전력의 안정공급을 지원하는 가공 송전선 기술Ⅱ

 

전기가 있어 현재 우리들은 풍요로운 삶을 영위해 나가고 있다. 만일 전기의 공급이 멈춰버린다면 우리 사회는 큰 혼란에 빠질 것이다. 이러한 혼란에 대비하기 위해 일본은 정전시간이 압도적으로 짧고 매우 신뢰성 높은 전력공급 네트워크가 정비되어 있다. 이 네트워크를 구축하고 지원하는 것이 바로 가공 송전선이며, 이를 통해 전력은 각 가정에까지 원활하게 공급이 이루어진다. 지난Ⅰ편에서는 송전선에 이용되는 현수애자의 구조 및 용도, 플래시 오버에 의한 전기사고를 방지하는 피뢰기, 갤러핑 대책용 스페이서 등 설비기기의 관점에서 전력 안정공급을 지원하는 가공송전기술에 대해 소개했다. 그 Ⅱ편이 되는 본고에서는 전력공급을 하는 입장에서 살펴본 가공 송전선 기술에 대해 정리했다. 도쿄전력㈜에서 취재한 △가공송전설비의 변천 △낙뢰설비의 내뢰화(耐雷化) △사고예측 기술에 대한 내용을 지금부터 소개한다.

 

번역·정리 김대근 기자

 

일본의 전력공급의 시작은 1887년(메이지 20년)으로, 이는 에디슨이 런던과 뉴욕에서 전기사업을 개시한 지 5년 후의 일이었다. 그 당시는 소형 증기기관과 발전기를 조합한 소규모 직류방식으로 공급범위는 발전소의 설치장소 주변의 좁은 범위에 국한되어 있었다. 그 후 고도성장에 따른 전력수요의 급격한 성장과 더불어 발전소의 대규모화 및 전원의 다양화가 진행되고, 또 교류방식에 의한 장거리 송전 기술이 발달하게 된다. [그림 1]에 전력 네트워크의 구성 예를 나타냈다. 그림과 같이 대전력을 원격지에서 수요지로 수송하는 대규모 네트워크 구축이 진행되어 왔다. 현재, 도쿄도의 전력 자급률은 15%(2005년도 실적)이며, 나머지 85%는 니가타현(新潟縣) 및 후쿠시마현(福島縣)에서 장거리 송전에 의해 공급되고 있다. 이러한 점에서도 송전기술의 중요성을 재확인할 수 있다. 가공송전설비는 전선, 철탑, 기초, 애자, 가공지선으로 구성되어 있다. 전선은 전력을 보내는 도선, 철탑은 전선을 지지하는 지주, 기초는 철탑을 지지하는 토대, 애자는 전선을 지지하는 동시에 전선과 철탑을 전기적으로 분리하는 절연체, 가공지선은 철탑의 맨 위에 설치되어 낙뢰로부터 송전선을 보호하는 피뢰침의 역할을 수행한다. 어느 것 하나라도 빠지게 되면 전력을 계속적으로 공급할 수 없게 된다. 송전기술에는 원격지의 발전소에서 변전소로, 변전소에서 변전소로, 고효율·고품질로 전기를 송전하는 능력이 요구되고 있다. 변전소에서 가정으로는 배전선에 의해 전기가 보내지고 있다. 같은 전력을 공급하는 경우, 전압을 2배로 하면, 전류는 절반이면 된다. 송전손실은 전류의 2승(제곱)에 비례하기 때문에 전류가 반이 되면 손실은 1/4로 감소한다. 이 때문에 고압화(高壓化)는 기간(基幹) 송전선에서 이루어지고 있으며, 1950년대에는 275kV 송전이, 1970년대에는 500kV 송전이 개시되고 있다. 향후 수요가 더욱 증대될 것으로 예측되며, 장기적으로 1000kV 송전에의 이행이 계획되어 있다. 현재, 500kV 송전에 사용되고 있는 일부 송전선은 이미 1000kV 설계로 되어 있다. [그림 2]에 각 송전전압에 사용되는 철탑의 개략도(槪略圖)를 나타냈다. 송전전압이 상승하면 철탑의 규모 및 구조가 바뀌고 1000kV 송전에는 족히 100m가 넘는 대형 철탑설비가 필요하다. 또한 철탑의 설치개소의 상태 및 목적에 맞게 다양한 형태가 채용된다. 송전선을 옆으로 나란히 설치하는 ‘에보시형 철탑’, 철탑 용지(用地)가 제한된 과밀지역에서 채용되는 ‘강관주(鋼管柱) 철탑’, 철도부지에서 채용되는 철탑 단면이 직사각형인 ‘구형(矩形) 철탑’ 등이 그 예이다. 마찬가지로 전선에도 다양한 종류가 있다. 송전전압 및 전류량, 경과지(經過地)의 자연환경에 맞춰 한 10종류의 전선 중에 가장 적합한 재질과 굵기의 전선이 선정된다. 역사적으로 경동연선은 경동선을 꼬아서 합친 전선이며, 가장 오래 사용되어 왔지만, 흘릴 수 있는 전류가 작기 때문에 현재에는 설치개소가 한정되어 있다. 현재 주류가 되고 있는 것이 인장강도가 큰 강선(鋼線)을 심(芯)으로 하여 도전율이 좋은 알루미늄선을 꼬아서 합쳐 만든 ‘강심 알루미늄 연선’ 및 내열성을 갖게 한 ‘강심 내열 알루미늄 합금 연선’ 등이다. [그림 3]에 강심 알루미늄 연선의 구조를 나타냈다. 또 송전전압의 상승에 따른 전선의 태선화(太線化)·다도체화에 따른 대용량화도 추진되고 있다. 예를 들면, 275kV 송전에서는 2도체 및 4도체, 500kV 송전에서는 4도체 및 6도체, 1000kV 송전에서는 8도체를 채용하여 전선의 대용량화가 진행되고 있다. 전압이 상승하면서 발생되는 코로나 방전을 억제하기 위해 이 다도체 방식을 채용하고 있는 것이다. 이러한 송전설비는 가혹한 자연환경에 노출되어 있기 때문에, 세월 지나면 노후화가 진행된다.　따라서 전력의 안정공급을 위해 송전설비의 점검·진단은 매우 중요한 작업이라고 할 수 있다. 예를 들면 철탑의 경년열화에 따른 아연 도금의 부식(녹의 발생) 및 철탑의 볼트 점검, 애자의 절연력 저하 여부 점검, 전선 자체의 경년열화 진단 및 전선을 연결시키는 클램프 등의 발열진단 등이 있다. 송전선 주변의 상태변화를 늘 주시하고 파악하여 사용 환경에 맞는 대책을 강구하기 위해서는 개별 설비의 보수점검이 필수적이다. 시대적 요구에 부응하는 열화진단 및 기술개발의 부단한 노력으로 우리의 풍요로운 삶 및 전력 인프라가 보호되고 있다.

 

가공송전설비에서 발생하는 사고 원인의 약 80%는 낙뢰이다. 가공송전설비는 그 부근에 낙뢰가 발생한 경우, 전선에 벼락이 떨어지지 않도록 가공지선에 의해 낙뢰를 차폐하는 기능을 갖추고 있다. 가공지선에서 철탑을 통해 낙뢰를 대지로 흘려보낼 수 있으면 송전설비는 사고로 이어지지 않는다. 그러나 가공지선에 의해 차폐가 가능하다고 해도 뇌격의 규모에 따라서는 철탑의 접지저항으로 인해 철탑의 전위가 상승하여 역(逆) 플래시오버가 발생한다. 이 이상전압이 송전계통에 침입한 경우, 변전소 내의 보호 릴레이 시스템이 동작하여 선로가 일시적으로 차단된다. 통상, 선로는 자동적으로 재폐로되기 때문에 순간적인 정전은 있으나 장시간 정전이 되는 일은 거의 드물다. 또 가공지선에 의한 낙뢰의 차폐 실패로 전선이 직접 뇌격을 받는 경우도 있다. 이 경우, 이상전압이 애자 부분에 가해져 플래시오버가 발생되고 트립 사고로 이어지게 된다. 낙뢰에 의한 사고를 방지하기 위해 피뢰장치(Ⅰ편 참조)를 송전선에 설치하는 경우도 있다. 뇌(雷) 이외에서의 송전설비의 사고원인으로는 빙설, 조수접촉, 영소(營巢, Nidification), 비래물(날아오는 물체) 등을 들 수 있다. 빙설에 의한 송전설비의 피해는 거듭된 착설에 의한 송전선의 늘어짐 현상, 슬리트 점프(Sleet Jump, 송전선에 부착된 빙설이 탈락할 때 그 반동으로 송전선이 상하운동을 하는 현상), 갤러핑(Galloping, 빙설이 부착된 송전선의 단면이 공력적(空力的)으로 불안정하게 되어 전선이 자려진동하는 현상: Ⅰ편 참조)에 의한 단락사고가 있다. 조수(鳥獸)에 의한 송전선의 피해는 새나 뱀 등이 송전선에 접촉하여 생기는 지락사고 및 새가 철탑에 둥지를 지을 때 그 재료가 송전선에 접촉하여 생기는 지락사고가 있다. 또 드물기는 하지만, 비래물(날아오는 물체)이 송전선에 접촉하거나, 공사 크레인이 송전선에 접촉하여 발생되는 지락사고도 있다. 인위적인 요인을 포함해 갖가지 사고 원인이 존재하지만, 그 대부분은 자연현상에 기인하는 것이다.

낙뢰로부터 송전선을 보호하기 위해

송전선에는 벼락이 직접 송전선에 떨어지지 않도록 피뢰침의 역할을 하는 가공지선이 철탑의 상부에 1개 내지 2개 설치되어 있다. 가공지선에는 일반적으로 알루미늄으로 피복한 강선을 꼬아서 합친 알루미늄 복강(覆鋼) 연선(Aluminium Clad Steel Cable: AC)이 사용된다. 낙뢰를 차폐하는 가공지선에는 낙뢰에 의해 소선(素線, Strand)의 단선이 발생하는 경우가 생긴다. 이 상황을 방치하면 최악의 경우, 가공지선이 단선되어 전기사고로 이어지게 되는 위험성이 있다. 이 때문에 도쿄전력㈜에서는 소선 단선이 발견된 AC150㎟의 내뢰성능을 향상시키는 연구를 실시해 신구조의 가공지선을 개발해냈다. 낙뢰의 규모는 낙뢰 시의 전하량[As]으로 표시된다. 기설의 AC150㎟이 소선 단선을 일으키는 데 필요한 낙뢰의 전하량을 실내의 주수(注水) 내(耐)아크 시험을 실시하여 조사한 결과, 그 역치는 약 180As 정도인 것으로 밝혀졌다. 한편, 도쿄전력㈜ 공급지역의 여름철에 관측되는 낙뢰의 최대전하량을 지금까지의 관측 데이터를 통해 조사한 결과, 전하량 200As를 초과해 소선 단선을 일으키는 역치보다 높은 것으로 나타났다. 이에 따라 내뢰(耐雷) 전하량 200As를 목표로 하여 가공지선의 개발이 진행되었다. 가공지선의 외경 및 중량이 변하면 철탑에 가해지는 하중도 변하기 때문에 보강이 필요할 경우가 있다. 또 부속품류의 신규 개발도 필요해지기 때문에 외형, 중량을 기존의 AC150㎟과 동일하게 하는 것을 기본 조건으로 하여 개발을 실시했다. 소선에 알루미나 함유의 불소 코팅 처리를 한 타입의 지선(地線) 등 다양한 유형의 지선을 검토하여 시공면, 비용 등을 종합적으로 판단해 최종적으로 최외층(最外層) 소선의 태선화(太線化) 타입을 개발했다. [그림 4]에 기존의 가공지선과 내뢰(耐雷) 가공지선의 단면도를 나타냈다. 현행의 AC 150㎟은 안쪽과 바깥쪽의 소선이 같은 굵기인 데에 반해 개발한 내뢰 가공지선에서는 바깥쪽의 소선을 굵게 하여 그보다 약간 가늘게 한 안쪽의 소선을 감싸는 구조이다. 이 구조를 통해 현행의 AC 150㎟의 외경과 중량은 거의 바꾸지 않고 내뢰화(耐雷化)에 성공할 수 있었다. 단순한 개량이지만, 이 최외층(最外層) 태선화(太線化)를 실시한 가공지선을 이용하여 AC 150㎟과 동일한 내(耐)아크 시험을 실시한 결과, 약 320As 정도까지 소선 단선이 발생하지 않았으며, 목표 전하량 200As를 큰 폭으로 달성하고 있음을 확인했다. 이제 이 내뢰 가공지선을 이용함으로써 뇌격에 의한 소선 단선의 방지를 기대할 수 있게 되었다.

낙뢰사고율의 예측계산

가공지선은 그 설치방법, 위치, 개수에 따라 낙뢰의 차폐효과가 크게 달라진다. [그림 5]에 보이는 전기 기하학적 모델을 이용하여 설계되는 것이 보통 일반적이지만, 국내에서는 A-W(Armstrong-Whitehead) 이론이 널리 사용되고 있다. 이것은 뇌격거리가 뇌격전류 파고치에 의해 결정된다는 것으로서 제안되었다. 도쿄전력㈜에서는 대형 송전설비의 낙뢰사고 관측을 오랜 기간 동안 실시해왔지만, 관측결과와 계산값 사이에 기존의 이론으로는 설명할 수 없는 모순점이 발견되었다. 예를 들면, 가공지선 및 철탑에서의 낙뢰의 수(차폐성공)가 예측보다도 많거나 상상(上相) 전선에서의 직격뢰(차폐실패)가 비교적 많이 발생하는 등 뇌격사고 양상의 차이가 드러난 것이다. 이 때문에 갭(gap)이 긴 기중방전 특성 등 기초특성의 취득 및 오랜 세월에 걸쳐 축적된 가공지선과 송전선의 뇌격관측데이터 및 낙뢰사고 실적데이터를 기반으로 낙뢰사고 예측기법의 고정밀화에 대해 검토하였다. A-W 모델에서는 뇌격전류에 따른 뇌격거리(흡인[吸引] 거리)를 계산하여 송전설비의 차폐범위에 따른 뇌격율을 산출한다. 또 뇌격에 의한 철탑 및 전력선의 전위 상승을 계산하여 낙뢰사고율을 산출한다. 이 기존 모델에 대해서는 뇌격거리 등 최신 연구결과에 근거한 개량을 실시하였다. 이 개량한 낙뢰 사고율 예측기법으로 대형 송전설비의 낙뢰 사고율을 보다 정밀하게 예측할 수 있게 되었다. 이 결과는 송전선의 신뢰성뿐만 아니라 변전설비의 절연설계에도 반영이 되고 있다. [그림 5]에서 침입뢰에 의해 직격뢰의 개소가 결정된다는 것을 설명한다.

 

● 원호 a~b의 침입뢰: 가공지선에 뇌격

● 원호 b~c의 침입뢰: 송전선 상상(上相)에 뇌격

● 원호 c~d의 침입뢰: 송전선 중상(中相)에 뇌격

● 원호 d~e의 침입뢰: 송전선 하상(下相)에 뇌격

 
 

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1, 2편에 걸쳐 전력의 안정공급을 지원하는 가공송전선 기술에 대해 살펴보았다. 가공 송전선은 다양한 자연환경에 직접 노출되어 있기 때문에 전기사고의 원인으로는 자연현상에 기인하는 것이 많고, 그 중에서도 특히 낙뢰에 관한 전기사고가 가장 많다. 낙뢰에너지는 대단히 크기 때문에 모든 전기사고를 없앨 수는 없지만, 낙뢰에 의한 설비피해를 방지하는 다양한 기술적 대응 및 설계가 이루어지고 있다. 가공지선의 내뢰화 및 낙뢰사고율 예측 기법의 정밀도 향상 등 현재에도 꾸준히 개발이 진행되고 있으며. 이를 통해 전력공급의 신뢰성 향상을 위한 노력도 계속 이어지고 있다. 낙뢰 이외에서는 풍설(風雪)에 의한 전기사고 및 설비피해가 있으며, 그 원인 중 하나로서 갤러핑 현상을 살펴보았다. 그 대책으로는 루스 스페이서 등의 전선의 진동을 억제하는 장치가 개발되어 적용되고 있다. 이러한 가공송전설비는 가혹한 자연환경에 노출되어 있지만 설비 하나하나 적절한 대응을 취해나간다면 정전되는 일 없이 전기를 쾌적하게 사용할 수 있는 환경이 마련될 것이다.