[연재강좌] 자연재해 경감을 위한 센서기술

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[연재강좌] 자연재해 경감을 위한 센서기술

2005년 2월 28일 (월) 00:35:00 | 지면 발행 ( 2005년 1월호 - 전체 보기 )

이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.

자연재해 경감을 위한 센서기술

(재)전력중앙연구소(電力中央硏究所)_오토모 케이조(大友敬三)

일본은 지형, 지질, 기상 등의 자연조건에서 지진, 태풍, 호우, 화산분화라는 자연재해 위협에 노출되어 있다. 전력시설도 예외는 아니어서 1959년 이세완 태풍, 1995년 효고현 남부 지진 등으로 인해 지금까지 막대한 피해를 입었다. 또한 최근에는 2003년 7월의 니가타·후쿠시마 호우와 후쿠이 호우, 2003년 9월의 태풍 16호와 18호 등으로 인해 송배전설비에 피해가 발생했던 것도 생생하게 기억한다.

이들 자연재해로 인한 전력시설의 피해 경감을 위해서는 재해를 초래한 발생원·요인 해명, 수치 해석 기술 개발, 각종 대책 실현 등의 면부터 실행하는 것이 바람직하다. 자연현상을 대상으로 하면서부터 관측은 재해연구 중 큰 축이 되고 있다.

본고는 자연재해가 초래한 각종 외력의 관측기술을 취급하고 있다. 자연재해로서 지진재해, 풍재해, 강우재해를 개관한 후 관측기술 현상과 역할 등을 나타낸다. 덧붙여 전기사업에 있어서의 관측 사례를 소개한다.

지진재해 경감을 위한 관측

1. 전력시설의 지진재해

전력시설에 현저한 지진피해가 발생한 것은 1964년 니가타 지진, 1978년 미야기현 앞바다 지진, 1995년 효고현 남부 지진이다. 1964년 니가타 지진 시 지반액상화 영향에 의해 니가타 화력발전소는 취방수계 토목구조물 기능을 잃었다. 1978년 미야기현 앞바다 지진 시에는 변전기기의 애자파손이 현저했다. 1995년 효고현 남부 지진에서는 진도 7 클래스(당시 기상청 진도계)의 강진과 지반액상화 영향으로 광범위하게 가공 및 지중 송배전설비 등에 피해가 발생했다. 이러한 피해를 미연에 방지하려면 대지진이 발생했을 때 땅 진동의 가속도를 정확히 기록하고 그 지진력을 설계 및 대책에 반영하는 것이 중요하다.

2. 관측 현상

1995년 효고현 남부 지진 이래 국가에서 지진관측망 강화가 급속히 진전되어 지진 후의 땅 진동 정보 입수와 기록의 해석이 용이해졌다. 방재과학기술연구소 강진관측망(K-NET), 기반강진관측망(KiK-net) 등이 전국적으로 퍼져 있다. 기상청 진도계도 증각되고 있다. 이들 관측망이 전국을 거의 덮고 있어 각 기관의 관측망을 포함하면 일본 내에서는 수천 대의 강진계가 전국으로 펼쳐져 있다.

지진관측의 목적과 의의, 역할은 다음과 같이 정리할 수 있다.

① 진원과정의 해명

② 지진동 특성의 공학적 평가

③ 지진동 예측의 기초 데이터

④ 지반과 구조물의 지진 시 거동 응답의 해명

⑤ 설계 수법과 수치 해석 기술의 검증

⑥ 시설의 안전성 확보

⑦ 조기피해 예측

이들 관측 역할은 간접적인 것과 직접적인 것으로 구분할 수 있다. 간접적인 것은 ①~⑤에 해당하는데 관측기록 데이터 해석을 통해서 지진하중 설정과 지진동 예측, 해석 수법 검증에 반영하려는 것이다. 직접적인 것은 ⑥과 ⑦이 해당한다. ⑥은 지진 발생 시에 소정의 강도를 넘는 지진동을 감지하면 시설 운전을 정지시키는 시스템이다.

예를 들어 도시가스 도관망을 대상으로 한 초고밀도 리얼타임 진동 방재 시스템(SUPREME)이 실용화되어 있다. 한편 ⑦은 지진동의 초동(P파)을 지진계로 잡아내어 진원위치와 등급을 컴퓨터로 즉시 계산해 큰 흔들림(S파)이 도달하기 어느 정도 전에 지진 발생과 규모를 알 수 있는 시스템으로, 이러한 시스템은 일부 지자체에서 채용되고 있다.

3. 지진관측 사례

전력중앙연구소에서는 암반상을 중심으로 한 지진관측에 중점적으로 착수하고 있다. 이것은 원자력발전소와 같은 중요 전력시설은 암반상에 설치되어 있으므로 이 조건에 근접한 관측기록을 제공할 수 있고, 지표면 가까이 있는 지반증폭의 영향을 포함하고 있지 않기 때문에 진원과정 해명 데이터에 도움이 되며 또한 지진방재와 내진설계의 실무에서 지표면의 지진동을 예측할 때의 기준이 된다는 등의 이유 때문이다. 즉 앞에서 서술한 지진관측의 역할 중 주로 ①, ②, ③에 관련된 연구에 활용되고 있다.

<그림1>은 이와 같은 지진 관측점을 나타내고 있다. 지금까지의 양질의 기록을 수록할 수 있고 설계용 지진동의 검토와 진원과정 해명에 도움이 되고 있다. 관측점은 38점으로 이 중 33점이 암반상에 설치되어 있다. 지진 관측점은 동일본의 태평양연안에 많이 배치되어 있다. 이것은 이들 지역의 지진활동도가 높고 지진발생 시에 강진기록의 수록을 기대할 수 있기 때문이다. 관측은 1975년부터 시작됐다. 이 중 1980년에서 2000년까지의 데이터가 데이터베이스화되어 있다.

이들 관측망의 관측기록에서 지원의 파괴과정을 추정하고 지진동을 예측한 사례를 소개한다. 이용된 관측기록은 <그림2>와 같이 1997년 이즈반도 앞바다에서 시작된 지진 중 최대지진(기상청 등급 5.9)이다. 여기에서는 우선 관측파형에 기초해 단층운동에 따른 지하심부의 응력 변화, 미끄럼 양의 시간적·공간적 분포가 역해석됐다. 다음으로 추정된 진원의 파괴과정에 기초해 관측점의 지진동이 시뮬레이션됐다. <그림3>에 관측점마다의 관측파형과 계산파형의 비교(속도파형)가 표시되어 있다. 어떤 관측점에서든 계산파형과 관측파형이 잘 일치되어 있다는 것을 알 수 있다.

풍해 경감에서 관측

1. 전력시설의 풍해

송배전설비는 지금까지 태풍 시의 강풍에 의해 막대한 피해를 입고 있었다. 최근 십 수 년 동안만 봐도 1991년 태풍 19호, 1999년 태풍 18호, 2002년 태풍 21호 등에 의해 50만 V 클래스의 기간 송전철탑이 파손됐다. 또 1991년 태풍 19호로 인해 배전주가 많이 파손됐다. 송배전설비를 안전하게 합리적으로 설계하려면 관측과 해석결과 등을 토대로 강풍이 설비에 미치는 영향을 평가하는 것이 중요하다.

2. 관측 현상

바람의 관측은 바람 관측과 바람 응답 관측으로 구분할 수 있다. 바람 관측에서는 풍향·풍속을 측정한다. 대표적인 측정기기로는 풍차형 풍향 풍속계, 초음파 풍속계, 길형 풍속계를 들 수 있다. 바람 응답 관측을 위해서는 가속도계, 풍압계 등이 이용된다. 송전설비 특유의 계측기로 가섭선의 흔들림 각계와 장력계 등이 사용될 경우가 있다.

바람 관측 및 바람 응답 관측의 목적과 의의, 역할은 지진관측과 거의 같아 다음과 같이 정리할 수 있다.

① 강풍의 공간구조 해명

② 설계용 바람하중의 공학적 평가

③ 구조물의 바람 응답 특성 해명

④ 설계수법, 수치 시뮬레이션 기술의 타당성 검증

⑤ 시설의 운용·관리

이들 중 ①~④는 내풍설계 기술의 검증과 향상에 중점을 둔 것이다. 전력설비에 관해서는 송전설비의 내풍설계에 크게 관련한다. ⑤는 어느 쪽이냐 하면 바람의 영향을 받기 쉬운 구조물의 운용에 활용되는 것이다. 예를 들어 제진장치가 부착된 건축물의 응답감시, 공기막 구조의 내부 컨트롤 등에 필요하다.

3. 바람 관측 및 바람 응답 관측 사례

전기사업은 <그림4>에 나타나 있듯이 지형의 영향을 받은 강풍이 작용한다고 생각되는 산악부(도쿠시마 현 시코쿠산지계·검산(표고 1955m)의 동쪽 약 15km 산세이 고개)에 3기 2경간부터 500kV 규모의 시험설비(이하 시코쿠 시험선)를 설치하고 250채널 이상에 미치는 대규모 바람 관측 및 바람 응답 관측을 실시했다. 이러한 대규모 관측은 지금까지 그 예가 없었고, 본 설비로만 얻을 수 있는, 지형의 영향을 받은 바람의 공간구조와 철탑·가섭선 연선계의 진동특성 등 귀중한 데이터를 취득할 수 있었다.

바람 및 바람 응답 관측 상황은 각각 <그림5> 및 <그림6>에 나타나는 것과 같다. 바람 관측은 3기의 철탑과 각 경간에 설치된 13개의 관측폴(P1~P3)을 이용해 실시했다. 응답 관측은 철탑 응답 관계와 가섭선 응답 관계로 상세히 측정했다. 철탑 관계에서는 가속도계, 축력계(뒤틀림 게이지)를, 가섭선 관계에서는 가속도계 및 회전계, 장력계, 진각계를 각각 설치했다. <그림7>은 완금부에서 계측기 설치상황을 나타내고 있다.

관측은 1994년 9월에 시작되어 그 후 약 7년간 1583개의 강풍 데이터가 관측됐다. 최대 평균 풍속을 기록한 것은 1998년 10월 17일의 태풍 9810호로 No.2 철탑꼭대기부분(높이 58.5m)에서 평균 풍속 28.2m/s, 순간풍속 49.5m/s였다.

시코쿠 시험선으로 얻은 바람 관측 데이터에 기초해 바람 난류 통계량 ; 평균 풍속의 연직분포, 흐트러짐의 강도, 흐트러짐의 스케일, 디케이팩터 등이 평가됐다. 이들 파라미터는 강풍 시에서 철탑·가섭선 연성계의 동적 응답 특성을 고려한 풍하중 산정에 필요한 파라미터다. 평가된 파라미터 특성은 건축물 하중지계에 채용되어 있는 그것들과 거의 같다는 것이 확인됐다.

시코쿠 시험선의 응답 관측 데이터는 철탑·가섭선 연성계의 동적 바람 응답 해석 방법의 정밀도 검증에도 활용됐다. 이 해석에서는 철탑을 입체 트러스 모델로, 가섭선을 대변형 거동을 고려할 수 있는 역학 모델로 각각 모델화했다. 풍하중에는 관측기록의 통계처리에 기초한 평균 풍속과 변동 풍속의 파워 스팩틀 밀도 등을 얻었다. <그림8>은 철탑주주재의 축력 파워스팩틀에 대해서 분석결과와 관측결과를 비교한 일례이며 주파수마다의 응답특성이 정밀도가 좋게 평가된 것이 확인되고 있다.

강우재해 경감 관측

1. 전력시설의 강우재해

강우에 의한 피해는 국지적 호우에 의한 것이 대부분이다. 강우재해를 초래하는 대기현상의 대부분은 공간적 확대가 수백 미터에서 수백 킬로미터로 수명이 십 수 분에서 이틀 정도의 메소스케일 대기현상이라고 한다. 집중호우와 폭설, 번개 등은 모두 메소스케일 대기현상이다. 이러한 기상조건 하에서의 강우량 예측 파악이 재해 경감에 빠질 수 없다.

국지적 호우는 전력시설에 위협이 되고 있다. 발전용 댐에서는 호우 시의 재해방지와 저수량의 확보가 중요하다. 한편 국지적 호우로 의한 변전소 식지구 내 침수, 토사 미끄럼에 따른 송전철탑의 도괴 등이 보인다. 이들 호우피해의 경감을 위해서는 강우관측 데이터를 이용해 강우의 성질을 해명해 둘 것이 요구된다.

2. 관측 현상

강우 관측의 수단으로 우량계, 기상레이더, GPS(Global Positioning System) 등을 들 수 있다. 이 중 강우량 측정이라는 관점에서 보면 우량계는 직접적인 것, 뒤의 두 개는 간접적인 것으로 위치 지어진다. 우량계는 직접적으로 강우 강도(단위 시간당 비와 눈의 양)를 관측하는 데 효과가 있다. 그러나 바람의 영향을 받기 쉬운 것과 넓은 범위에 고밀도로 설치하는 것이 어렵다.

기상레이더는 빗방울과 눈에 의해 전자파가 산란되는 것을 이용해 강수를 검지한다. 단시간에 넓은 범위에 대해서 섬세한 분해능으로 강수를 파악할 수 있고 연속 관측해서 비의 이동과 변화를 알아내는 데 우수한 특성을 가진다. 기상레이더에는 신호의 수신방식 관점에서 종래형 레이더와 도플러형 레이더가 있다. 종래형은 신호의 강도와 거리에만 주목하고 있지만 도플러형은 수신신호의 위상정보에도 주목할 수 있다. 기상레이더 관측기술은 메소스케일의 강수계를 관측하는 데 유력한 수법으로 이미 확립되어 있다.

최근 GPS를 이용한 관측방법이 주목을 받고 있다. 이것은 GPS 위성과 GPS 수신기 사이에 함유된 전파의 위상에 포함되는 오차가 대기중의 수증기량에 관계하는 성질을 이용한 것이다. 이러한 성질을 이용해 대기중의 수증기 분포를 수십 킬로미터의 분해능으로 잡을 수 있게 되어 최근 강우 예측에 이용되고 있다.

강우재해 경감을 위한 강우 관측의 목적과 역학은 다음과 같이 정리할 수 있다.

① 주의보와 경계 발령(재해예방, 교통안전확보)

② 메소스케일 대기현상의 감시(호우지역)

③ 강우 예측 수법의 타당성 검증과 신뢰성 확인

④ 각종 기상 현상의 해명(강우계, 우운계)

강우 관측에서 우리 생활에 밀접한 것은 기상청의 아메다스 관측으로 이것은 주로 ①의 목적에 따른 것이라고 말할 수 있다. 한편 댐 홍수 조정기능에 도움이 되려면 수 시간 정도의 단기간 예측이 필요하다고 하며 이것으로 ②를 목적으로 한 관측 데이터 이용이 필요하게 된다.

3. 강우 관측 사례

전력중앙연구소는 기상레이더를 이용한 강수량 예측 수법의 개발에 관해 규수전력(주)과 공동 연구를 실시했다. <그림9> 및 <그림10>에 각각 표시된 것처럼 1997년 5월부터 구마모토·미야기현 접경에 위치한 에지로산(江代山, 표고 1607m)에 기상레이더를 설치하고 장마전선과 태풍 시의 호우관측에 착수했다.

1997년 태풍 13호 내습에 임박해 강수분포를 1km 높은 분해능으로 예측했다. 레이더 관측으로 추정된 강수량은 주변의 우량 관측 지점 40개소의 데이터와 동기시켰다. 그 결과 <그림11>에 나타낸 것처럼 우량계와 레이더아메다스(분해능 6km)에서는 잡을 수 없는 호우에 대해서도 관측 가능했다. 또 이 관측에 이용된 레이더는 도플러 효과를 가지고 있고 도플러 풍속을 이용해 호우 시의 풍속장 해석과 국지성이 초래하는 기상 현상 해명에 대해서도 현재 연구가 추진되고 있다.

앞으로의 계획

자연재해 중, 지진재해, 바람재해, 강우재해를 들어 각각의 재해 경감 기술에 필요한 관측기술이 현상과 역할 및 관측 사례 등에 대해서 개설했다. 자연재해의 규모와 에너지는 측정할 수 없을 만큼 거대하고 이들 재해의 외력은 관측에 의해 제어할 수 있는 성질의 것이 아니다. 그러면서도 지금까지 축적된 관측 데이터는 명백히 설계법과 대책법의 고도화·합리화에 반영되어 있고 피해 경감에 활용되고 있는 것도 사실이다. 앞으로도 관측 데이터를 중심으로 한 자연재해 경감 연구를 계속할 필요가 있다.