특집&기획기사

[차세대 낙뢰 보호 시스템의 개발 ④] 송전선 뇌해 대책

김대근 기자
입력 2013.07.03 00:00

차세대 낙뢰 보호 시스템의 개발 ④
송전선 뇌해 대책

송전선에서의 낙뢰 피해는 사고의 주된 원인으로 공급지장 사고의 40%를 차지할 정도로 높은 비중을 갖고 있다. 이 때문에 가공 송전선의 뇌해 대책은 안정적 전력 공급의 중요 요소로 가공 지선의 차폐각 감소, 가공 지선의 다조화 등 다양한 방법이 실시되고 있다. 이에 현재 활용되고 있는 다양한 송전선 뇌해 대책과 함께 주고쿠전력이 실시했던 내뢰 강화 대책의 구체적 안에 관해 살펴봤다.

번역·정리 전화영 객원기자

글주고쿠전력㈜ 시타시미즈 류지(下淸水龍二) 참조 ≪電氣評論≫ 제95권 7호

전력 수송에서 중요한 역할을 담당하는 가공 송전선은 멀리 떨어진 발전소에서 도시에 있는 변전소에 이르기까지 넓은 범위에 시설되며, 갖가지 자연 현상에 노출된다. 그중에서도 낙뢰는 최대 위협이며, 가공 송전선 사고의 주된 원인이다. 가공 송전선의 공급 지장 사고 중 낙뢰에 기인하는 것이 전체의 약 40%, 자연 재해로 한정하면 약 60%를 차지한다. 전력을 안정적으로 공급함에 있어 가공 송전선의 내뢰 대책을 실시해 낙뢰 사고를 줄이는 일은 필수 불가결이다. 본고에서는 먼저 가공 송전선에서 발생하는 낙뢰 사고의 종류와 발생 메커니즘, 주요 내뢰 대책을 서술한다. 이어 내뢰 대책의 일례로 최근 주고쿠전력㈜에서 실시한 기타마쓰에(겗松江) 간선의 내뢰 강화 대책 공사를 소개한다.

가공 송전선의 낙뢰 사고 종류와 발생 메커니즘

종류｜가공 송전선에서 일어나는 낙뢰 사고로 직격뢰 사고와 역섬락 사고가 있으며, 역섬락 사고는 다시 철탑 역섬락과 경간 역섬락으로 나뉜다. 개요는 <표 1>과 같다.

발생 메커니즘｜자연 현상인 낙뢰는 기상 조건, 지형 등 여러 요인이 복잡하게 얽혀 발생한다. 또한, 가공 송전선에 발생하는 뇌격은 경과지의 표고, 철탑 높이, 경간 길이 등 시설 상황에 영향을 받는다. 뇌운 발생 후 가공 송전선에 뇌격하고 섬락에까지 이르는 메커니즘은 <그림 1>과 같다.

가공 송전선의 내뢰 대책

가공 송전선에서 일어나는 낙뢰 사고를 줄이고자 지금까지 여러 대책을 강구해 왔다. 현재, 실시 또는 고안 중인 내뢰 대책은 <그림 2>와 같다.

가공지선의차폐각감소

가공 지선의 조條수를 늘리거나(1조 → 2~3조) 가공 지선의 어깨쇠(완금腕갏) 폭을 넓힘으로써 전력선과의 차폐각을 감소시키고 차폐 효율을 높여 직격뢰 사고를 방지한다. 가공 지선의 어깨쇠 폭 확대는 1회선 사고율 저감에 효과가 있다. 그러나 선 아래 점유 폭이 늘어나는 한편, 어깨쇠 끝 부분의 끼인각 확보 측면에서 가공 지선과 전력선 사이의 거리가 늘어나 철탑이 높아진다.

가공 지선의 다조화多條化

가공 지선의 조 수를 늘려 직격뢰 사고를 방지한다. 이렇게 하면 전력선과의 결합률도 커져 아킹혼 간 발생 전압이 떨어지고 역섬락 사고를 줄일 수 있다. 초고압 송전선에서 채용하는 가공 지선의 3조화는 2회선 사고율 저감에 효과가 있다. 장주裝柱에 미치는 영향도 없어 주고쿠전력㈜에서는 500㎸ 송전선에서 일부 채용 중이다.

하부차폐선

원래 송전선 아래쪽 정전 유도 대책을 경감할 목적으로 전력선 하부에 가설한다. 전력선과의 결합률이 커져 역섬락 사고를 줄이는 동시에 직격뢰 사고도 줄일 수 있다. 2회선 사고율 저감에 효과가 있으나, 비용이 많이 들어 주고쿠전력㈜에서 실제 선로에 적용한 사례는 없다.

접지저항저감

탑각 접지 저항을 낮추면 뇌격 시의 철탑 전위 상승을 억제하고, 역섬락 사고를 줄일 수 있다. 다만, 철탑 건설 장소의 토질에 영향을 크게 받아 접지 저항을 낮출 수 없는 경우도 있다.

아킹혼간격확대

2회선 송전선에서 양 회선의 아킹혼 간격을 넓혀 절연 강도를 높임으로써 섬락 사고를 줄인다. 2회선 사고율 저감에 효과가 있으나, 혼 간격에 능률 제약이 있는 데다 장주가 커진다.

불평형절연

2회선 송전선에서 양 회선의 아킹혼 간격에 절연 강도 차이를 두면, 뇌격 시 강도가 낮은 절연 측이 먼저 섬락하면서 결합률을 증가시켜 강도가 높은 절연 측에 가해지는 뇌 전압을 경감해 강도가 높은 절연 측 섬락을 방지한다. 2회선 사고율 저감에 효과가 있다.

송전용피뢰장치

가공 송전선에 발생한 뇌격으로 섬락이 일어나면 변전소에 있는 차단기가 동작해 사고 계통을 분리한다. 그러나 송전용 피뢰 장치를 적용하면 산화 아연 소자의 비선형 특성에 의해 섬락 시 속류(Follow Current)를 가려내 사고를 미연에 방지한다. 주고 쿠전력㈜ 사양의 피뢰 장치는 <표 2>와 같다.

송전용피뢰장치｜송전용 피뢰 장치는 피뢰 요소부와 직렬 갭으로 구성된다. 피뢰 요소부는 평상시에는 계통으로부터 절연되다가 뇌격 시에 동작해 아킹혼에서 섬락이 일어나기 전에 직렬 갭에서 섬락시킴으로써 송전선 사고를 방지한다. 과대 뇌 서지로 피뢰 요소부가 고장이 났더라도 직렬 갭이 있어 송전이 가능하다. 어깨쇠 끝에 지지 금구로 설치하기에 철탑 설치 시 철탑 강도에 대한 검토가 필요하다.

간이형 피뢰 장치｜간이형 피뢰 장치는 송전용 피뢰 장치와 같은 기구이나, 방전 내량을 작게 해 작고 가볍게 만든 것이다. 기존에 있는 애자 장치의 아킹혼 대신 설치할 수 있으며, 기본적으로 철탑을 개조할 필요가 없다.

속류 차단형 아킹혼｜속류형 아킹혼은 새 피해 방지용 아킹혼을 토대로 개발한 것으로, 아킹혼 대신 설치할 수 있다. 뇌격으로 차단부 내에 사고 전류가 흐르면 온도가 상승해 소호 가스가 발생한다. 이를 분사시켜 속류를 차단한다. 피뢰 장치와 달리 산화 아연 소자를 사용하지 않기에 저렴하고, 새 피해도 방지할 수 있다. 다만, 속류 차단 횟수가 제한되며, 속류를 차단하는 동안 순간 전압 강하가 발생한다.

기타마쓰에 간선 내뢰 강화 대책 공사

여기서는 내뢰 대책의 일례로 2010년 3월부터 5월에 걸쳐 실시한 기타마쓰에 간선 내뢰 강화 대책 공사를 소개한다.

경위

기타마쓰에 간선은 기타마쓰에 변전소(시마네(島根)현 마쓰에(松江)시)와 히노(日野) 변전소(돗토리(鳥取)현 사이하쿠(西伯)군 호키초(伯耆町))를 연결하는 선로 길이 41.3㎞, 철탑 기 수 97기의 2회선 송전선이다(<그림 3> 참조). 1988년에 500㎸로 설계해 건설했으며, 2010년 5월까지 220㎸ 송전선으로 시마네 원자력 발전소 1·2호기에서 생산한 전력을 안정적으로 공급하는 데 중요한 역할을 담당해 왔다. 현재 주고쿠전력㈜는 시마네 원자력 발전소 3호기의 증설 공사를 추진 중이며, 여기서 생산한 전력을 유통하기 위해 220㎸ 시마네 원자력 간선을 500㎸ 송전선으로 바꾸고, 기타마쓰에 변전소와 기타 마쓰에 간선을 승압(220㎸→500㎸)하고 있다. 그중 기타마쓰에 간선의 승압 공사는 완료하고, 2010년 5월에 모든 운전을 개시했다(2010년 4월 일부 운전 개시). 기타마쓰에 간선을 승압함에 있어 1·2호기에 이어 3호기에서 생산한 전력도 송전하게 되면서 더욱 높은 공급 신뢰도가 요구됐다. 내뢰 강화 대책을 검토한 결과, 주고쿠전력㈜는 처음으로 500㎸ 송전용 피뢰 장치를 채용하기로 했다.

경과지개요

지형｜경과지 지형은 기타마쓰에 변전소 부근은 표고 90m 이하의 구릉지와 전원 지대이고, 이후는 표고 100~450m의 구릉지 또는 비교적 완만한 산악 지대를 형성한다.

기상 조건(낙뢰)｜경과지 근방의 연간 뇌우 일수(IKL)는 29일 정도다.

설비개요

철탑 종류와 형상｜지지물은 2회선 수직 배열이며, 강재鋼材는 주 주재柱材·복재腹材를 중공 강관, 어깨 쇠재·보조재를 등변 산형강으로 한다.
애자 장치｜내장耐張장치는 2련, 현수懸垂장치는 1련 또는 2련이다.

내뢰강화대책검토

기타마쓰에 간선에서 루트 단절 사고가 발생하면 수급 운용 측면은 물론 사회에 미치는 영향이 크다. 이에 대한 대책으로 생각할 수 있는 내뢰 강화 대책을 검토했다. 검토 내용은 <표 3>과 같다.

접지 저항 저감｜접지 저항 값을 10Ω에서 5Ω로 낮춘다. 접지 저항 저감은 무정전 상태에서 할 수 있어 시공이 용이하다.

아킹혼 간격 확대｜기존에 설치한 아킹혼 간격을 3800㎜에서 4000㎜로 넓힌다. 대책을 실시할 수 없는 개소(V자 형태: 4기)가 있으나, 이 철탑들은 접지 저항이 현재 상태에서도 1Ω 이하 정도로 충분히 작아 문제되지 않는다(정전 공기: 약 2개월).

가공 지선 3조화｜기존에 설치한 가공 지선을 2조에서 3조로 증설한다. 가공 지선 펴기 작업에 따른 충전부 접근 방지 대책이 필요하다(2회선 정전은 불가, 정전 공기: 약 2개월). 또한, 철탑 개조를 위해정전 공기와는 별도로 사전 활선 근접 작업(약 2개월)을 해야 한다. 게다가 기초 보강으로 공사비가 늘어날 가능성이 있다.

불평형 절연｜현재보다도 루트 단절 사고 이외의 낙뢰 사고가 발생할 확률이 나빠진다(정전 공기: 약 2개월).

송전용 피뢰 장치 설치｜루트 단절 사고가 일어나기 쉬운 철탑을 선정해 송전용 피뢰 장치를 한쪽 회선에 설치한다. 한쪽 회선에 설치하기에 (2)~(4)의 다른 대책안보다 정전 공기가 짧다(정전 공기: 약 1개월)

내뢰강화대책의검토결과

각 검토안에 대해 시공성과 비용 대 효과를 감안한결과,‘ 접지저항저감’과‘송전용피뢰장치설치’를 채용하기로 했다.

내뢰 강화 대책 실시

접지 저항 저감｜

•시공 개소 선정 - 접지 저항 목표 값을 5Ω 이하로 하고 해당 철탑을 선정했더니 97기 중 56기가 해당했다.

•시공 방법 검토 - 우선 일반적인 접지 시트 공법을 검토했다. 접지 시트로 충분한 저감 효과를 얻으려면 접지 시트 간격을 매설 깊이의 2배 이상으로 해야 한다. 그러나 철탑 건설 시 철탑 부지 내에 접지 시트를 여럿 매설했으며, 새롭게 접지 시트를 매설한다고 해도 저감 효과를 기대하기란 어려웠다. 그래서 부지 면적이 좁은 장소에서도 저감 효과를 충분히 얻을 수 있는 파이프 어스 공법과 소형 보링 머신을 이용한 심타 공법을 택했다. 심타 공법의 개요도는 <그림 4>와 같다.

•실시 결과 - 시공한 56기 중 12기를 파이프 어스 공법으로, 44기를 심타 공법으로 했으며, 목표한 5Ω 이하에 대해 4.2Ω(평균)까지 낮췄다.

송전용 피뢰 장치 설치｜

• 피뢰 장치 설치 개소 선정 - 루트 단절 사고가 일어나기 쉬운 철탑은 그 높이에 크게 영향을 받으므로, 송전용 피뢰 장치의 설치 개소는 철탑 높이 등 기별 상황을 고려해 선정했다. 송전선 낙뢰 사고율 예측 계산 소프트(LORP)를 이용해 계산상으로 루트 단절 사고율이 제로가 되는 조건에서 검토했다. 검토는 <그림 5>와 같이 했다.

① 철탑 높이 선정: 우선 루트 단절 사고가 일어나기 쉬운 철탑 높이의 역치 値를 선정했다. 계산 제원諸元은 최악 조건으로 해 접지 저항은 5.0Ω(평균 4.2Ω), 뇌격 밀도는 3.58회/㎢·년(평균 1.75회/㎢·년)으로 했다. 계산 결과, 현수 철탑은 78.9m 이상, 내장 철탑은 86.7m 이상 높이에서 루트 단절 사고의 가능성이 있었다.

② 접지 저항 선정: 다음으로 접지 저항에서도 루트 단절 사고가 일어나기 쉬운 철탑을 선정했다. ①의 철탑 높이 선정에서 접지 저항을 최악 조건으로 했기에, 이번 검토에서는 ①에서 선정한 철탑 높이에서 접지 저항을 낮춰 루트 단절 사고가 일어나기 쉬운 접지 저항의 역치를 선정했다. 계산 결과, 현수 철탑은 4.6Ω 이상, 내장 철탑은 4.9Ω 이상에서 루트 단절 사고의 가능성이 있었다.

•검토 결과 - 루트 단절 사고가 일어나기 쉬운 철탑은 현수 철탑이 78.9m 이상·접지 저항 4.6Ω이상, 내장 철탑이 86.7m 이상·접지 저항 4.9Ω이상이었다. 따라서 이러한 조건에 해당하는 철탑에 피뢰 애자를 설치하면 루트 단절 사고율은 제로가 된다. 해당 철탑을 선정한 결과, 97기 중 16기가 여기에 해당해 피뢰 애자를 설치했다.

•설치 회선 선정 - 기타마쓰에 간선은 평형 고절연으로, 어느 회선에 설치해도 루트 단절 사고의 영향은 없다. 경과지 지형, 과거 사고 기록을 고려해 2L측 3상에 설치했다.

•피뢰 장치 개요

① 피뢰 애자 사양: 기본 사양은 <표 4>와 같다.

② 피뢰 애자 설치도·설치 사례: 설치도는 <그림6>, 설치 사례는 <그림 7>과 같다.

주고쿠전력㈜에서는 2007년에 가공 송전 선로 내뢰 대책 기본 방침을 책정하고, 주요 가공 송전선에 송전용 피뢰 장치를 설치하는 등 순간 전압 강하, 단시간 사고 방지에 힘써 그 성과를 올리고 있다. 낙뢰는 자연 현상이어서 낙뢰 사고를 완벽히 방지할 수는 없다. 그러나 전력을 안정적으로 공급하려면 앞으로도 낙뢰 사고를 줄이기 위한 대책을 계속 추진해 나가야 한다.