고장력 섬유로프를 이용한 보호망 및 철탑발받침 설치공법

개요 1. 신기술 개발 배경 우리나라 전력계통은 지속적인 경제성장에 따른 전력수요의 꾸준한 증가로 경제적인 전력수송, 전력공급의 신뢰도 향상 및 효율적인 국토 사용을 위하여 대전력 수송 송전선로로 성장하였다. 이에 따라 송전철탑의 대형화, 대용량 전선 사용 및 다도체화 등 송전선로가 대규모로 건설되고 있다. 이로 인해 집단 민원이나 지형적인 영향으로 송전선로 건설공사 시 지장 공작물의 횡단조건이 장경간 및 복잡화되어 기존 철탑발받침을 이용한 횡단조건에 부합하는 경우가 자주 발생하고 있어, 이에 대한 대책이 요구되고 있다. 이에 쌍용(주)와 벽산엔지니어링(주)는 기존 철탑발받침 보호망 주모선에 사용하는 스틸 와이어로프를 대체할 수 있는 인장하중이 크고 단위중량이 가벼운 고장력 섬유로프를 사용함으로써 수직하중을 경감하고, 기존 철탑발받침에 인가되는 수평하중을 가지선 형태로 근가에 배분하여 수평하중을 경감하는 새로운 공법을 채택하여, 기존 철탑발받침의 구조적 한계를 확대하고 안전성, 시공편리성, 경제성이 있는 ‘고장력 섬유로프를 이용한 보호망 및 철탑발받침 설치공법’을 개발하게 되었다. 2. 기존기술의 문제점 ① 장경간(100m 초과) 지장물 횡단일 경우, 기존 철탑발받침 사용 곤란 기존 철탑발받침은 횡단경간이 100m 이내에 사용조건으로 설계 및 제작되어 있어, 횡단경간이 100m 초과할 경우에는 수평 및 수직하중을 검토하여 이에 적합하도록 철탑 구조보강 또는 보조철탑을 신규 제작하여 사용하는 것이 불가피하였다. ② 와이어로프를 보호망의 주모선으로 사용 시, 작업의 안전성 미화고로 전력계통 사고 우려 기존 기술은 보호망의 주모선이 도전체(Steel Wire Rope)였기 때문에 횡단공작물이 전력선일 경우 보호망 설치 또는 연선공사 수행 시 보호망 주모선에 유도되는 전류에 의해 작업원이 감전사고 및 주모선이 전력선에 접촉될 수 있다. 이 경우 전력계통의 사고로 막대한 손실을 초래하게 된다. ③ 보호망의 주모선 취급이 불편 기존 보호망의 주모선은 금속제 와이어로프로 단위중량이 무겁고, 가요성이 적어 별도의 연선장비를 사용하여 모선을 설치해야만 했다. 또한 철탑상부에서 가공 작업 시 취급의 불편으로 인한 안전사고의 위험성을 가중시켰다. ④ 특수조건(장경간)의 지장물 횡단 시 공사비 증가 장경간 지장물 횡단을 위하여 기존 철탑발받침의 구조적 성능을 보완하기 위한 주주재 및 사재를 보강하거나 서포트용 보조철탑을 사용할 경우, 이에 대한 철탑발받침 제작비용, 기초 공사비, 철탑발받침 부지 보상비, 공사기간 증가 등의 공사물량 증가로 공사비가 증가한다. 신기술의 내용 1. 신기술의 개요 (1) 송전선로의 전력선 가선 시 철탑발받침 공법에 의한 장애물을 횡단할 경우, 보호망의 주모선을 단위중량이 가볍고 인장강도가 일반 로프에 비하여 월등히 큰 고장력 섬유로프를 사용하여 자중에 의한 수직하중을 경감시킨다. 또한 보호망의 주모선을 철탑발받침에 고정하지 않고 철탑발받침에 블록을 설치한 후, 주모선을 철탑발받침과 본 철탑을 통과시키고 지상에 설치한 근가에 고정시켜 평상 시 및 사고 시 보호망에 전달되는 수평하중을 현저하게 경감시킴으로써 선로의 안정성을 실현하였다. (2) 이 신기술은 장경간 지장물 횡단에 있어 수평하중 및 수직하중을 경감시켜, 기존 철탑발받침을 철탑 부재의 보강이나 서포트용 보강철탑의 신규제작 및 설치 없이 이용할 수 있게 하여 별도의 공사비 증가 없이 횡단이 가능하도록 하였다. 또한 주모선이 가볍고 가요성이 뛰어난 섬유로프를 사용하여 보호망 설치 작업이 용이하게 하였으며, 절연소재를 사용함으로써 보호망 설치 시 작업자의 실수 등으로 발생할 수 있는 감전사고 및 전력계통사고 예방에 큰 효과를 기대할 수 있다. 2. 기술적 특징 (1) 기존 철탑발받침의 사용한계 확대 국내에서 제작해 사용하는 기존 철탑발받침은 345kV 송전선로 건설용 및 765kV 송전선로 건설용 등 2종류가 있으며, 이 중 지장물 보호범위가 큰 765kV 송전선로 건설용 기존 철탑발받침은 횡단경간이 100m 이내로 설계조건을 넘을 경우, 사용이 불가능하여 별도의 대책이 요구되었다. 이 신기술은 장애공작물 횡단에 있어 고장력 섬유로프를 사용하고 기존 철탑발받침을 이용하여 횡단할 수 있는 횡단거리를 300m 이상 대폭적으로 확대 가능하도록 하였다. (2) 사고 가능성에 대한 안전성 향상 가공송전선로 가선작업 시 횡단해야 할 주요 장애 공작물은 송전선로, 배전선로, 전차선 등 전력선일 경우가 대부분을 차지하고 있다. 이러한 전력선 횡단을 위한 보호망 설치 시, 감전사고 예방 및 전력계통 사고를 미연에 방지하기 위해서는 선로휴전이 수반되어야 한다. 하지만 현실적으로 전력선은 극히 단시간 휴전, 2회선 중 1회선 휴전 또는 일체의 휴전작업이 곤란한 경우가 대부분이어서 위험에 노출된 상태로 보호망을 설치할 수 밖에 없는 공사 여건으로 선로사고가 자주 발생하였다. 지금까지 철탑발받침 보호망의 주모선은 스틸와이어로프 및 비절연 PP 로프가 일반적으로 사용되어 왔다. 지장물인 전력선을 횡단할 경우, 보호망 주모선인 스틸와이어로프가 도전체이기 때문에 보호망 설치 시 감전사고를 발생시킬 수도 있으며, 보호망 와이어로프가 전력선에 접촉함으로써 발생되는 계통사고 위협에 항상 노출된 상태였다. 이 신기술은 보호망 주모선을 절연체인 고장력 섬유로프를 사용하여 감전사고 및 계통사고 발생 위험을 대폭 축소하였다. (3) 장경간 지장물 횡단 시 추가 공사비용 절감 횡단거리 100m가 넘는 장경간 지장물 횡단 시, 기존 철탑발받침은 설계하중 미달로 사용이 불가능하여 별도의 철탑 보강방안을 강구하거나 장경간 하중을 충족하는 철탑발받침을 신규 제작해야만 했다. 이로 인해, 신규 제작을 위한 비용, 발받침 철탑부지 보상비, 공사기간 증가 등으로 인한 많은 경제적 비용이 추가 발생하였다. 이 신기술은 기존 철탑발받침을 보강이나 수정 없이 그대로 사용하여, 추가로 발생될 수 있는 비용과 공사기간의 연장 없이 시공이 가능하다. (4) 기존의 보호망 설치작업 대비 간편한 시공성 기존 보호망 주모선인 금속제 와이어로프는 중량물이고 가요성이 원활하지 않아 보호망 설치 작업 시 작업자의 안전성 확보가 어려웠으며, 설치기간이 장기간이었다. 이 신기술은 보호망 주모선으로 고장력 섬유로프를 적용시켜, 중량이 기존 금속제 와이어로프에 비하여 1/10정도로 가볍고 가요성이 자유로워 보호망 설치 작업 시 획기적으로 간편한 시공이 가능하도록 하였다. 3. 고장력 섬유로프의 특성 (1) 고장력 섬유로프 사양(<표 1> 참조) ① 녹는점 : 150℃ ② 비중 : 0.97 ③ 신장도 : 4~5% ④ 절연저항 : 양호 ⑤ 함수율 : 없음 (2) 고장력 섬유로프와 와이어로프 비교 (<표 2> 참조) 4. 신기술을 이용한 장경간 장애물 횡단 세부내용 이 신기술 공법 적용에 있어, ‘765kV 울진-신태백 T/L 건설공사(제3공구)의 No.79~No.80호 가선작업’에 적용한 공법으로, 기존 송전선로인 ‘345kV 울진-신태백 T/L 송전선로(No.131~No.132) 횡단’을 기준으로 기술한다. (1) 신기술 공법을 이용 ① 보호망 설치 전경(<그림 1> 참조)

② 현황도(<그림 2> 참조)

③ 보호망 설치도(<그림 3> 참조)

(2) 하중검토 <표 3>은 기존 철탑발받침 상정하중과 기존 공법(와이어로프) 및 신기술 공법(고장력 섬유로프) 시 인가하중 검토 결과이다. 검토 결과, 312m 장경간 횡단일 경우 기존 공법은 기존 철탑발받침 한계하중을 초과(최대 165.9%)하여 사용이 불가능하지만, 이 신기술 공법은 기존 철탑발받침 상정하중 한계를 충분히 만족(최대 69.2%)한다. 5. 범위 1) 보호망 주모선을 고장력 섬유로프로 사용한 방법 ① 고장력 섬유로프의 단위중량이 동일한 인장강도를 가지고 있는 기존에 사용된 스틸와이어로프보다 약 1/10 정도로, 평상시나 사고 시 철탑발받침에 인가되는 수직하중을 감소시켜 기존 철탑발받침이 횡단할 수 있는 경간의 한계를 확장한다. ② 고장력 섬유로프의 가볍고 우수한 가요성으로 작업효율이 향상된다. ③ 고장력 섬유로프의 절연특성으로 감전사고 예방 및 전력계통 안정에 기여한다. 2) 주모선을 철탑발받침과 본 철탑을 통과시켜 보호망에 작용하는 수평하중을 근가에 인가한 방법 ① 기존 인류형 철탑발받침 Arm에 소형 블록을 설치하여 보호망 주모선을 블록으로 통과시켜 현수형 형태로 사용하게 하고, 통과한 주모선은 본 철탑을 걸쳐 근가에 결속하므로 수평하중을 근가에 부담하도록 한다. ② 수평하중을 근가에 부담하게 하여 기존 철탑발받침의 최대 사용경간 한계(100m 이내)를 300m 이상으로 확장한다. ③ 철탑발받침 사용한계를 확장하여 100m 이상 장경간 지장물을 횡단할 경우 하중조건에 맞는 철탑발받침 제작 및 설치비용, 기초공사의 확대 없이 기존 철탑발받침을 그대로 사용 가능하다. 6. 설치공법 (1) 설계하중 산출 ① 철탑중량 부재와 플레이트 및 볼트류 중량 ② 전선중량 전선 단위 중량에 철탑발받침이 분담하는 하중경간을 곱한 중량이다. 여기서 하중경간은 송전선 1경간 내에 설치한 발받침철탑 전, 후 경간의 1/2이다. ※(S1＋S/2)와 (S2＋S/2) 중 큰 것을 택하여 하중경간을 한다. (<그림 4> 참조)

③ 방호네트 중량 (철탑발받침 암에 가해지는 네트 중량) ㄱ. 방호네트를 한쪽으로 걷었을 때 Wn= ㄴ. 전선이 방호네트위에 걸쳐 있거나 낙하할 때 Wn= Wn : 방호네트 중량(kg) W1 : 모선 단위중량(kg/m) W2 : 횡로프 단위중량(kg/m) W3 : 당김로프의 단위중량(kg/m) W5 : 연결금구의 중량(kg) P : 로프의 함수증가비(=1.3) S : 발받침 경간(m) ℓ : 모선간격(m) a : 횡로프의 간격(m) iy : 횡로프의 본수(본) i : 당김로프의 연결금구개수(개) ④ 편심하중 발받침 철탑의 중심축에 대하여 편심이 작용되는 수직하중(<그림 5> 참조) Ex = Wc ＋ Wn Ex : 편심하중(kgf/지지점) Wc : 전선중량(kg) Wn : 방호네트중량(kg) ⑤ 방호네트 수직각도하중 발받침 철탑 간 고저차가 있을 경우, 높은 쪽 철탑에는 네트이 수직분력이 작용한다. Vn : 방호네트 수직각도하중(kg) Tn : 방호네트 수평장력(kgf) h : 방호네트 지지점 고저차(m) S : 발받침경간(m) ⑥ 철탑풍압(Ht) 표준등가풍압치에 수풍면적의 곱 Ht = 표준등가풍압치×수풍면적 ⑦ 전선풍압(Hc) 방호네트에 걸쳐있는 전선의 풍압 Hc = 전선풍압×전선직경×( 또는 ) ⑧ 방호네트풍압(Hn) Hn= ⑨ 전선장력 전선이 철탑발받침 암에 낙하할 경우 진동상태의 저항을 말하는 것으로, 경간 내 연선장력의 5~10%로 본다. ⑩ 방호네트장력 방호네트 모선장력을 말한다 ⑪ 상시염력( ) 방호네트 장력이 비대칭으로 작용할 때 발생한다.(<그림 7> 참조) (kgf/면) Mt : 염회모멘트(kgf·m) =(TniSi＋Tni+1Si+1＋......) Tni : 방호네트장력(비대칭분)(kgf/면) Si : 철탑 중심부터의 거리(m), B : 탑체(m) ⑫ 이상 시 염력(q) 전선이 철탑발받침 암에 낙하 시 진동상태에서 생김. (kgf/면) Mt : 염회모멘트(kgf·m) = PcSc Pc : 전선장력(비대칭분)(kgf/면) Sc : 철탑중심부터의 거리(m), B : 탑체폭(m) ⑬ 수평각도하중(Ha) : 방호네트의 수평각도 분력 Ha = Tnsinθ(kgf/조) Tn : 방호네트장력(kgf) θ : 방호네트 취부각도(도) (2) 기초설계 ① 발받침 철탑은 가설구조물로 설치기간이 짧고, 본 철탑에 비해 기초응력 규모가 작다. ② 압축지지력과 인발지지력은 지반의 극한 압축지지력, 흙의 등가단위 체적 중량 등 토질과 역학적인 성질을 고려하여 충분한 안전율을 가지도록 설계해야 한다. (3) 재료확인 철탑을 분류하여 부족재 유무 및 부재의 불량유무를 확인한다. 7. 기존기술과의 비교 <표 4> 참조.