배전선 뇌해 대책-일본편

이 원고는 일본《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다. 배전선 뇌해 대책 -일본편 도쿄(東京)전력㈜_미야자키 데루(宮崎 輝) 아이바 키요시(饗場 潔) 개요 낙뢰는 전력설비에 있어 최대 위협으로, 공급지장을 초래하는 사고 중 가장 큰 사고 원인이다. 낙뢰로 인한 사고를 줄이기 위해 전력회사에서는 여러 가지 내뢰 대책을 실시해 왔다. 배전설비에서는 선로용 피뢰기를 적용하는 방법 외에도 기기에 산화아연 소자를 내장함으로써 내뢰성을 향상시켜 왔다. 한편 고도정보화 사회로 진전함에 따라, 상품으로서의 전력에도 한층 고품질이 요구되고 전력시장에 경쟁원리가 도입되면서 전력사회에는 지금까지보다 더 높은 코스트 저감 효과를 기대하고 있다. 코스트를 줄이기 위해 낙뢰 빈도가 적은 지역에서는 배전선의 가공지선이 생략되고 있다. 또한 낙뢰 데이터를 수집·분석하여 내뢰설계를 합리화하기 위해 실 필드에서는 뇌격전류 등의 관측이 활발히 이루어지고 있다. 본고에서는 도쿄(東京)전력을 예로 들어, 배전설비에서의 내뢰 대책 및 그 대책을 합리화하여 코스트 저감을 목적으로 한 낙뢰 관측 등의 연구 실태에 대해서 설명한다. 배전설비 낙뢰사고 실태

*출처) 일본 전력 중앙연구소 ‘배전선 내뢰설계 가이드’ T69 [그림 1] 고압 배전선 사고유과 낙뢰사고율(전 전력회사 합계)

<그림 1>은 일본의 모든 전력회사에서 발생한 배전선 관련 사고와 낙뢰사고의 연도 추이를 나타낸 것이다. 배전선에는 최근 산화아연 소자를 내장한 변압기, 개폐기 등이 개발·적용되면서 낙뢰사고율이 점차 감소하고 있다. 그러나 모든 사고에서 차지하는 낙뢰사고 비율은 10~20% 정도로, 여전히 높은 비율을 차지하고 있다. 배전선 절연설계 전력계통에 적용된 애자 및 기기는 보통의 운전 전압에서는 물론 과전압에서도 절연내력을 가질 필요가 있다. 6.6㎸ 배전선 절연강도는 60㎸로 JEC-0102(1994년)로 규정된다. 낙뢰에 의한 과전압은 피뢰기로 보호하는 것이 기본인데, 피뢰기에 의해 제한된 전압은 배전선의 기기 및 고압 애자의 절연강도 미만이기 때문에 협조가 이루어지고 있다. 배전선 뇌해 대책 전력회사에 있어 저렴한 전력을 안정하게 공급하는 것은 중요한 과제다. 그 때문에 전력회사에서는 공급 지장 사고 최대 요인인 낙뢰에 대해 여러 가지 대책을 실시해 왔다. 아래에서 설명하는 내뢰기재는 각 사에서 낙뢰빈도 및 내해실적 등을 감안하여 실시 기준을 정한다. 1. 설비 면에서의 내뢰 대책 배전선은 산간부에서 시가지에 이르는 광범위한 지역에서 면적이 넓어지는 설비로, 송전설비와 비교하면 기기 및 애자의 절연 레벨이 낮다. 따라서 배전설비 및 배전설비 부근으로 떨어지는 낙뢰로 인해 발생하는 유도뢰(誘導雷)도 고려하여 내뢰설계를 실시해야 한다. 이에 따른 배전선 뇌해 대책으로 피뢰기나 가공지선 설비, 방전 클램프 설치 및 내뢰소자를 내장한 기기 등이 도입되고 있다. 이런 뇌해 대책에 의해 낙뢰에 의한 사고는 점차 감소하고 있다. <그림 2>에 도쿄전력 내뢰기재의 예를 나타냈다.

[그림 2] 배전선 내뢰 대책(6.6kV)

⑴ 피뢰기 피뢰기는 자체의 저항 비직선성으로 애자 및 기기에 발생하는 과전압을 억제한다. 배전선 내 기기(변압기, 개폐기)에는 피뢰기(내뢰소자)를 내장하여 보호 효과를 향상시키고 있다. ⑵ 가공지선 가공지선은 선로와의 선간 결합 및 서지 전류의 분류 효과로 뇌서지 과전압을 억제한다. 습뢰(襲雷) 빈도가 높은 지역에서는 피뢰기와 가공지선의 병용 시설을 적용한다. ⑶ 방전 클램프 일본 도쿄전력에서는 1970년대 피복전선 사용이 증가하면서 낙뢰에 의한 섬락 후 전선 아크 용단이 빈번해졌다. 이에 고압 애자 정부(頂部)에 섬락 금구를 설치하고 이 금구와 애자 기초 금구 사이~어깨쇠 사이에 섬락과 이에 따른 AC 속류를 방전시켜, 전선 단선과 애자 파괴를 방지하는 방전 클램프를 적용했다. 이것은 1990년에 거의 100% 설치 완료됐다. ⑷ 격차 절연방식 고압 단선 방지를 위해 고압 애자의 절연(절연 강도 : 100㎸)을 변압기 주변부 절연 레벨(절연 강도 : 60㎸)로 명확히 차이가 나는 격차 절연 방식을 채용하고 있다. 또한 최근에는 설비투자를 억제하기 위해 낙뢰 빈도가 적은 지역에서는 가공지선을 생략한다. 낙뢰빈도가 많은 지역에 적용할 때에는 실 필드의 낙뢰 관측 데이터를 분석하여 내뢰기재 효과 및 내뢰설계 타당성을 확인한 후에 내뢰설계 합리화를 진행한다. 2. 설비 운용 면에서의 내뢰 대책 설비 운용 측면에서는 배전선에서 낙뢰로 의한 지락사고가 발생해도 차단기로 재빨리 지락사고 개소를 계통에서 분리시키고, 다시 차단기를 투입하여 해당 선로를 계통에서 복귀시키는 재섬락 방식으로 낙뢰 피해를 줄이는 방책을 실시했다. 이로써 전력계통으로서의 종합적인 신뢰도 확보에 노력하고 있다. 또 각 전력회사에서는 낙뢰위치 표정장치로 LPATS 등을 가동하고 있다. 낙뢰위치 표정장치는 낙뢰가 발생한 위치를 실시간으로 표정(標定)할 수 있어, 낙뢰사고 시 배전선 순시 업무 소요시간을 단축하는 동시에 뇌운 접근을 사전에 파악하여 보수 작업 시 안전 확보에 공헌한다. 향후 낙뢰 연구로 장치의 표정 빈도를 한층 더 향상시키면서 낙뢰 빈도의 지역 특성 등 낙뢰 계통 데이터를 축적하여 내뢰설계 합리화 검토로 활용해 나갈 생각이다. 전력회사에서 낙뢰 연구 현황 본고에서는 도쿄전력 실제 배전선에서 실시된 낙뢰 관측에 의한 연구에 대해 설명한다. 이미 언급했듯이 최근에는 배전선 낙뢰 사고 건수가 감소하고 있다. 배전선의 뇌해 대책 합리화를 진행시키기 위해서는 실 필드에서의 뇌격 양상을 관측하여 직격뢰·유도뢰 발생 빈도 및 뇌격 시 배전선에 발생하는 현상을 정확하게 파악할 필요가 있다. 도쿄전력은 낙뢰가 많이 발생하는 토치기현과 군마현의 배전선에서 뇌격 시 발생하는 전압 파형 및 접지선에 흐르는 전압 파형을 관측했다. 또한 뇌격 양상을 다수의 카메라로 촬영하여 직격뢰와 유도뢰의 구별, 배전선 및 주위 구조물의 뇌격 흡인 효과를 조사했다. <그림 3>에 낙뢰 카메라 및 관측 장치 설치 상황을 나타냈다.

(a) 낙뢰 관측용 카메라           (b) 센서 [그림 3] 관측 장비 설치 상황

1. 사고 발생 빈도 <그림 4>는 관측 지역에서의 뇌격 발생 건수와 낙뢰에 의한 사고 발생 건수를 나타낸 것이다.(1996년~2001년) 지역 내 뇌격에 의한 배전선 사고(30건) 중 80%(24건)가 직격뢰에 의한 것이었다. 또 직격뢰가 배전선 사고로 이어진 사고 발생 빈도는 53%(24/45건)였던 것에 반해, 유도뢰에 의한 사고 발생 빈도는 4%(6/159건)였다.

관측 지역 내 뇌격 수         낙뢰사고 발생 건수 [그림 4] 뇌격의 발생 건수와 낙뢰사고 건수

이상의 결과는 기존 내뢰설계에 기초한 유도 뇌서지 억제 대책으로 각종 내뢰 기재를 배전선에 시설한 것이다. 이것으로 현재 배전선은 유도뢰에 대해 내뢰성이 상당히 높아졌음을 알 수 있다. 기존 배전선 절연 레벨에서는 보호가 거의 불가능했던 직격뢰 역시 전선 사고로 이어지지 않는 경우가 많았다. 이것은 내뢰 기재의 적절한 조합에 의한 것으로, 배전선의 직격뢰 보호가 어느 정도 가능해진 최근 실험 결과와도 일치된다. 2. 섬락 후 속류 계속 양상 앞서 직격뢰 사고가 발생하지 않았다는 사례가 절반 가까이에 이른다는 결과에 대해서는 언급했지만, 그 요인의 하나로 여겨지는 현상을 관측하여 확인했다. 기존 고압 배전선에서 2상 이상의 섬락이 발생한 경우 반드시 AC 속류가 발생해 배전선 사고로 이어지는 것으로 알려져 있다. 애자 섬락 발생 시 관측된 고압 애자 간 전압 파형 예를 <그림 5>로 나타냈다.

[그림 5] 실측 애자 간 전압파형 예

그림에서 ⒜는 0~9㎲까지의 파두부(波頭部)를, ⒝는 0~20㎳(상용 주파1주기)까지의 전 파형 데이터를 나타낸다. 여기서 T상, R상에 섬락이 발생하지만 ⒝에서 T상, R상 모두 속류가 소호하여 삼상 모두 애자 간 상용주파 전압이 유지되고 있는 모습을 확인할 수 있다. 한편 상기 파형 분석을 속류 계속 유무가 확인 가능한 18가지 사례에 대해서 실행한 결과를 <표 1>로 나타냈다. 1상 섬락 외 2상 또는 3상에서 섬락이 발생한 경우에도 속류 아크가 자연 소호됐다. 이런 현상은 배전선 사고 발생률에 영향을 줄 요인으로 생각된다. 향후 실 필드에서 속류 계속 빈도의 해명을 진전시킴에 따라 계산 정밀도 향상을 기대할 수 있다. 3. 향후 뇌해 대책의 방향성 향후 배전선의 뇌해 대책으로 낙뢰 관측에서 얻은 실적을 고려하여 코스트 저감을 위한 노력을 계속해야 한다. 현재는 신뢰도는 유지하면서 내뢰설비의 불필요한 낭비를 줄이는 것이 중요해졌다. 배전선 내뢰설계 합리화를 실행한 후 긴밀한 해석모델을 이용한 검토가 필요하다. 향후 낙뢰 관측으로 얻은 데이터를 기본으로, 뇌 서지 해석 정밀도를 향상시켜 지역별 낙뢰 및 설비 실태를 보다 상세하게 반영한 배전선 내뢰설계 합리화를 진행시킬 예정이다. 마무리 전력 공급에 지장을 주는 사고의 최대 요인은 자연현상인 낙뢰다. 낙뢰에 의한 사고를 감소시키기 위해 전력회사에서는 여러 가지 내뢰 대책을 실시하고 있다. 더욱이 현재 내뢰설계 합리화에 의한 코스트 저감과 설비 운용·보수 지원을 목적으로 한 낙뢰 데이터 축적 등의 연구가 활발히 진행되고 있다. 향후 데이터 축적을 계속해 가면서 연구 성과를 보다 저렴하고 안정된 전력 제공에 반영할 것이다. 낙뢰감지시스템 1980년대 들어서 실용화된 기술로, 기존 뇌방전계수기(Lightning Flash Counter)보다 훨씬 정확하게 대지 뇌방전밀도 및 뇌격전류 피크치를 추정할 수 있으며 On-Line 표정위치 검출도 가능하다. 낙뢰위치 표정 및 추적시스템(LPATS : Lightning Position and Tracking System) LPATS는 전력계통 운용 및 내뢰설계용 낙뢰 자료 수집을 목적으로 설치 운영되고 있다. 우리나라에서 중앙분석장치는 한전 본사 EMS 전산실에 설치 운영되고 있으며, 낙뢰감지수신기는 상주변전소, 창공변전소, 신강진변전소, 속초변전소, 울진원자력발전소, 태안화력발전소 등 6개소에 설치되어 인공위성으로부터 낙뢰자료를 수신하고 있다. 또한 낙뢰화면표시장치는 중앙급전사령실, 전력연구원, 9개 전력관리처 및 제주지사 등에 설치되어 있다.