2012 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2012A060

서울메트로 누설전류에 의한 전식 특성에 관한 연구

A Study on the Characteristics of the Electrical Corrosion by Leakage Current of

Seoulmetro

박한용*, 신동남*, 심재창. 김균식*†

Han-Yong Park*, Dong-Nam Shin

*, Jae-Chang Sim

*, Gyun-Sig Kim

*†

Abstract Since 1974, Seoulmetro opened its first line, line 1 opened line 3 was extended from suseo to ogeum in 2010. For making comfortable subway environment, cooling system and screen door(PSD) were installed ever since Seoulmetro began to operate its first line, many new facilities were added and now Seoulmetro has both old and new facilities. Due to many mixed new and old facilities, leakage current has very complicated paths. The leakage current from the operation of the train causes the electrical corrosion of buried pipes and rail tracks. This study discusses about the characteristics and trends of the electrical corrosion on rail tracks and preventive methods. Keywords : Electrical corrosion, Leakage current, Buried pipeline, Rail, Drainage System

초 록 서울메트로는 1974년 1호선 개통을 시작으로 1985년 3,4호선 2010년 3호선 연장선(수서~오금역)이 추가 개통되었다. 또한 쾌적한 수송환경을 위하여 역사환경개선, 스크린도어 등 많은 설비들이 지속적으로 증설되었다. 타 도시철도에 비해 개통 당시의 구 설비보다 추가 증설된 신 설비가 공존되고 있는 실정이다. 이로 인해 발생된 누설전류는 경로를 알 수 없을 정도로 복잡하게 구성되어 흐르고 있으며, 열차 운행시에 발생되는 누설전류는 지하철 외부 매설배관뿐 아니라 내부 궤도시설물에 대하여 전식을 일으키는 원인이 되고 있다. 본 연구에서는 서울메트로 누설전류에 의한 궤도시설물의 전식 경향에 대하여 기술하고 예방대책에 대하여 논의하고자 한다.

주요어 : 전식, 누설전류, 매설배관, 레일, 배류기

1. 서 론

서울메트로는 1974년 1호선 개통을 시작으로 수도서울의 교통혼잡 및 환경오염 등을 해소

하고자 2010년 3호선 연장선(수서~오금 3[km])이 추가로 건설되었다. 지하철의 쾌적한 수송

환경을 위하여 역사냉방개선, 콘크리트 궤도도상, 전력설비 등은 현재까지도 계속 증설되고

있는 실정이다. 이로 인해 개통 당시 설비가 추가 증설된 설비와 공존하게 됨으로써 발생된

누설전류는 그 경로를 예측할 수 없을 정도로 복잡하게 흐르고 있다.

† 교신저자: 서울메트로 기술조정처 대리(9508637s@seoulmetro.co.kr)

* 서울메트로 기술조정처 처장

* 서울메트로 기술조정처 팀장

* 서울메트로 기술조정처 차장

열차 운행시 레일에서 발생된 누설전류는 차량기지 및 지하구간 주변에 매설된(가스관,

송유관, 상하수도관, 지열난방열배관 등)을 통해 흐르다 결국은 변전소 부급선으로 귀환

하며, 이때 매설배관은 전식이 발생되어 손상된다. 이를 방지하기 위하여 1981년 지하철

2호선 강변역에서 미 8군 송유관 전식 방지를 위해 선택배류기를 설치한 것이 최초이며,

1985년 이후 강제배류법이 도입되면서 서울메트로는 대부분 강제배류기로 교체 되었다.

지하철 외부 매설배관의 보호를 위하여 설치한 강제배류기는 지하철 레일 및 궤도시설

물에 대하여 심각한 전식을 일으키고 있다. 본 연구에서는 서울메트로 누설전류에 의한

레일 및 궤도시설물 전식 경향에 대하여 분석하고 적절한 대책에 대하여 논의하고자 한다.

2. 본 론

2.1 서울메트로 전식 발생 메카니즘

2.1.1 누설전류 발생 개요

서울메트로(지하철 1~4호선을 운영하는 기관)를 운행하는 모든 전동차는 변전소 정류기를

통해 DC 1,500[V]를 공급받고 있으며, 레일을 귀로로 사용하고 있다. 직류(DC)를 사용하는

전차선로의 경우 전동차 운행 시 레일에 근접 매설된 지중금속체는 저항이 낮아 레일에서

발생된 누설전류가 이들 금속체에 유입하여 흐르다가 변전소 부근에서 레일로 되돌아가게

된다. 이때 지중 매설된 금속체에는 전지(電池) 작용에 의해서 전류를 유출하며 그 부분은

부식이 되는 전식을 발생시키는 원인으로 작용되고 있다. 금속체 지중관로의 전식은 주로

귀선의 부 절연부분으로부터 대지에 유출하는 누설전류에 원인이 있고 전식은 금속체의 한

부분에서 집중적으로 발생되는 것이 특징이며, 단기간에 금속체에 구멍이 뚫려 사고를 발생

한다. 그림 1은 누설전류의 방향과 유입 유출상황이 화살표로 표기되어 전식 발생과 전식

방지 부분을 잘 나타내고 있다.

그림 1 직류철도의 전식 발생 개요

2.1.2 배류기 설치 운영

국내에 적용되고 있는 배류법은 전식방지를 위한 전기설비기술기준의 판단 기준에 따라

설치되고 있으며, 방식전류를 흘려주는 방법에 따라 희생양극법, 외부전원법 그리고 배류법

등의 전기방식 법을 적용하도록 하고 있다[1]. 서울메트로는 우리나라 최초로 누설전류에

의한 전식을 예방 하고자 선택배류기를 설치하였으나 현재는 대부분 강제배류기로 설치운영

되고 있다. 그림 2(a)는 지하철 1호선에 설치되어 있는 배류기의 설치전경 이며 (b)는 터널

내 설치된 배류기 전원 연결 스위치함 (c)는 강제배류기 DC 출력전압을 레일과 연결된 임피

던스 본드 단자대에 연결된 모습을 잘 나타내고 있다.

(a) 배류기 외함

(b) 배류기 전원 스위치함

(c) 배류기 레일 연결 단자

그림 2 서울메트로 배류기 설치 전경

표 1은 서울메트로 배류기 설치 현황이며 2012.8월 기준 지하철1~4호선에 모두 84개소가

설치되어 있으며 그 중 선택배류기 29개소 강제배류기 55개소로 2종류가 설치되어 운영되고

있다. 호선별로 구분하여 보면 1호선 4개소, 2호선 40개소, 3호선 23개소, 4호선 17개소로

레일 시설량이 많은 2호선에 가장 많이 시설되어 있고 배류효과는 좋지만 레일 전식 원인이

되는 강제배류기가 55개소로 전체 배류기의 65[%]를 차지하고 있는 실정이다.

표 1 서울메트로 배류기 시설 현황(2012.8 기준)

호선별 총계 배류기 종별

선택 강제

계 84 29 55

1호선 4 1 3

2호선 40 15 25

3호선 23 7 16

4호선 17 6 11

직접배류법은 그림 3(a)와 같이 지중매설 금속체와 레일간 직접 연결하는 방법으로 누설

전류에 영향을 주는 변전소가 부근에 한 개 뿐이고 레일 측으로부터 전류가 역류할 우려가

없는 경우에만 사용되며 현재 서울메트로에는 시설되어 있지 않다.

그림 3(b)는 선택배류기로 매설배관에 대해서 레일대지전압이 낮은 경우, 배류법을 통해서

매설배관을 레일이나 (-)전선에 전기적으로 접속하여 매설배관에 흐르는 전류를 직접 대지에

유출시키지 않고 일괄하여 레일이나 변전소에 귀로 시키는 방법으로 레일대지전위 (R/S)의(-)

값이 크고 또 그 시간이 긴 장소에 설치한다. 자연부식에 일부에도 방지 효과가 있어 현재

서울메트로에는 29 개소가 설치되어 운영 중이다.

(a) 직접배류기

(b) 선태배류기

(c) 강제배류기

그림 3 배류법의 원리

서울메트로에 가장 많이 설치 운용중인 배류기는 그림 3(c)의 강제배류기 이며 레일을 접지

양극으로 하는 외부전원법으로 직류전원을 레일과 지중매설 금속체 사이에 가하는 접속법으로

레일에서 매설관로에 전류가 유입하는 장소 즉, 레일대지 전위(R/S)가 (+)값을 나타내고 또한

그 시간이 긴 장소에 설치한다. 선택배류기로 방지할 수 없는 밀어내기 형의 전식방지에 한하

여 설치 하고 방식효과도 크지만 전기철도의 레일 전식 및 신호회로에 영향을 줄 수 있다.

2.2 서울메트로 전식 발생 현황

2.2.1 레일 전식

직류 철도구간의 배관 보호를 위해 적용되어온 강제배류법은 레일의 절연파괴를 가속시킬

뿐만 아니라 레일체결금구, 레일접근 구조물의 전식을 야기시킨다. 레일과 대지전압 평균치가

+10[V]의 경우라고 가정할 때 레일 누설전류에 의한 전식발생량은 표 2와 같으며 일반적으로

교류의 경우에는 직류에 비해 약 1[%] 미만이라고 보고되고 있다.

표 2 누설전류로부터 계산된 전식량

누설저항 일반선로 특수지역

1[km] 당 1[m] 당 건널목 차고 등

1,000 [Ω/km] 0.09[kg] 0.09[g] - -

100 [Ω/km] 0.90[kg] 0.90[g] - -

10 [Ω/km] 9.10[kg] 9.10[g] - -

1 [Ω/km] 91.3[kg] 91.3[g] - -

국부적 누설 - - 9.1[kg] 91.3[kg]

참고: 對境彰, 鐵道と 電氣技術6(8)(1995)105)

누설전류는 매설 금속체가 주성분인 철이 2가의 산화물 또는 이온으로 부식되는 것을 가정

하면 측정된 배류전류를 적분하거나 평균전류(Imean)에 시간을 곱하여 아래 식(1)의 패러데이

법칙에서 연간 부식량[m]을 계산할 수 있다. 즉 1[A]의 전류가 1년간 흐를 경우 철은 약

9.12[kg]이 부식함을 알 수 있다[2,3]. 레일의 경우로 따진다면 50[kg] 레일 약2[m] 분량에

해당하는 무시 할 수 없는 큰 값임을 알 수 있다.

nF

meanIM

nF

QMm

36524600,3. ×××

×=×= (1)

여기서 M은 철의 원자량(=55.8), n은 철의 산화에 필요한 전자수(=2), Q는 연간 전하량(C),

F는 패러데이 상수(= 96,485[C/mol])이다.

2.2.2 레일 전식 사례

서울메트로는 1~4호선에 총 404[km]의 레일이 시설되어 운영 중에 있으며 표 3에서 보는 바

와 같이 레일 도상의 유형별로 보면 크게 3종류로 구분되며 자갈구간 272[km], 콘크리트 구간

129[km], 교량구간 3[km]이다. 그림 4는 현재 서울메트로에 시설되어 운영중인 레일 유형이

종류별로 잘 나타나 있다.

표 3 서울메트로 궤도시설 현황 (2012.3 기준)

호선별 계 [km] 레일 도상 유형 [km]

자갈구간 콘크리트구간 교량구간

계 404 272 129 3

1 호 선 19 3 16

2 호 선 122 69 53 0

3 호 선 78 43 34 1

4 호 선 64 37 26 2

차량기지 121 121

(a) 자갈구간

(b) 콘크리트 구간

(c) 교량구간

그림 4 서울메트로 레일 도상 유형

열차운행 시 발생되는 누설전류는 레일을 귀선으로 하여 전철에 전원을 공급하는 회로에서

벗어나 저항이 낮은 부분을 따라 의도되지 않은 방향으로 흐르게 된다. 변전소로부터 전원을

공급받아 운행하는 전철시스템은 전류가 누설되는 부분에서 금속의 부식손실이 발생되며 특히

자갈구간인 경우 누설전류에 따른 레일전식에 가장 취약한 것으로 나타나고 있다.

표 4는 실제 서울메트로에 발생된 전식 사례이다. 현재까지 발생된 레일 전식은 총68개소로

나타났으며 원인별로 보면 습한 환경에서 레일과 자갈과의 접촉에 의한 전식이 43[%]로 가장

많으며 다음으로 터널내 습한 환경에서는 22[%]이며, 배수불량(13%), 벽체누수(9%) 및 기타

(3%) 순으로 발생되었다. 호선별로는 시설량이 많은 2호선 보다 3호선에서 전식이 많이 발생

되고 있었다. 전식의 대부분은 자갈구간 레일에서 누설전류가 발생되는데 이는 터널내 습한

환경에 따른 자갈접촉의 영향이 크며 열차 및 심야공사용 차량바퀴가 레일마찰로 인해 발생된

미세한 쇠가루 등도 일부 원인을 제공하고 있을 것으로 판단된다.

표 4 서울메트로 전식 발생 개소

호선별 전식 개소

합 계 68

1 호 선 3

2 호 선 13

3 호 선 37

4 호 선 8

차량기지 7

원인별 전식 개소

합 계 68

자갈접촉 29

배수불량 9

벽체누수 6

습한환경 22

기 타 2

그림 5는 서울메트로내 레일 누설전류에 따른 배수불량, 자갈접촉, 습한 환경 등 여러 가지

원인으로 레일 전식이 발생된 대표적인 사례를 나타내었다.

(a) 배수불량 구간

(b) 자갈접촉 구간

(c) 습한 환경 구간

그림 5 레일 전식 발생 사례

그림 6은 서울메트로(1~4호선)에서 레일 전식이 발생된 총 68개 구간을 나타낸 그래프이며

차량기지 2개소를 제외하고 총66개소에 대하여 분석하였다. 변전소간 평균 거리는 약 3[km]이

며 분석결과 1,2호선(1~16개소) 구간은 변전소간 30~60[%] 지점에서 주로 전식이 발생되었고

3,4호선(17~66개소) 구간에서는 배류기 설치위치와 전식 발생 위치가 대부분 일치 하였다.

변전소간 전식 발생 경향을 알아보기 위해 강제배류기 미설치(8~16개소) 구간을 확인 결과

미 설치 구간 12개소는 변전소간 중앙 50[%] 지점에서 전식 발생 경향을 보였으며, 강제배류

기 설치구간(54개소)에서는 배류기 설치장소 20~250[m] 지점에서 대부분 레일 전식이 발생되

었다. 그림 6의 그래프를 자세히 보면 배류기 설치위치와 전식 발생 경향이 비슷하며 배류기

미 설치 구간도 변전소간 중앙 50[%] 지점에서 전식이 발생됨을 확인할 수 있었다.

따라서 3호선 구간이 타 호선에 비해 전식 발생이 많은 이유는 전식 구간에 강제배류기가

설치되어 배류기의 영향을 받고 있을 것으로 판단된다.

그림 6 변전소간 레일 전식 및 배류기 위치도

2.2.3 기타 구간의 전식

최근 교량구간 위에서 설치된 레일 체결금구 사이에서 누설전류에 의한 스파이크가 발생되

어 궤도시설물 소손 사례가 있었으며, 교량구간은 침목으로 레일을 고정하는 구조로 되어있고

(a) 레일 체결구 스파이크

(b) 레일연결 단자대 전식

(c) 부급케이블 전식

그림 7 서울메트로 기타 전식 사례

침목의 절연을 측정한 결과 침목의 절연이 약화된 것으로 추정되며, 특히 비가 오거나 습기

가 많을 경우에 그 정도가 심하였으며, 레일과 침목, 침목과 교각간의 전위차에 의해 발생된

전류와 귀선전류를 변전소로 흘리지 못하고 절연이 약화된 침목을 통하여 누전됨에 따라 부식

이 가속화 된 것으로 추정된다.

그림 7(a)은 레일 체결구의 스파이크(spike) 사례로 레일과~침목 DC 5.5[V], 레일~침목고정

클립 DC 7.2[V], 침목~침목고정클립 DC 1.9[V]의 전압이 측정되고 침목과~접지의 절연저항은

750[GΩ]으로 양호하였으나 레일~침목간 전압이 발생된 것으로 보아 침목에 대한 절연 보강이

시급한 것으로 나타났다. 그림 7(b~c)는 차량기지 부급전선 케이블에 대한 전식 사례이며, 누

설전류에 의한 피해는 매립배관뿐 아니라 철도 시설물에도 전식에 의한 피해가 발생될 수 있

음을 보여주고 있다. 이렇게 발생된 전식은 궤도에 있어서 레일의 수명을 단축시키고 교체에

따른 손실비용을 증가시키기 때문에 배류기 설치시 레일 전식에 대한 보완대책이 필요한 시점

으로 판단된다.

2.3 서울메트로 전식 방지 대책

변전소로부터 공급된 전류가 전차선을 통해 부하 및 레일을 따라서 귀로 하게 되는데 귀로

과정에서 대지와의 절연이 저하될 때에는 이 귀로전류의 일부가 대지로 누설되어 흐르게 된다.

일단 누설된 전류는 표유전류(Stray Current)가 되어 가장 저항이 적은 경로를 통해 귀로

하게 되므로 1차적으로 고려하게 되는 것이 누설전류의 대부분을 차지하고 있는 레일 바로 밑

의 도상철근이다. 이 누설전류가 포집되어 변전소 부급케이블로 귀환되면 일부만 지하배관으

로 누설되어 간섭이 줄어드는 효과가 있다[4].

그림 8은 도상철근을 포설한 예로 자갈 도상구간이 67[%]인 서울메트로는 자갈도상을 콘크

리트 도상으로 교체 시 도상철근 배류법 및 누설전류 포집시스템 적용이 가능한 시점으로 판

단되며 현재 교체 공사 시 일부 반영되고 있으나 전면시행이 필요하다. 부산교통공사의 경우

도상철근 배류법 적용하여 전위변동 감소율은 33[%], 누설전류 포집시스템 적용시는 누설전류

유입량이 22~27[%] 감소되었다[5].

그림 8 도상철근 배근도

그림 9 도상철근 전위측정 회로

또한 누설전류 억제대책을 완벽히 세우기 위해서는 그림 9와 같이 전동차 운행 시 레일과

대지간 전위측정 단자함을 설치하여 항상 모니터링이 가능토록 하여 레일 대 대지전위와 도상

철근 대 대지전위 및 전위변화를 측정하여, 누설전류 발생여부를 감시 할 수 있도록 시스템

개선이 필요하며. 그 밖의 전식 예방 대책으로는 레일체결부분과 침목의 절연강화, 터널 배수

시설 강화, 레일도상상태 청결유지 등으로 전식 예방이 가능하다.

3. 결 론

본 논문에서는 서울메트로의 누설전류에 의한 전식의 개략적인 경향 및 내부 전식발생 사례

를 조사하여 비교하여 보았다. 서울메트로 1~4호선의 전식 경향을 분석한 결과 변전소간 평균

거리는 3[km] 정도였으며 2호선 배류기가 미 설치된 구간에서는 변전소간 중앙(40~60%) 지점

에서 전식이 발생되었으나 강제배류기가 설치된 지점에서는 변전소간 거리의 영향보다 배류기

설치위치에 따른 레일 전식 발생 경향이 더 큰 것으로 나타났다.

지하철 운행시 누설전류로 인한 전식 피해를 줄이기 위해 설치한 강제배류기는 관대지 전위

를 어느 정도 안정화 시키는 역할도 하지만 레일 전식, 레일에 접속된 부급케이블(단자) 전식,

교량구간 레일체결금구 스파이크(전식) 등 장애의 원인이 될 수 있음을 확인 하였다.

서울메트로는 건설 당시 레일 전식에 대한 보호대책 없이 개통되었으므로 이후 개통된 타

도시철도에 비해 전식 발생에 매우 취약한 것으로 나타났다. 이에 따라 현재 추진 또는 추진

예정인 레일 도상 개량공사 등에 적용 가능한 전식 보호대책이 필요한 시점으로 판단된다.

참고문헌

[1] IEC 62128_2 (2003) Railway applications - Fixed installations -Part 2: Protective Provisions against

the effects of stray currents caused by d.c. traction systems

[2] 이현구 외 3인 (2009.4) “도시철도 전식 방지를 위한 기술기준에 관한 연구”도시철도

표준화 2단계 연구개발 사업,

[3] Dale lindemuth (2008) "stray current corrosion control for DC rail transit systems, corrpro

[4] 이현구 (2008)“지하철 누설전류 실태조사”, 한국조명전기설비학회 제22권 제2호 pp.3-14

[5] 배정효 (2008)“지하철 누설전류에 의한 전식 대책시스템”, 한국조명전기설비학회

제22권 제2호 pp.20-32

[6] 정우성 (2003) “철도 신공간 창조 기반기술 개발”한국철도기술연구원”, 제2편 철도시

설물 부재의 부식열화거동 특성평가. 103. pp

[7] 지하철 1~4호선 전력설비 정밀안전진단 용역보고서(2005.9) 서울메트로

[8] 지하철 직류전기 철도에 의한 전식방지 용역(1987.6) 서울메트로(구 서울지하철공사)

[9] 이정열 (2010)“전기철도의 누설전류가 지중 금속관에 미치는 영향에 관한 연구”, 학위논문

[10] 민응기 (2011)“직류 도시철도에서 누설전류로 인한 전식방지에 관한 연구”, 학위논문