이 원고는 일본《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.송전선 뇌해 대책- 일본편간사이 전력㈜_사이토 신이치개요전력수송을 담당하는 가공 송전설비에 있어 뇌해(雷害)는 옛날부터 문제시된 과제 중 하나다. <그림 1>은 1995년부터 2004년까지 10년간 간사이 전력 관내 송전설비에서 발생한 전기사고 내역을 나타낸 것이다.
[그림 1] 가공 송전선 사고 원인뇌(雷)에 의한 가공 송전선 사고는 전체의 66%로 그 비율이 상당히 크다. 각 전력회사는 과거부터 여러 가지 낙뢰 사고(落雷事故) 저감 대책을 실시해 왔다. 본고에서는 먼저 가공 송전선의 낙뢰 사고 메커니즘에 대해 설명하고 최근 가공 송전설비에서의 뇌해 대책에 대해 소개한다. 가공 송전선낙뢰 사고 발생 메커니즘가공 송전선의 낙뢰 사고에는 역섬락과 정섬락이 있으며, 사고 특징도 서로 다르다.(<표 1> 참조) <그림 2>는 가공 송전선의 섬락 패턴을 나타낸 것이다.
[그림 2] 가공 송전선 낙뢰 사고 패턴역섬락은 가공 송전선의 가공지선 또는 철탑 꼭대기에 떨어지는 뇌격에 따라 철탑 전위가 상승하고, 철탑 어깨쇠에서 전선으로 섬락하거나 가공지선의 전위가 상승하여 가공지선에서 전선으로 섬락하는 현상이다.한편 정섬락은 가공지선에 의한 차폐 실패 등의 원인으로 전력선에 직접 낙뢰가 떨어져 아킹혼 사이에서 섬락하는 현상을 말한다. 기간계통인 초고압 송전선에서는 전력선으로의 직격뢰를 방지하기 위해 보통 가공지선을 가설한다. 가공 송전선 낙뢰 사고 대책1. 종류와 적용그동안 가공 송전선 낙뢰 사고 저감 대책으로 접지저항 저감, 가공지선 다가설(多架設) 및 차폐각 저감, 불평형 절연 등을 실시해 효과를 거뒀다. ⑴ 접지저항 저감접지저항을 저감함으로써 가공지석 및 철탑에의 뇌격 시 철탑 전위 상승을 억제하고 역섬락 사고를 줄일 수 있다. 접지저항을 줄이는 것은 사고율 저감에 상당한 효과를 기대할 수 있지만, 접지저항 저감이 어려운 경우 다른 대책과 병용하는 것을 고려해야 한다. ⑵ 가공지선 차폐각 저감가공지선을 1개에서 2~3개로 늘리거나 가공지선 간 폭을 넓힘으로써 전력선과의 차폐각을 좁혀 직격뢰를 방지한다. ⑶ 가공지선 다가설(多架設)가공지선을 늘리면 전력선과의 결합률(결합계수)이 커지므로 아킹혼 간 발생전압을 저감시켜 역섬락 사고를 줄일 수 있다.⑷ 불평형 절연 및 평형 고(高)절연아킹혼 간격을 넓혀 절연강도를 올리면 플래시 오버(Flash Over) 사고를 감소시킬 수 있다. 불평형 절연은 다회선 철탑에서 각 회선에서의 아킹혼 간격, 즉 절연강도에 차이를 만들어 이회선 동시 사고를 감소시키는 것이다. 평형 고절연은 양 회선의 절연강도를 높여 전체 플래시 오버 사고를 감소시킨다. 그러나 이를 위해서는 다른 절연 간격과 협조해야 하고, 철탑이 대형화되므로 코스트 측면에서 비교 검토가 이루어져야 한다.이것은 플래시 오버 발생 방지 효과는 크지만, 일단 플래시 오버가 발생하면 사고가 일어나고 만다는 단점이 있다. 따라서 플래시 오버가 일어나도 사고가 나지 않도록 산화아연 소자를 이용한 피뢰기를 송전선에 적용한 송전용 피뢰장치가 연구 개발됐다. 이 장치가 1980년대 후반 무렵부터 실제 선로에 도입된 것을 시작으로, 그동안 각종 대책 장치가 개발돼 왔다. <표 2>에 뇌해 대책 장치 비교표를 나타냈다.송전용 피뢰장치는 산화아연 소자의 비선형 특성에 의해 뇌격 시 아킹혼 간 전압 상승을 억제하고 플래시 오버를 차단한다. 송전용 피뢰장치는 그 적용 효과는 상당히 크지만 매우 고가였다. 최근에는 송전용 피뢰장치를 소형 경량화하여 코스트를 절감하는 간이형 피뢰장치나 플래시 오버 시 속류를 차단해 송전선 사고를 방지하는 속류 차단형 아킹혼이 개발돼 실선로에 적용된다. 2. 송전용 피뢰장치송전용 피뢰장치 기본 구성을 <그림 3>으로 나타냈다.
[그림 3] 송전용 피뢰장치 기본 구성송전용 피뢰장치는 피뢰 요소부, 직렬 갭 및 그 외 부속품으로 구성된다. 피뢰 요소부에는 산화아연 소자가 들어 있으므로, 만에 하나 소자(素子) 사고에 의한 용기 내 지락사고 발생 시 안전하게 방압(放壓)하기 위한 방압구조 및 작업 시 하중 등에 대한 기계적 강도가 요구된다. 직렬 갭은 피뢰 요소부를 상시 전력선에서 절연하기 때문에, 산화아연 소자의 처리능력을 초과하는 과대한 뇌서지로 인해 피뢰 요소부가 고장이 나도 송전이 가능하다. 송전용 피뢰장치 개발 초기에는 직렬 갭이 없는 타입이 일부 실용화됐다. 하지만 소자가 계통 전압에 의해 상시 하전(荷電)하여 장기적인 과전 노화가 우려되거나 피뢰 요소부 사고 시 재송전이 불가능하다는 이유로 최근에는 갭 부착 타입이 많아지고 있다. 송전용 피뢰장치는 용량이 크기 때문에 철탑에 부착하려면 전용 지지 금구를 설치해야 하므로, 장주(裝柱)방법이나 지지 기구의 상세 검토가 필요하다. ⑴ 동작 원리역선락은 뇌격에 의해 철탑 전위가 상승하여 혼 간 전압이 커지고 피뢰장치 직렬 갭이 방전돼 피뢰장치에 뇌전류가 흐른다. 피뢰 요소부에 들어 있는 산화아연 소자(ZnO소자)는 비직선 특성이 뛰어나 인가전압이 비교적 적은 경우에는 절연물마다 저항치가 높아져 미소한 전류밖에 흐르지 않는다. 그러나 인가전압이 높아지면 저항치가 급격히 낮아져 대전류를 흘림으로써 그 이상의 전압 상승을 억제한다. 이로 인해 송전용 피뢰장치에 뇌전류가 흘러도 혼 간 전압이 방전전압 레벨에 이르지 않아 아킹혼 간 플래시 오버가 발생하지 않는다. 뇌전류가 흐른 후 계통에서 흘러 들어온 교류전류(이하 속류라고 명칭)는 산화아연 소자의 제한 전압 특성에 따라 보통은 1A 이하(외부 누전류는 제외)까지 떨어지고, 직렬 갭에 의해 차단되어 절연이 회복된다. 따라서 지락상태가 계속되는 시간은 최대 1사이클 정도로, 속류는 외부 누전류를 포함해도 몇 A 이하일 뿐이다. 또한 전압 강하도 없기 때문에 변전소 릴레이가 동작하지 않고 차단기도 트립되지 않아 정전되지 않는다.⑵ 적용송전용 피뢰장치는 1980년대 초 77㎸ 클래스 장치가 개발된 이후 연구 및 실선로 필드시험을 통해 현재 500㎸ 클래스 장치까지 개발됐다. 송전용 피뢰장치에는 어느 정도의 전기적·기계적 성능이 요구된다. 아래에 주 사양 및 적용 시 유의점을 설명한다.① 정격 전압피뢰장치 정격 전압은 그 전압을 인가한 상태로 소정의 동작 책무를 반복 수행할 수 있는 전압으로 규정된다. 정격 전압은 피뢰장치의 각 사양을 결정하기 위한 기준으로 이용된다. 따라서 이 정격 전압이 해당 송전선에 대해 적절한지를 확인해 둘 필요가 있다. 보통 일선 지락 시 건전상 대지전압에 기초하여 결정되는 경우가 많다. ② 최대 방전전류송전용 피뢰장치에서는 일반적으로 개폐서지 및 교류 단시간 과전압에 대해 직렬 갭이 방전하지 않도록 설정되어 있기 때문에 피뢰장치에 흐르는 뇌전류만이 피뢰장치의 검토 대상이 된다. 가공지선 및 철탑으로 떨어지는 뇌격은 뇌전류의 대부분이 철탑을 통해 대지로 흘러가기 때문에 피뢰장치에는 일부만 흐를 뿐이다. 하지만 전력선 직격뢰 는 반대로 피뢰장치를 통해 대부분의 전류가 대지로 흘러 들어간다. 따라서 피뢰장치에 이용되는 산화아연 소자의 에너지 책무 평가 기준으로는 전력선 직격뢰 시 피뢰장치로 흐르는 전류가 산화아연 소자의 사이즈를 결정하는 주요인이 된다. 최대 방전전류가 높은 피뢰장치일수록 신뢰도는 높지만, 이에 따라 장치가 대형화되어 비싸진다. 따라서 이런 점을 감안해 사양을 결정할 필요가 있다. ③ 절연협조피뢰장치 설치상 낙뢰 사고를 방지하려면 뇌격 시 피뢰장치 직렬 갭 이외의 곳에서 플래시 오버가 발생하면 안 된다. 따라서 애자 장치의 아킹혼, 탑체 및 전선 등과 직렬 갭 간에 절연협조를 취해 둘 필요가 있다.④ 속류 차단 성능피뢰장치에 뇌전류가 흐른 후 계통에는 속류가 흘러 들어온다. 이 속류는 산화아연 소자의 제한 전압 특성에 의해 떨어지고 최초 전류 영점에서 직렬 갭에 의해 차단된 후 계통의 절연이 회복된다. 설사 약간 오손된 상태에서라도 속류는 일정 시간 내(보통 1/2~1 사이클)에 확실히 차단해야 한다.⑤ 직렬 갭의 내전압 성능직렬 갭은 개폐서지 및 적용 주파 과전압에서 방전하지 않도록 설치하는 것이 일반적이다. 개폐서지는 각 계통의 접지방식에 따른 전압으로, 상용 주파 과전압은 정격전압으로 설정된다. 양자를 비교하면 개폐서지 측이 조건이 엄격해 대부분 직렬 갭의 하한치를 결정하는 주요인이 된다. ⑥ 피뢰 요소부의 내전압 성능피뢰 요소부는 보통 계통에서 분리되지만, 뇌서지 인가 시에는 제한 전압이 인가되고 그 후 속류가 차단될 때까지 계통의 교류전압이 인가된다. 따라서 이런 낙뢰 인펄스 전압 및 단시간 상용 주파전압에 대한 내전압 성능을 확인해야 한다. 특히 후자의 전압은 오손 시에도 견뎌내야 하며, 장치의 내오손 성능을 결정하는 요인이 된다. ⑦ 내(耐)오손 성능내오손 성능은 피뢰장치 용기의 오손 내전압 및 직렬 갭 속류 차단성능에 영향을 미친다. 설치 개소의 오손도에 따른 피뢰장치를 선정해야 한다. ⑧ 방폭 성능높은 곳에 설치되는 송전용 피뢰장치는 방압 시 낙하물에 의한 2차 재해를 방지해야 하므로 엄격한 방폭 성능이 요구된다. 산화아연 소자의 고장으로 인해 계통의 사고 전류가 피뢰장치에 흐를 때에도 피뢰장치가 비산하거나 구성 부품이 낙하하지 않아야 한다.⑨ 기계 강도기계 강도는 피뢰장치 구조 전반(재료, 길이·직경 등의 형상)에 관계되는 사항이다. 피뢰장치에서 고려해야 할 하중은 풍압하중, 설치 작업 시에 더해지는 하중, 전력선 진동에 의한 하중 등을 꼽을 수 있다. 이런 하중에 대해 피뢰장치 및 부착 금구가 기계적 강도를 충분히 가지고 있는지 확인해 봐야 한다. ⑩ 내후성(耐候性)내후성은 산화아연 소자를 봉입하는 용기 재질 및 기밀(氣密) 성능에 깊이 관계된다. 일반적으로 용기에는 중량 경감을 위한 실리콘 고무 등 유기재료가 이용된다. 갭식 송전용 피뢰장치는 보통 전력선에서 분리되기 때문에 전기적 노화는 적지만 자외선 및 온도 변화에 대한 배려가 필요하다. 또 기밀 성능에 대해서도 사양을 확인해야 한다. ⑪ 장주(裝柱) 설계송전용 피뢰장치의 적용에 있어, 장치 본체 사양뿐 아니라 철탑과의 이격 등에 입격한 장주 설계를 고려해야 한다. 장주 설계에서는 주로 다음과 같은 점에 유의하도록 한다.·항상 피뢰장치 과전부와 탑체 및 보호하는 다른 전력선과의 절연 간격을 확보하여 뇌격 시 플래시 오버하지 않도록 한다.· 현수 장치는 전력선이 좌우로 흔들려도 절연협조 및 직렬 갭의 개폐서지 내전압 특성을 보호해야 한다. 이때 직렬 갭 길이의 변동이 일정 값 이내여야 하며, 경우에 따라서는 직렬 갭 전극을 고정해야 한다.· 피뢰장치를 설치함으로써 철탑 강도에 문제가 발생하지 않도록 해야 한다. ⑫ 코로나 특성피뢰장치 설치로 인해 유해한 코로나가 발생하지 않는지 검토해야 한다. 특히 계통전압이 높아지면 중요한 설계요인이 된다. 일반적으로 가시 코로나 발생 전압 측정치 및 코로나 잡음 측정치가 사양으로 표시된다. 3. 간이형 피뢰장치송전용 피뢰장치는 뇌전류 관측에 의한 통계 데이터에 기초해 피뢰장치에 흐르는 최대 뇌전류를 상정하여 산화아연 소자 방전내량을 결정한다. 그러나 방전내량이 큰 송전용 피뢰장치는 대형인 데다 철탑부재를 개조해야 할 경우도 있기 때문에 설치비용이 상당히 비싸다. 일반적으로 간이형 피뢰장치에서는 방전내량을 줄이고 산화아연 소자와 장치를 소형화한다. 장치를 소형 경량화함으로써 장치 그 자체 비용이 줄어든다. 동시에 기설 애자련 애자장치의 한쪽 아킹혼 또는 양쪽 아킹혼 대신 설치할 수 있어 설치 비용을 대폭 줄일 수 있다.장치는 피뢰장치 본체와 직렬 갭으로 구성된다. 동작 기본 원리는 송전용 피뢰장치와 같이, 내장된 산화아연 소자의 비선형 특성에 의해 직렬 갭 간 전압 상승을 억제하고 플래시 오버를 방지한다. 직렬 갭에 의해 보통은 전력선에서 절연되므로 만에 하나 피뢰장치 본체가 고장 난 경우라도 송전이 가능하다. 간이형 피뢰장치는 77㎸용, 154㎸용 등 각 전압 계급대로 순차 개발되어 송전용 피뢰장치를 대신하는 피뢰사고 대책품으로 보급된다. 최근에는 275㎸ 초고압 송전용 간이형 피뢰장치가 연구 중이다.4. 속류 차단형 아킹혼속류 차단형 아킹혼은 조류에 의한 피해 방지 아킹혼을 기본으로 하여, 사고 전류를 차단하는 기능을 첨가한 저렴하고 소형인 뇌해 대책품이다. 속류 차단형 아킹혼 기본 구성을 <그림 4>에, 동작 원리를 <그림 5>에 나타냈다. 기존 송전용 피뢰장치는 낙뢰 시 사고 전류(뇌전류)를 산화아연 소자의 비선형 특성을 이용하여 제한하고 전로 절연을 빨리 회복시키는 것이었다. 이에 반해 속류 차단형 아킹혼은 뇌전류에 의해 절연 파괴된 속류를 사고 전류에 의해 발생한 가스로 소호(消弧)하는 것이기 때문에 차단 성능이 뇌전류에 크게 좌우되지 않는다.
[그림 4] 속류 차단형 아킹혼 기본 구조또 아킹혼 전체가 절연물로 피복되어 있기 때문에 조류에 의한 지락사고 방지 기능도 가지고 있다. 성능도 뛰어난 데다 도입 코스트가 송전용 피뢰장치보다 약 10% 더 저렴해져, 현재 일본 대다수의 전력회사에서 낙뢰 사고 방지에 효과를 거두고 있다. 1998년도에 1선 지락 사고 전류를 차단할 수 있는 지락 대응형(22~154㎸)이 개발된 이래, 2003년도에는 단락 전류 사고 전류를 차단할 수 있는 단락 대응형(66, 77㎸)이 개발, 실용화됐다. ⑴ 동작 원리철탑에 떨어지는 뇌격으로 인해 차단부(폴리아미드 수지) 내에 아크 방전이 일어나 속류가 흐르면, 온도가 상승하여 내벽이 용융하고 가스가 발생한다. 이 가스의 산화반응과 아크 방사열로 차단부 내부압이 급격히 상승하면 선단에서 아크제트(Arc Jet)가 분출된다. 차단부 내 고압력으로 인한 압력 및 확산 효과, 가스의 소호 성분에 의해 속류가 차단된다. ⑵ 적용속류 차단형 아킹혼 사양 결정 및 적용 검토 시 유의해야 할 사항은 기본적으로 피뢰장치와 같지만, 여기서는 피뢰장치와의 차이점을 중심으로 설명한다. ⓛ 정격 전압기본적으로는 피뢰장치와 같으나, 1선 지락 시 건전상 대지전압에 기초해 결정한다.② 차단 전류속류 차단형 아킹혼은 사고 시 계통에서부터 사고 전류(속류)가 흐르지만, 크기에는 한계가 있다. 주로 차단부의 사양, 배치, 혼 간격에 의해 결정된다. 현재 차단 전류가 다른 두 가지 타입, 지락 전류만 차단하는 것과 단락 전류를 차단하는 것이 있다. ③ 동작 횟수가스 발생에 의한 속류 차단 방식이므로 동작 횟수에 제한이 있다. 규정 횟수 작동 후 사고 전류를 차단하는 기능은 없지만, 아킹혼의 기본적인 기능은 가지고 있다.④ 절연 특성섬락 경로 길이는 표준 혼 간격과 비슷한 정도로, 50% 섬락 전압 특성과 임계 통락 전압 특성은 표준 아킹혼과 같다. ⑤ 속류 차단 성능뇌격 발생 후 일정 시간 동안 속류가 흐르기 때문에, 이때 차단기가 동작하면 선로 사고가 된다. 따라서 속류 차단형 아킹혼의 차단 시간과 릴레이 동작 시간의 협조를 연구해야 할 필요가 있다. 보통 속류 차단형 아킹혼의 차단 시간은 1사이클 정도다.⑥ 내전압 성능피뢰장치와 마찬가지로, 개폐서지 및 상용 주파 과전압으로 방전하지 않도록 설정한다. ⑦ 오손 성능오손에 의한 절연 성능 및 속류 차단 성능에 영향은 없으며 모든 오손지역에서 적용할 수 있다. ⑧ 기계 강도아크제트가 분사됨으로써 속류 차단형 아킹혼에는 전력이 걸리지만 이 압력에 대해 충분한 강도를 가지도록 설정되어 있다. ⑨ 장주 설계보통 혼과도 교체 가능해 어깨쇠를 개조할 필요가 없다.⑩ 조해(鳥害) 방지 기능수지에 의한 피복구조로 전극부가 노출되어 있지 않고 새나 짐승이 접촉해도 섬락이 발생하지 않아 사고 방지에 효과적이다. 마무리자연현상인 뇌격은 크기, 발생장소 등 가지각색이므로 가공 송전선의 낙뢰 사고를 완전히 방지하는 것은 어려운 일이다. 그러나 전력을 안정적으로 공급하기 하려면 낙뢰 사고 저감 노력은 계속 이루어져야 할 것이다. 뇌해 대책에 관한 기대는 향후 더욱 높아질 것으로 생각된다.
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