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[하계 전기설비 자연재해 대책 2] 전기설비의 뇌해발생 메커니즘

김대근 기자
입력 2014.08.01 00:00

[하계 전기설비 자연재해 대책 2]

전기설비의 뇌해발생 메커니즘

전력설비 뇌해대책의 본격적인 역사가 어언 1세기를 넘어가려 하고 있다. 그럼에도 불구하고 낙뢰에 의한 송전선·배전선의 절연파괴, 애자의 섬락이 아직도 빈번하게 일어나고 있는 실정이다. 일본에서는 장시간의 정전은 거의 발생되고 있지 않지만, 지락사고에 의한 순시전압저하가 반도체 공장 등에 큰 영향을 주고 있다. 한편 ‘고도 정보화 사회’의 진전은 사무실, 공장, 일반 가정의 전기·전자·통신설비에 큰 변혁을 불러일으키며, 그 낙뢰피해 사례 또한 급증하고 있다. 여기서는 일본의 사례를 중심으로 이전부터 발생되고 있는 전력설비의 최근 피해 경향과 고도 정보화에 수반되는 낙뢰피해 발생 양상 및 그 메커니즘에 관해 해설한다.

번역·정리 김대근 기자

송전선, 배전선에 발생하는 뇌전압
송전선 낙뢰의 전류는 1000A에서 30만A 정도까지 분포되어 있으며, 어느 정도의 크기까지 낙뢰를 막을 것인가는 설비의 중요성 및 주위에 미치는 피해의 영향에 따라 달라진다. 송전선 및 배전선이 단시간에 나타내는 임피던스는 뇌전류가 선로를 흐를 때의 전압과 전류의 비가 된다. 단위는 옴(Ω)으로 나타내고, 300Ω에서 500Ω정도이다. 대표적인 전류치로서 3만A의 뇌전류를 생각해본다. 다음 [그림 1]에서와 같이 3만A의 낙뢰가 선로에 떨어지면 1.5만A씩 송전선의 양측에 분류(分流)되기 때문에 1.5만A×400Ω=600만V의 전압이 발생된다. 50만V의 송전선이라도 절연 레벨은 200만V 정도이며, 선로에 낙뢰가 직격할 시에는 선로의 절연은 절연파괴된다. 이 때문에 송전선에서는 가공지선을 상도체 상부에 가선하여 낙뢰를 막고, 뇌전류를 안전하게 대지에 흐르게 한다. 이 상태에서도 때때로 송전선의 절연이 파괴되고, 애자 사이에서 방전이 발생되는 경우가 있는데, 이 원인은 다음과 같다.

(1) 차폐실패

낙뢰가 가공지선을 뚫고 송전선의 상도체에 직접 날아드는 경우

(2) 역섬락

뇌격을 가공지선 및 철탑으로 막아내도 낙뢰의 전류가 큰 경우에는 철탑 측의 전위가 상승하여 반대로 선로 측에 방전이 일어나는 역섬락이 발생한다.

[사진 1]에 역섬락의 예를 나타냈다. 역섬락은 접지저항이 높을 때 또는 철탑의 지상고(地上高)가 높을 때에 발생하기 쉽다.

고압배전선의 뇌해발생 메커니즘

배전선의 뇌해원인으로서는 다음의 3가지 원인이 있다.

(1) 유도뢰

인근의 수목 및 건물에 낙뢰하여 그 뇌방전로에서의 전자파의 영향으로 뇌과전압(雷過電壓)이 간접적으로 발생한다. 그러나 일본에서는 근래의 이론적·실험적 검토를 실행한 결과, 배전선 근방에 낙뢰한 경우 배전선에 피해가 발생한 적이 거의 없었다는 사실을 밝혀냈다. 1980년대까지 일본 그리고 해외에서도 배전선의 뇌해대책은 유도뢰가 중심이 된 것이었으나, 현재의 배전선의 뇌해원인은 이하의 직격뢰와 역류뢰라고 할 수 있다.

(2) 직격뢰

문자 그대로 배전선 구조물에 직접 낙뢰하는 경우이다. [사진 2]에 배전선 직격뢰와 애자 섬락의 양상을 나타냈다. 전력회사에서 실시하고 있는 카메라 관측 결과, 낙뢰가 직격해도 거의 절반의 경우에서는 피해가 발생되지 않았으며, 피뢰기와 가공지선

의 병용에 의해 이전에는 손쓸 방법이 없었던 직격뢰도 서서히 뇌해대책의 대상이 되고 있다.

(3) 역류뢰

휴대폰 기지국 및 방송탑(TV탑) 등 높은 구조물의 낙뢰 시에 그곳에 전기를 공급하는 배전선 측에 뇌전류의 일부가 역류하여 피해가 발생되는 경우이다. 특히, 낙뢰의 에너지에 의한 피뢰기 소손 피해가 많은 것이 특징이며, 가공지선의 시설이 효과적

이다.

순시전압저하 발생

송전선에 낙뢰하여 애자 및 아크혼이 섬락하면 지락상태가 이어지게 되고, 송전하고 있는 전기가 대지에 흐르기 시작한다. 이때 계통에 연결되는 수요가에서는 수전전압이 순간적으로 저하되는 현상이 발생한다. 변전소에서 사고회선을 분리하면 전압은 회복되지만, 그 전의 수밀리초에서 수백 밀리초의 수전단 전압의 저하를 순시전압저하, 줄여서 ‘순저’라고 부른다. 최근의 조사에서는 전압 저하폭이 20% 이상이 되는 순저의 발생빈도가 일본에서는 약 10~20회/년, 미국의 조사에서도 약 20회/년으로 보고되고 있다. 전력중앙연구소에서는 전력회사의 협력을 얻어 송전선 뇌사고에 의한 수요가 단전압(端電壓)의 순저(瞬低) 정도를 해석하는 순저 해저드맵 프로그램을 개발하고 있다. 지금까지의 순시전압저하대책으로는 뇌운의 접근에따라 중요부하를 자가용 발전 설비로 전환하는 방식이 사용되고 있었다. 근래에는 파워 일렉트로닉스를 이용하여 순저를 검출, 고속으로 중요부하로부터 상용전원을 분리해 축전장치에서의 전기공급으로 전환하는 방식이 보급되어 왔다. 고속으로 스위칭함으로써 순저의 영향을 거의 받지 않고 전압을 회복할 수 있다.

뇌전류의 전하량과 피해
과대한 뇌과전압의 발생에 따른 송전선 및 배전선의 절연파괴에 의한 피해뿐만 아니라, 전하량이 큰 낙뢰에 의해 발생되는 피해도 있다. 낙뢰의 직격을 방지하기 위해 설치된 가공지선이 전하량이 큰 낙뢰로 인하여 소선(素線)이 끊어지는 피해 사례가 발생되기도 한다.([사진 3] 참조) 배전선에서는 앞에서 언급한 고압 피뢰기의 소손이 특히, 겨울철의 낙뢰지역에서 두드러진다.

고도 정보화 사회의 뇌피해

1960년대 전화기의 회로가 전자화되는 등 고도 정보화 사회의 출현에 따라 뇌해 양상이 크게 변화하였다. 예를 들어 가전제품의 피해가 증가하고 있는데, 이것의 원인으로는

(1) 기기의 내전압 저하

(2) 전원선, 통신선, 안테나 설비, 감시제어선 등의 네트워크화 진전([그림 2] 참조)

(3) 고도의 정보통신기기의 급속한 보급 등을 들 수 있다.

이 대책으로서는 과전압을 적정한 값으로 억제하는 서지 보호 디바이스(SPD)가 주로 이용된다. 통신선 측에서의 뇌과전압의 침입은 통신선에 광섬유 케이블을 이용하여 절연하는 방법이 있다. 금속 케이블로 뇌해를 충분히 막을 수 없을 때에 매우 유효하다. 또, 일본에서는 전원선 측에서의 서지 침입을 막기 위해 내뢰 트랜스(절연 트랜스의 내뢰서지 특성을 향상시킨 것)를 이용하는 것도 있다.

원격감시장치의 뇌피해

생산공장의 제조라인에서는 집중감시장치 및 리모트센싱(원격탐사) 장치 등 대부분의 감시제어장치가 도입되어 있다. 또 발전소, 상하수도 등 수처리 관계, 석유기지, 운동장 등도 다수의 감시제어장치 및 조명장치가 있다. 예를 들어 [그림 3]에 보이는 석유저장시설에서는 넓은 구내에 감시제어장치가 배치되어 각각 전기배선 및 신호선으로 연결되어 있다. 이 주변에 낙뢰가 발생하면, [그림 4]와 같이 시설 상호간에 대지 전위차가 생긴다. 뇌격을 받은 A점의 대지나 구조체에서는 큰 전위상승이 발생한다. 한편, 그곳으로부터 떨어진 B점과 C점에서는 전위 상승값이 서서히 작아진다. 이 때문에 B점 건물의 단말장치에서 뻗어 나온 신호, 제어선과 C점의 관리장치 사이에서는 [그림 4]와 같이 전위차가 발생되어 각 부분에서 절연파괴가 일어난다.

「유도뢰」의 용어에 대해

TV의 보도 등에서 건물 내부의 전기 및 전자기기에 피해가 생기면「 원인은 유도뢰인 것으로 추정된다」고 말하는 경우를 종종 들어볼 수 있다. 일반적인 뇌피해에 있어서 유도뢰를 정의하는 일은 그다지 많지 않을 것으로 생각되지만, 고압 배전선에 있어서는 앞에서 기술했던 바와 같이 「근처의 수목 및 건물에 낙뢰하여 그 뇌방전로에서의 전자파의 영향으로 배전선에 간접적으로 뇌과전압이 발생한다」즉, 표현을 다시 바꿔 말하면 「뇌전류의 전체 또는 일부가 피해물에 직접 침입하지 않는 경우」를 가리키고 있다. 그러나 「유도뢰」라는 말은 다음과 같은 경우에 자주 사용되고 있다.

(1) 직접 낙뢰가 떨어진 곳에서 조금 떨어진 장소에 피해가 발생했다.

(2) 피해의 범위가 작고, 또 피해 상황이 매우 크거나 심각하지 않은 경우

그러나 위의 2가지 경우 모두 「뇌전류의 전자유도에 의한 간접적인 영향」이라고 하는 판단기준에는 적합하지 않다. 현재의 ‘유도뢰’라고 하는 말의 쓰임새는 원인규명 및 대책방법의 결정에 유해한 영향을 끼칠 가능성이 높다.「 유도뢰」라는 말을 그냥 적당히 사용하는 것이라면, 단순히 「낙뢰(방전)의영향」이라고 말하는 편이 해가 없을 것이다.「 유도뢰가 원인」이라고 보도된 경우에도 뇌전류의 일부가 직접 피해장소에 침입한 경우가 많다.

낙뢰의 피해로부터 인프라를 보호하는 일은 안전한 사회 구축이라고 하는 관점에서 매우 중요하다. 낙뢰의 위협에 대해 기존의 전력설비 및 철도 등의 설비 대책에 있어서는 신뢰성 유지 및 경제적인 대책 제안이 요구되며, 고도 정보화 사회의 진전에 따른 새로운 설비에 대해서는 보다 구체적이고 효과적인 대책 마련이 요구되고 있다. 뇌해 대책 기술자의 육성과 관련해서는‘ 일본 뇌보호 시스템 공업회’와 같은 업계단체에 의한 지속적인 교육선전활동이 중요하며, 또 신체안전 및 중요문화재의 뇌보호에 있어서는 국가기관의 적극적인 지원이 필요하다.