전식 방지대책

왜 배우는가: 전식은 전기철도 운영과 함께 발생하는 대표적인 전기 부식 현상이며, 매설 금속체의 수명과 가스 안전에 직접 영향을 준다. 직류 전기철도의 특징과 연결되어 원인, 방식 방법, 분야별 대책을 묻는 주제이므로 여러 교시에서 원리와 대책을 함께 설명할 수 있어야 한다.

출제 이력: 제130회 3교시 1번, 제128회 4교시 1번, 제125회 4교시 5번, 제121회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전식(電蝕)은 레일 등에서 대지로 새어 나온 직류 누설전류가 지중 금속체에서 대지로 빠져나가는 부위를 산화시켜 금속을 부식하는 현상이다.

핵심 키워드는 전식, 누설전류, 직류 전기철도, 자연전위, 양극부, 배류법, 희생양극법, 외부전원법이다.

2. 개념 풀이

전식은 직류 전기철도의 레일 등에서 설계된 귀로를 벗어난 누설전류가 대지를 통해 지하의 금속 매설물에 유입되고, 다시 대지로 빠져나가는 과정에서 생기는 전기화학적 부식이다. 가스관, 수도관, 케이블 외부도체처럼 토양보다 전도성이 큰 금속체가 누설전류의 통로가 되므로, 매설 금속체가 있는 곳이라면 전식 문제가 생길 수 있다. 전식은 이종금속 접촉부식과 구분해야 한다. 이종금속 접촉부식은 금속 사이의 자연전위차로 생기는 부식이고, 전식은 외부에서 흘러 들어온 전류가 원인이기 때문이다.

전식의 원리는 전기분해와 같다. 금속체에서 전류가 토양으로 빠져나가는 양극부에서 금속이 이온으로 용출되며 산화가 진행된다. 따라서 피해는 전류가 금속으로 들어오는 곳이 아니라 금속에서 빠져나가는 양극부에 집중된다. 이 원리가 배류와 방식의 설계 방향을 정하는 근거가 된다.

전식의 주된 원인은 직류 전기철도의 레일 누설전류이다. 이 밖에도 직류 접지 설비, 대지와 해수를 귀로로 쓰는 직류송전 방식, 전기 용접기의 접지 연결이 누설전류를 만들어 전식을 일으킨다. 직류 전기철도는 레일이 대지와 완전히 절연되지 않아 누설전류가 많이 생기므로 가장 중요한 원인으로 본다.

금속체의 극성과 전위는 자연전위로 설명한다. 자연전위는 금속이 토양에 놓였을 때 나타나는 고유 전위이다. 철의 자연전위는 -450~-650mV, 마그네슘의 자연전위는 -1,550~-1,770mV 수준으로 두 금속의 차이가 크다. 이 차이를 이용해 피보호체에 방식전류를 흘리는 것이 희생양극법의 원리이다.

배류법은 누설전류를 레일로 되돌려 보내 금속 매설체에서 빠져나가는 전류를 줄이는 방법이다. 전식의 영향 범위는 지표면의 전위경도로 평가할 수 있으며, 그 범위는 누설전류의 세기, 토양의 전도성, 열차 운전 모드에 따라 달라진다. 방식(防蝕)은 금속이 부식되지 않도록 막는 것을 뜻하며, 전식 대책은 전철 측과 매설체 측에서 각각 세운다.

3. 등장 배경과 필요성

전기철도는 송전, 변전, 전차선 등 일반 철도에 없는 특수설비를 갖춰야 하므로 투자비가 많이 든다. 직류 방식은 교류 방식에 비해 높은 전압을 얻기 어려워 급전 전류가 크게 증가한다. 그 결과 전차선로의 전류용량을 키우는 별도 설비가 필요하고, 전압강하를 줄이기 위해 변전소 간격을 좁혀야 한다. 변전소 안에는 직류를 얻기 위한 정류설비가 더 필요하다.

급전 전류가 커질수록 레일에서 대지로 새는 누설전류의 절대량도 늘어난다. 직류 방식은 전압이 낮아 절연이격이 쉽고 통신유도장애가 적다는 장점이 있지만, 전식 측면에서는 교류 방식에 비해 불리하다. 이 불리한 측면을 관리하기 위해 전식 대책이 필요해진다.

도시의 지하에는 가스관, 상수도관, 통신 케이블, 접지망 같은 금속 매설물이 밀집해 있다. 이런 매설물이 전기철도 레일 주변에 있으면 누설전류의 영향을 받기 쉽고, 금속체의 사용 수명이 짧아질 수 있다. 지하 금속 가스관은 누설전류로 짧은 시간에 벽이 관통되어 누출과 가스 폭발로 이어질 수 있다. 따라서 전식 방지는 설비 수명의 문제이면서 가스 안전의 문제로 다뤄진다.

전식 방지대책은 전철 측에서 누설전류 자체를 줄이는 방법과 지중 매설체 측에서 부식을 막는 방법으로 나누어 세운다. 두 측면을 함께 고려해야 전기철도 운영과 매설 금속체 보호가 동시에 이루어진다. 누설전류의 영향 범위를 미리 평가하면 기존 매설관을 보호하고 신규 배관의 위치를 정하는 데 도움이 된다. 그래서 레일 대지전위와 전위경도를 측정해 위험 구간을 찾는 현장 평가가 필요하다.

유럽에서도 직류 설비의 누설전류에 의한 부식을 막기 위한 별도 표준을 두고 있다. 국내에서는 전기설비 접지 관련 규정과 철도 설비 기준이 함께 적용되어 금속 매설체 보호가 다뤄진다.