전기철도 전식방지대책

왜 배우는가: 전기철도는 레일을 귀선으로 쓰기 때문에 누설전류가 매설 금속체를 부식시키는 전식 문제가 필연적으로 생긴다. 가스관·수도관·케이블 외피의 파손은 안전사고와 막대한 보수비로 이어지므로 실무 설계에서 반드시 검토된다. 기술사 시험에서는 2교시와 3교시에 반복 출제되어 원인, 방지 방법, 배류법 유형 비교를 체계적으로 묻는다.

출제 이력: 제131회 3교시 4번, 제94회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전식은 전기철도 레일 등에서 대지로 누설된 직류 전류가 매설 금속체에 유입·유출되며 발생하는 전기화학적 부식이다.

핵심 키워드

• 누설전류(Stray Current): 레일 등 귀선에서 대지로 새어 나가는 전류
• 전식(Electrolytic Corrosion): 누설전류가 금속체를 떠날 때 산화가 일어나는 현상
• 직류 전기철도: 레일을 귀선으로 사용하는 직류 급전 방식
• 전위차 부식: 금속 간 또는 금속과 대지 사이의 전위차에 의한 부식
• 방식(Corrosion Protection): 부식을 막기 위한 전기적·기계적 조치
• 배류법: 누설전류를 레일로 되돌려 보내는 방식
• 희생양극법: 자연전위가 더 낮은 금속을 양극으로 써서 피보호체를 보호하는 방식
• 외부전원법: 외부 직류전원으로 방식전류를 공급하는 방식

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 전기차가 레일을 따라 전기를 되돌려 보내는데 그 전기 일부가 땅으로 새고, 땅속 수도관이나 가스관으로 들어갔다가 다시 나오는 자리에서 쇠가 녹는 현상이다.

정식 정의는 다음과 같다. 전식은 직류 전기철도의 귀선인 레일 등에서 대지로 흘러나온 누설전류가 대지 중 매설 금속체(가스관, 수도관, 케이블 외피 등)를 통과하면서 전류가 유출되는 부분에서 금속이 산화되는 현상이다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다. 누설전류는 정상 귀로 밖으로 새는 전류이고, 전식은 그 전류에 의해 금속이 녹는 부식이다. 전류가 금속에서 대지로 빠져나가는 지점(양극부)에서 산화가 촉진되므로 피해는 국부적이고 빠르게 진행된다.

전식은 일반 자연부식과 구별된다. 자연부식은 금속과 주변 환경 사이의 국부전지에 의한 것이고, 전식은 외부에서 흘러 들어온 직류 전류에 의한 것이다. 따라서 발생 원인을 제거하거나 전류의 흐름을 바꾸는 방식으로 대응한다.

3. 등장 배경과 필요성

전기철도는 전차선에 공급한 전류를 레일을 통해 변전소로 되돌려 보낸다. 레일은 대지와 접촉하고 있어서 절연이 완전하지 않으며, 전류의 일부는 전기가 흐르기 쉬운 경로를 따라 대지로 누설된다. 이 누설 경로에 금속 매설물이 있으면 전식이 발생한다.

귀선 레일의 저항과 레일과 대지 사이의 절연 저항이 누설전류의 크기를 결정한다. 레일 절연이 낮을수록, 레일 저항이 클수록 누설전류가 늘어난다. 또한 열차 가감속이 많은 구간이나 변전소 간격이 길어 전압강하가 큰 구간에서 누설전류의 크기가 커진다.

도시철도와 지하철처럼 레일과 매설 가스관·수도관이 가까운 구간에서 피해가 집중된다. 지하 매설 케이블의 외피가 손상되면 누전과 감전 위험까지 생기므로, 전식 방지는 설계 단계에서 반드시 고려해야 할 전기철도의 기본 요건이 되었다.

교류 전기철도에서도 전식이 완전히 없는 것은 아니지만, 직류 전기철도에서 피해가 훨씬 크고 빈번하므로 시험에서는 직류 방식을 중심으로 다룬다.

4. 구성요소·원리·절차

전식 방지대책은 레일 누설전류가 매설 금속체로 유입되는 경로를 막거나, 유입된 전류를 레일로 되돌려 보내는 원리로 구성된다. 대책은 크게 레일 누설전류 억제, 배류, 방식 전류 인가로 나뉜다.

누설전류 억제는 레일과 대지 사이의 저항을 크게 하고 변전소 간격을 적정하게 두는 것이다. 레일 본드는 레일 전기저항을 낮춰 전위차를 줄이는 역할을 하므로 본드 시설이 전식을 줄이는 방법이라고 단정할 수 없다. 배류법은 매설관과 레일을 도선으로 연결해 누설전류가 레일로 귀환하도록 한다. 직접 배류법은 레일과 매설관의 극성이 바뀌면 매설관에서 유출이 생기므로 단방향 전류만 흐르게 하는 선택 배류기를 쓴다. 레일 전위가 높아 선택 배류기가 곤란하면 강제 배류법으로 외부 전원을 더해 방식한다.

외부 전원법은 직류전원장치의 양극을 대지의 외부 전원용 전극에, 음극을 매설관에 접속해 방식전류를 얻는다. 방식효과가 크고 유효범위가 넓지만 전원 설비가 필요하고 인근 타 금속 매설물에 전식을 일으킬 수 있다. 희생양극법은 전지작용으로 방식하며 전원이 필요 없어 분산 배치가 가능하다. 공사비가 저렴하나 방식범위가 좁아 국부 방식에 쓴다.

방식의 기준이 되는 자연전위는 다음과 같다. 마그네슘은 -1,550~-1,770mV, 철은 -450~-650mV 이다. 두 금속의 자연전위 차가 커야 희생양극이 충분한 방식전류를 낸다.

전식 방지는 누설전류의 억제, 배류, 외부전원·희생양극에 의한 방식으로 구분한다.

절차는 다음 순서로 적용한다.

• 레일 전위와 누설전류를 측정하여 전식 위험 구간을 파악한다.
• 레일 절연과 본드 상태를 점검해 누설 경로를 줄인다.
• 매설관 전위가 레일보다 높은 구간은 배류법을 검토한다.
• 극성 변화가 있으면 선택 배류기를 설치한다.
• 레일 전위가 높아 선택 배류가 곤란하면 강제 배류법 또는 외부 전원법을 적용한다.
• 방식 후 매설관 전위를 재측정해 방식 기준 충족 여부를 확인한다.

다음 도식은 전식 발생과 방지 흐름을 나타낸다.

5. 관련 법령·기준·표준

전식 방지대책은 국내에서 철도 전기설비 기준과 가스 배관 전기방식 기준의 두 체계로 다룬다. 철도 측은 전차선로 설계와 레일 전위 관리 기준이 근거가 되며, 배관 측은 가스시설 전기방식 기준이 근거가 된다. 「전기사업법」 계열의 전기설비 기술기준과 한국전기설비규정(KEC)은 접지와 전위 관리의 일반 기준으로 함께 쓴다.

직류 전차선로의 전위 관리는 레일 전위 상승을 억제하는 것이 목표다. 레일 전위가 높아지면 선택 배류기 적용이 곤란하므로 강제 배류법으로 전환한다.

가스시설 전기방식 기준(GC202 2018)은 희생양극법, 외부전원법, 배류법을 정의한다. 배류법은 매설배관 전위가 주위 타 금속 구조물보다 높은 장소에서 두 금속을 전기적으로 연결해 전류를 되돌리는 방법으로 정의한다.

개정 연혁은 현재 확인된 자료에서 특정 개정 내용을 단정하기 어렵다. 기준 적용 시에는 현행 고시 본문을 기준으로 삼는다.

6. 유형과 비교

전식방지대책은 크게 희생양극법, 외부전원법, 배류법으로 나뉜다. 배류법은 다시 직접 배류법, 선택 배류법, 강제 배류법으로 나뉜다. 각 방식은 전원 필요 여부와 방식 범위가 달라 현장 조건에 따라 고른다.