전기철도의 애자 및 방식

 

전기철도의 애자 및 방식

 

 

애자의 사용목적

 

전차선로의 애자는 전선 및 진동방지, 곡선당김장치 등의 부속설비를 전주, 빔, 완금등에 지지하는 경우와 전차선을 전기적으로 구분하는 경우, 또한 가동브래킷 등에 직접 지지물과의 절연을 목적으로 사용한다.

전차선로용 애자는 대기 중의 습도, 분진, 매연, 염해 등에 의하여 애자표면이 오손되어 그 표면저항이 저하되므로 누설전류의 증대에 따라 전기적 파괴를 발생시킬 우려가 있다. 이 애자의 파손은 즉시 전기차 운전에 지장을 초래하므로 그 형상은 가능하면 표면 누설거리가 큰 것이 적합하지만 합리적인 절연강도가 되도록 애자를 선정하고 있다.

 

애자의 종별과 사용구분

 

애자의 종별

 

전차선로에 사용하는 애자는 전선의 지지.인류에는 현수애자가 사용되고, 가동브래킷 등에는 장간애자가 사용되며, 과선교 하부등 특수한 개소와 기기의 지지에는 지지애자가 사용되고 있다.

애자에는 절연부의 재질에 따라 자기제, 유리제, 수지제가 사용되고 있다.

 

 

 

현수 애자                                    장간 애자                               지지 애자

 

애자의 사용구분

 

교류전차선로용 애자에서는 오손으로 인한 애자섬락 등을 중점을 두어 절연강도를 정하고 있으며 그 사용구분은 다음과 같다.

 

종 별		사 용 개 소
현수애자	180㎜	부급전선, AT보호선의 지지 또는 인류용, 2중 절연보호 방식의 저압부분
	250㎜	전차선, 급전선의 지지 또는 인류용, 곡선당김장치 인류용, 급전선구분용
장간애자	항압용	가동 브래킷 경사 파이프용
	인장용	급전선, 가공전차선, 곡선당김장치 인류 및 현수, 가동브래킷 수평 파이프용
오손구간	현수애자	250㎜ 5개
지지애자	SP10	교량, 터널, 구름다리밑 보호선 지지용
	SP60	교량, 터널, 구름다리밑 급전선 지지용

 

 

애자의 오손 구분

 

애자의 오손

 

애자가 오손되어 비나 안개에 의하여 습윤을 받으면 애자 연면의 절연이 떨어진다. 이 절연저하 때문에 국부방전이 발생되어 가청 잡음, 라디오, TV장해를 유발시키거나 심한 경우에는 플래시 오버를 일으킨다.

전차선로용 애자는 인가에 접근되거나 운전 승무원이나 여객의 눈에 띄는 일이 많으므로 오손으로 인하여 방전 발광하면 사람의 마음에 불안감을 주는 일이 많아진다.

오손물의 종류에 따라 섬락전압에 미치는 영향이 크게 다르므로 애자의 오손 섬락 특성은 복잡하다. 애자의 오손물은 해염 외에 공장에서 배출되는 여러 가지 화학합성물, 매연, 분진, 국부적이긴 하지만 시멘트가루 등이 있다. 이와 같은 오손물 중에서 애자의 절연에 가장 나쁜 영향을 주는 것은 물에 녹아서 강한 도전성을 나타내는 해염 등의 강전해질이다.

애자의 오손대책으로서는 애자의 증결, 애자의 세척, 실리콘 콤파운드도포 등이 있다.

 

(1) 애자의 오손 요인

 

애자 오손에 영향을 미치는 주 인자는 오손원에서의 거리, 지형, 풍향, 풍속, 천후, 강우량, 애자의 형상, 표면상태, 설치위치, 조가방법, 과전전압, 사용기간 등 많은 요인이 있으며 이와 같은 것의 총합이 애자의 오손실태로서 나타난다.

 

(2) 애자표면이 오손되었을 때 일어나는 플래시 오버(flash over) 발생과정

 

가. 애자의 표면은 사용환경에 따라 해염 등의 오손물이 부착되어 오손된다. 이와 같은 부착물은 건조상태에서는 절연에 대하여 악영향을 미치는 일은 없으나 안개, 비, 눈 등에 의하여 습해졌을 때 오손물 중의 염분, 그 외 가용성분이 물에 용해되어 표면 누설저항이 저하되면서 상당한 누설전류가 표면을 흐르게 된다.

 

나. 이 누설전류의 가열효과에 따라 특히, 전류밀도가 높은 곳, 현수애자에서 핀, 캡 주변에 소위 건조대를 형성한다. 그 결과 국부적으로 저항이 감소되어 부담 전압이 높아진다.

 

다. 오손의 정도가 가볍고 건조대에 걸리는 전압이 낮으면, 그 부분에는 방전이 일어나지 않으며 누설전류는 점차 감소되어 절연성은 회복된다. 그러나 오손의 정도가 높은 경우에는 최초 흐르는 전류는 크며, 건조작용이 강하므로 건조대에 걸리는 전압은 높아져서 국부 아크의 발생이 일어난다.

 

라. 국부 아크의 발생에 의하여 건조 부분은 단락되게 되므로 아크방전의 전류를 제한하는 것은 남은 습윤 부분의 저항이므로 아크발생과 동시에 누설전류는 급격하게 증대하게 된다.

 

마. 한편 가열건조 효과도 증대되므로 곧 전류는 감소되고 국부 아크도 소멸된다. 그리고 재차 표면이 습윤하게 된다.

 

바. 이와 같이하여 누설전류 서지를 반복하며, 그 결과 애자표면의 전압분포는 점점 불균등하게 되어 전압의 대부분은 건조부분에 걸리게 되어 아크는 방전의 강도를 더하여 드디어는 습윤부분의 저항이 전류를 억제할 수 없게되어 어느 치에 도달하면 플래시 오버로 진전된다.

 

염진 오손 구분

 

가. 일반지구

해안에서 떨어진 산간, 평야 등에서 특히 염해에 대하여 고려할 필요가 없는 선구

 

나. 오손지구

해안으로부터의 거리, 지형, 풍향, 태풍 등으로 습래정도 및 송전선의 염해사고 등으로 보아 상당량의 염해가 예상되는 선구

 

(2) 염진오손구분 및 애자의 표준사용 구분

 

종 별	교 류 (AC 25kV)
	일반지구	오손지구
현수애자	250㎜ 4개	250㎜ 5개
장간애자	교류 일반용	교류 오손용

 

(3) 화학공장의 매연 등에 의하여 오손을 받는 개소는 실정에 따라 (1) 및 (2)를 준용한다.

(4) 해수의 물보라 거품 등의 영향을 받는 개소 또는 염분을 포함한 눈이 부착되는 개소 등 특히, 오손이 심하며 또 급속하게 오손이 예상되는 개소에 대해서는 필요한 염해방지 대책을 강구하여야 한다.

 

급속 오손

 

태풍이나 계절풍에 실어서 바다로부터 해염 입자가 날아와 단시간에 애자가 오손되는 현상을 급속오손이라 부르고 있다. 태풍에 의한 것은 바다로부터 수 10[㎞]까지 미치는 것도 있으며 5[㎞]이내에서 많이 발생하고 있다.

 

 

과절연 설계

 

매연이나 분진, 염분의 오손을 고려하여 사전에 애자의 연면 절연을 강화하여 두고, 오손상태에서의 플래시 오버(flash over) 사고를 방지하는 것이 과절연 설계이다.

과절연 설계에는 애자의 증결, 표면누설거리가 긴 특수한 애자의 사용 등이 있으나 오손애자의 플래시 오버 전압은 애자의 표면누설거리에 거의 비례하여 상승한다고 생각되므로 애자의 연결개수를 증가시키는 방법이 일반적으로 채용되고 있다.

 

교류 25[㎸]용 현수애자 250㎜의 경우

 

오 손 구 분	일 반 지 구	오 손 지 구	중 오 손 지 구
설계내전압(㎸/개)	10.3	8.9～7.8	6.7
애자의 개수	3개	3～4개	4개
현재시설 개수	4개	4개	5개

 

 

 

교류 25[㎸]용 장간애자의 경우

 

			( )는 이중절연방식
오 손 구 분	일 반 지 구	오 손 지 구		중오손지구
㎸당 소요누설거리 [㎜/㎸]	26	30～33.5		43.5
소요누설거리 [㎜]	780	900～1,005		1,305
현재 시설물 적용 누설거리 [㎜]	1,480 (1,250)	1,480 (1,250)		1,480
적용 오손내전압 [㎸]	30	30		30

 

애자청소

 

오손 플래시 오버(Flash over) 사고방지를 위하여 애자를 정기적, 응급적으로 청소하는 방법이다. 그 방법으로는

가. 사람이 손으로 하는 청소

나. 활선애자 청소기로 하는 청소

다. 활선 청소장치에 의한 청소

등이 있으며 일반적으로는 전차선로를 정전시키고 사람의 손으로 하는 청소를 하고 있다.

 

발수성 물질의 도포

 

애자가 오손되어도 습윤에 의하여 표면의 절연이 저하되지 않도록 애자의 표면에 발수성 물질을 도포하여 절연을 유지하는 방법이다. 이 발수성 물질에는 실리콘 콤파운드(Silicone compound)가 널리 사용되고 있다.

 

아연도금의 적용 구분

 

일반의 가선재료는, KS D 8308 용융아연도금 (HDZ) 인데, M14 이하인 볼트류는 나사정도에서 전기아연도금을 적용하고 있다.

이 아연도금의 피막방식 효과는 대기와의 접촉을 차단하는 안정된 산화피막에 의해 발휘된다. 그러기는 하지만 이 산화 피막은, 대기중의 아류산 가스나 염소의 흡수와 강하 매진의 부착으로 파괴되어 우수 등에 의해 유출된다. 이 때문에 그 잔존성이 도금의 내용 년수를 결정하는 요소인데, 환경지역성이 한결같지 않고, 세월과 함께 변화하는 경향이 있어, 내용년수의 설정은 곤란하게 된다.

그러나, 부식이 철 표면에 다다르기 까지, 페인트 도장 등에 의해 재도장을 하면, 본래의 기능이 유지될 수 있으므로 부식면의 색깔이나 거칠어짐 등으로 판단해서 보수를 하고 있다.

아연도금 사용 수명은 부착량에 비례하지만, 국부적으로 도금층이 없고, 소재면이 노출되어 있어도, 그것이 작은 경우는 아연의 희생적 보호작용에 의해, 내식상 그다지 영향은 없다.

아연도금의 색은 금속광택이 있는 것이 좋으나, 회색이라도 일반적으로는 그다지 영향은 없다.

 

아연도금의 추정 내용년수

 

도금부착량   대기폭로환경	400g/㎡		500g/㎡		600g/㎡
	부식량 [g/㎡/년]	내용년수 [년]	부식량 [g/㎡/년]	내용년수 [년]	부식량 [g/㎡/년]	내용년수 [년]
중공업지대	40.1	9	40.6	11	40.1	13
해안 지대	10.8	33	10.9	41	10.8	50
교외 지대	5.4	67	5.2	86	5.2	104
도시 지대	17.5	21	17.7	25	17.7	30

 

비고 1. 일본용융아연도금협회(1964～1974년)대기폭로 시험결과 계산 의거

        2. 추정내용년수는, 도금피막의 90%가 소모되는 기간으로 표시.

 

화학공업의 부식성 유해가스

 

위 표는 몇 개의 시험 데이터로 금속선의 내식성을 비교 한 것인데, 아류산 가스에 대해서는 알루미늄계가 동계보다 낫지만, 해수에 대해서는 동계가 낫다.

큰 부식성을 가지는 알루미늄이, 실용적으로 내식성 금속으로 볼수 있는 것은, 표면에 자발적으로 물에 녹지 않는 산화 피막을 형성하고 그 때문에, 이후는 피막에 의해 내부가 보호되고 있기 때문이다.

 

염진해 등

 

애자나 전기재료 등의 열화는 자연조건 등 여러 가지 조건에 의한 경년열화 외에, 공장의 배연, 디젤 기관차의 매연, 시멘트 공장에서 배출되는 시멘트 비말, 해안지대의 염분 등에 의해 화학변화를 초래하는 부식과 이들로 부터의 부착상태에서 전기적 작용이 가해졌을 때의 열화 등이 있다. 특히, 이러한 피해가 있는 구간에 있어서의 전기재료(애자, 전선 등)의 사용은 필요에 따라서 오손, 열화, 부식 등을 경감하도록 대책을 시행할 필요가 있다.

 

해안에 접근한 구간

 

해안지대에는, 염분에 의한 전선류의 부식이나 애자의 절연열화가 일어난다. 전선류에 부착된 염분이 가져오는 화학변화에 의한 부식은 표와 같이 동 이외는 부식 속도가 증가하고 있다. 또한 애자는 염분부착에 의해 절연특성이 표와 같이 저하한다. 특히 애자는 태풍 등에 의해 단시일에 급속 오손 되어 절연열화에 의한 급전지장을 초래한 사례가 많다. 염해 발생의 원인은 기상상황 및 지형조건의 둘로 대별할 수 있다.

기상조건에 의한 염해에 대해서는 풍향, 풍속, 강우 등에 의한 직접염해의 경우와, 바람의 영향은 없고 이미 염분 입자가 부착되어 있어, 강우, 안개, 이슬 등에 의해 적당한 수분이 가해져 염해 발생이 될 경우 등을 생각할 수 있다.

지형조건에서는 바다로 둘러싸인 환경이나, 계절풍, 태풍에 의한 염의 습래빈도에 의한다.

 

 

누 설 전 류 [mA]				애 자 염 분 부 착
금 속	부 식 속 도 [㎜/년]			염분부착 [kg/㎠]	장간애자	현수애자 250×4개	현수애자 250×5개
	전원지대	해상	공업지대
Aℓ Cu Fe Pb	0.001 0.023 1.5 0.019	0.11 0.023 2.0 0.020	0.08 0.045 5.0 0.022	0.01 0.03 0.05 0.10 0.35	30 80 110 175 550	25 45 65 110 225	15 30 45 85 200

 

공장 등의 매연구간

 

공장지대에 의한 배연 디젤 기관차의 매연 등의 불용성 물질이 전기재료의 표면에 고착되어, 우세 등의 세정작용을 둔화시키며, 또한 수분을 흡수하여 누설 전류를 증대시키고, 절연열화나 부식이 생기어 결국 파괴하게 된다. 따라서, 다음의 오손지구는 대책을 강구할 필요가 있다.

1. 디젤기관차 병용 터널 구간

2. 디젤 기관차의 장시간 정거개소 및 정거장구내

3. 구배등에 있어서 디젤기관차 역행구간

 

이종 금속의 조합에 의한 부식특성

 

이종금속의 조합에 의한 부식 특성은, 피접촉 금속과 접촉금속 상호간의 여러 가지 접촉면적에 대한 특성을 일괄하여 표현한 것이며, 2종류의 금속이 접촉하고 있는 개소가 염분등 전해질의 용액에 접촉하면, 거기에서 국부전지가 구성되어, 그 용액중 금속의 전극전위에 따라서 전위가 높은 금속(비금속)이 양극이 되어, 용해, 부식한다.

 

주요 접촉부식의 원인

 

1. 수분 부착의 영향

접촉 부식은 일종의 전기분해작용이며, 수분이 전해질이 되므로 물이 없으면 부식은 발생하지 않는다.

2. 분진, 매연, 염분 등의 부착 영향

금속표면에 이것들이 부착되어 있으면 수분을 흡수하므로, 전해질을 얻게되어 전기분해를 일으킨다. 더구나, 부착물의 수용액이 전도도가 높을 수록, 또는 그 농도가 진할수록, 부식은 가속화 된다.

3. 2종 금속 조합의 영향

각 금속은 각각 고유 이온화 경향을 가지고 있고, 일반적으로 이온화 경향이 큰 금속일수록 부식되기 쉽다. 또한 2종 금속을 조합할 경우, 양자의 이온화 경향의 차가 적을 수록 부식은 작다.

4. 전계, 누설전류의 영향

직류회로에서는, 2금속간에 직접 주전류가 흐르면 전식이 커지므로, 금속재료의 선정은 신중하게 하여야 한다. 또한, 부하전류에 의한 전계 및 누설전류에 의한 부식이 일어나지만, 일반적으로 부식량은 근소하다.

5. 온도의 영향

화학변화는 모두 고온이 될 수록 촉진된다. 이종금속접촉에 의한 부식도 일종의 전기화학변화이고, 고온이 될 수록 부식의 진행은 빠르게 된다.

6. 접촉부식에 의한 부식량은 부식 전류밀도에 비례하므로, 금속간의 전극 전위차가 클수록 부식량은 많아진다. 실용 금속에 있어서 접촉부식의 관계를 나타낸 것이 표다.

그러나, 이 접촉부식량은, 부식 전류밀도와 접촉면적과의 관계로 다르기 때문에, 이종금속조합에 의한 금구류의 설계 시공에 있어서는, 접촉면적을 고려하는 것이 중요하다.

 

식염수중에서 측정한 전극전위 [V]

종 별	전극전위	종 별	전극전위
Mg 합금	-1.71 ～ -1.66	Pb	-0.96 ～ -0.55
Zn	-1.00	Sn	-0.49
순 Aℓ(99.95%)	-0.85	직강 (60～40)	-0.28
Aℓ 합금	-0.96 ～ -0.68	Cu	-0.20
Cd	-0.82	18-8 스테인리스강	-0.15
Fe	-0.63	Ni	-0.07

 

 

접촉부식의 방지법

 

1. 이금속 경계면에서 수분이 없으면 부식이 일어나지 않으므로, 경계면에 물이 괴지 않는 구조로 한다.

2. 경계면의 도장, 피복 등으로 수분을 차단한다. 또한 다소의 수분이 있더라도 도장 등에 의해, 이금속간의 거리가 멀어지면 전위경도가 낮아지므로 부식량은 감소한다.

3. 원칙적으로 전극전위가 접근한 것을 선택한다.

4. 중간 금속을 넣은 것으로, 이금속 상호간의 전위차를 줄여서, 부식을 감소시킨다.

5. 양극 금속의 표면적을 음극 금속에 비해 크게 해서, 양극의 전류밀도를 줄이는 것으로 부식을 감소시킨다.

6. 염수 등의 전도도가 높은 물이 부착되면, 부식이 커지므로, 공.염해지구는 주의를 요한다.