대지 전도도, 궤도 절연 상태에 따라 달라진다.

도시 지역에서는 지하철, 노면전차, 지하 매설 배관이 밀집해 있어 피해 범위가 넓다. 가스 배관이 부식되면 누출 사고로 이어질 수 있으므로 안전과 직결된다. 그래서 전식 방지는 전철 설비 설계 단계부터 고려해야 하는 항목이다.

직류 전철은 전압이 높고 전류 변동이 커서 누설전류도 순간적으로 크게 변한다. 특히 차량 가속 시 전류가 급증하는 구간에서 매설관 전위가 최대가 되는 것으로 보고되어 있다. 따라서 전식 대책은 평균 전류가 아니라 피크 전류 기준으로 검토할 필요가 있다.

이 배경을 이해하면 뒤에서 다룰 방지대책이 왜 필요한지 설명할 수 있다. 원인 제거, 배류, 방식 전원 주입이라는 세 방향이 나오는 이유도 여기서 출발한다.