송전선로 뇌 사고율 예측계산 프로그램 개발한전전력연구원(www.kepri.re.kr) 전력계통연구소 변전기술그룹_강연욱 선임연구원(042)865-5863 / ywkang@kepri.re.kr개발 배경국가 산업이 고도화되면서 전력공급 신뢰성 향상에 대한 국가적인 요구가 증대되고 있다. 또한 일반 가정에서 컴퓨터 등 정보화 기기의 확대 보급으로 순간정전도 허용하지 않으려는 국민들의 요구가 증가하고 있다. 일반적으로 송전선로 신뢰도는 낙뢰에 의한 공급지장 사고율에 의해 결정된다. 한전에서는 계통의 중요성과 경제성을 고려하여 송전전압에 따라, <표 1>과 같이 연간 100㎞당 사고율로 송전선로 사고율 제한 목표치를 설정하여 설계에 반영하고 있다.낙뢰에 의한 사고율을 목표치 이하로 억제하기 위해서는 송전선로의 내뢰 설계 시 낙뢰에 의한 사고율을 가능한 한 정확하게 예측하는 것이 중요하다. 또한 운전 중인 송전선로 사고율을 낮추기 위한 각종 내뢰 대책을 수립하는 경우에도 사고율 저감효과를 정확히 예측함으로써 경제성과 신뢰성을 동시에 고려하는 효과적인 투자가 필요하다.낙뢰에 의한 송전선로 사고는 송전선로에 낙뢰가 맞았을 때 철탑과 송전선 사이의 공기에서 섬락이 발생하는 대단히 복잡한 전기자기적 현상으로서 가스방전, 급격히 변화하는 전자계, 도체와 철탑에 발생하는 코로나의 비선형 특성, 주파수와 전류에 영향을 받는 대지의 임피던스 특성 등이 포함된다. 이렇게 복잡한 현상을 해석하기 위하여 일반 산업계에서는 현상을 단순화하고 선형화하여 낙뢰에 의한 사고율을 예측 계산하는 것이 일반적이지만, 이것 또한 계산과정이 복잡해 컴퓨터를 이용한 계산이 요구된다.뇌 사고율 예측계산 알고리즘송전선로는 <그림 1>과 같이 철탑, 전력을 공급하는 전력선, 낙뢰로부터 전력선을 보호하는 가공지선, 철탑과 전력선을 절연시켜 주는 애자로 구성된다. 또한 낙뢰로 인한 섬락으로부터 애자를 보호하기 위해 아킹혼이 설치된다.
[그림 1] 송전선로 샘플낙뢰의 진전방향은 대지, 가공지선, 전력선의 3가지 경로로 구분되며 대지로 진전하는 낙뢰는 송전선로 사고에는 영향을 미치지 않지만, 가공지선 및 전력선으로 진전하는 낙뢰는 사고를 유발할 수 있다. 낙뢰가 전력선에 맞지 않도록 가공지선을 설치하지만, 낙뢰를 완전히 차폐하는 것은 현실적으로 어렵다. 일부 낙뢰는 전력선에 도달하여 전위를 상승시키고, 상승된 전위가 아킹혼을 섬락시킴으로써 사고를 유발한다. 이러한 현상을 ‘차폐 실패 사고’라 한다. 대부분의 낙뢰는 가공지선이 전력선을 차폐함으로써 사고를 방지하지만, 아주 큰 낙뢰는 가공지선이 차폐함에도 불구하고 차폐된 낙뢰가 철탑 전위 자체를 크게 상승시켜 아킹혼을 섬락시키는데, 이것을 ‘역섬락 사고’라 한다. <그림 2>는 낙뢰에 의한 송전선로의 섬락발생 흐름도를 나타낸 것이다.
[그림 2] 뇌격에 의한 송전선 섬락 발생 흐름도송전선로의 낙뢰에 의한 사고율을 계산하기 위해서는 송전선로 경과지의 낙뢰 발생 빈도 및 낙뢰 크기에 대한 분석이 선행돼야 하며, 이를 기본으로 차폐 실패 사고율과 역섬락 사고율을 각각 계산해야 한다.1. 차폐 실패 사고낙뢰가 공기 중에서 진전하여 대지로 이동할 때, 대지나 선로의 어떤 길이 S 이내로 낙뢰가 접근하면 그 거리 안에 있는 도체에 접촉하게 된다. 이 거리 S를 ‘뇌격흡인거리(Striking Distance)’라고 하는데, 이것은 전기기하학 이론에서 중요한 개념이다. 뇌격흡인거리는 낙뢰가 접근하는 채널에서의 전하 함수다. 기하학자 Golde는 뇌격흡인거리가 뇌격 전류의 함수임을 가정했으며, Whitehead는 일련의 분석 작업을 통해 다음 식을 발표했다.
[그림 3] 차폐 실패 계산을 위한 전기기하학 모델<그림 3>은 하나의 차폐선과 전력선을 기준으로 전기기하학 모델로 차폐 실패 메커니즘을 설명하는 단순화된 모델을 나타낸 것이다.<그림 3>에서 원호 OP상에 접근하는 낙뢰 (A)는 가공지선 G로부터 뇌격흡인거리 S에 위치하고, 전력선 φ로부터는 S를 초과한 위치에 있기 때문에 가공지선으로 낙뢰가 흡인되어 낙뢰에 의한 사고가 방지된다. 선 QR상으로 접근하는 낙뢰 (C)도 전력선 φ로부터는 뇌격흡인거리 S를 초과한 위치에 있기 때문에 대지에의 거리 βS로 점프할 것이다. 이 때 계수 β는 대지의 뇌격흡인거리가 전력선의 뇌격흡인거리와는 다르다는 가능성을 허용한다. 본 프로그램에서는 β값을 EHV 선로에서 0.8, UHV 선로에서 0.67을 적용했다. 낙뢰 (B)는 차폐선과 대지의 거리가 뇌격흡인거리를 초과한 위치로 접근하므로, 원호 PQ에 도달하자마자 전력선으로 흡인된다. 가공지선에 의해 낙뢰가 차폐되지 않고 전력선에 낙뢰가 맞는 범위 Xs를 ‘비차폐 거리’라 한다. 낙뢰가 차폐되지 않는 거리 Xs를 구하면 다음 식에 의해 차폐 실패 사고율을 계산할 수 있다. 2. 역섬락 사고철탑의 뇌격에 의한 탑정전위를 계산하기 위한 등가회로는 <그림 4>와 같다.
[그림 4] 낙뢰에 의한 철탑 전위 계산을 위한 등가회로뇌격이 철탑의 상부에 맞았다고 가정하면, <그림 4>에서처럼 탑정에는 가공지선 서지임피던스 및 철탑 서지임피던스에 의해 전압 e가 발생해 철탑 및 가공지선을 따라 이동한다. 철탑을 따라 이동한 낙뢰 전류 중 일부는 대지로 흘러가고 일부는 반사하여 철탑 상부로 이동한다. 또한 가공지선을 따라 이동한 낙뢰 전류 중 일부는 인접 철탑에서 반사하여 되돌아온다. 이러한 영향을 전부 고려하여 탑정전위를 구하고 아킹혼 사이에 발생하는 과전압을 계산하면 아킹혼을 섬락시킬 수 있는 임계 뇌격 전류의 크기를 구할 수 있으며, 그러한 임계뇌격전류가 발생할 확률을 고려하여 역섬락 사고율을 구할 수 있다 .3. 송전선로 뇌 사고율 예측계산 프로그램송전선로의 낙뢰에 의한 사고율을 정확하게 계산하기 위해서는 철탑, 전력선, 도체 정보뿐만 아니라 송전선로 경과지의 낙뢰정보, 지형정보 등이 필요하다. 이러한 정보를 효과적으로 사용할 수 있도록 마이크로소프트(MicroSoft)사의 VisualBasic 6.0 언어를 주축으로, ESRI사의 컴포넌트 형태 소프트웨어인 Mapobject를 GIS(Geographic Information System) Engine을 사용하여 ‘송전선로 뇌 사고율 예측계산 프로그램’을 개발했다.
(a) 송전선로 데이터 선택방법
(b) 계산 결과 출력 화면
(c) 철탑별 사고율 검색 화면
(d) 대지경사각 검색화면[그림 5] 송전선로 뇌 사고율 예측계산 프로그램<그림 5> ⒜ 입력화면의 전압구분 탭에서 154㎸와 345㎸와 같이 계산을 원하는 송전선로의 전압 계급을 선택하고, 낙뢰 데이터 탭에서 분석을 원하는 연도를 선택하면 선택한 연도의 낙뢰 데이터가 계산에 이용된다. 그리고 1차 사업소를 선택하면 1차 사업소 관할 2차 사업소가 화면에 표시되고, 2차 사업소를 선택하면 2차 사업소에서 운영 중인 송전선로를 선택할 수 있는 화면이 나타난다. 계산을 원하는 송전선로를 <그림 5> ⒜와 같이 선택하고 실행버튼을 클릭하면, <그림 5> ⒝와 같이 선택한 송전선로의 기본적인 뇌 사고율 계산 결과가 나타난다. 이밖에도 이 프로그램에는 자세한 정보 표시를 위한 보고서 출력, 철탑별 사고율, 철탑 DB 검색, 철탑 정보 검색 메뉴가 구성되어 있으며, 또한 <그림 5> ⒟와 같이 철탑 주변의 지형 정보를 확인할 수도 있다.
[그림 6] 송전선로 낙뢰사고 실적과 예측 계산치의 비교 이 개발 프로그램 알고리즘의 타당성을 검토하기 위해, 대전전력관리처에서 운전 중인 33개 선로의 고장실적과 예측계산 결과를 비교했다. 1999년부터 2005년까지 7년간 고장이 발생한 사례와 예측 계산 결과를 비교한 결과, 이들 33개 선로에는 7년 동안 총 105건의 고장이 발생했는데, 예측계산 결과는 약 109건으로 상당히 정확히 예측됐음을 알 수 있었다.(<그림 6> 참고)활용 방안개발 프로그램은 기본적으로 10년간 축적된 낙뢰 데이터를 기반으로 송전선로의 낙뢰에 의한 사고율을 계산하기 때문에 정밀도가 높고, 송전선로 철탑별 사고율을 계산하는 기능을 제공하여 낙뢰에 취약한 철탑을 선별하여 보강할 수 있도록 할 뿐 아니라 철탑 형상의 변경 및 경과지 변경 등 다양한 내뢰 대책을 수립하는 데에도 도움이 된다. 현재 운전 중인 선로 중 낙뢰에 취약한 송전선로의 경우 차폐 실패 사고에 취약한지, 역섬락 사고에 취약한지를 분석하여 적절한 내뢰 대책을 세울 수 있으며, 또한 낙뢰에 취약한 철탑을 선별 보강함으로써 경제성과 효율성을 향상시킬 수 있다. 신규 송전선로의 경우, 건설 초기단계에서 낙뢰에 의한 사고율을 정확히 예측함으로써 계통의 신뢰도를 향상시킬 수 있으며, 건설 후 보강에 따른 경제적 손실을 절감할 수 있다. 또한 본 프로그램의 개발과정에서 획득한 지식과 노하우를 바탕으로 미얀마 및 리비아 기술자의 교육 및 컨설팅 용역을 수행함으로써 한전의 기술력을 홍보할 수 있었다.향후 과제송전선로 신뢰도 향상을 통한 안정적인 전력공급을 위해서는 현재 국내에서 운전 중인 765㎸, 345㎸ 및 154㎸ 송전선로의 실제 낙뢰에 의한 사고를 분석해야 한다. 개발된 ‘송전선로 뇌 사고율 예측계산 프로그램’을 이용하여 낙뢰에 취약한 철탑을 선별하여 경제적인 내뢰 대책을 수립할 수 있다. 본 프로그램의 개발을 통해 송전선로 내뢰 대책 수립 시 차폐 실패 사고율과 역섬락 사고율을 분석하여 각각의 사고에 적합한 대책 수립 방안 검토가 가능해졌다.전 세계적인 기후 변화에 대비하여 향후 낙뢰 현상에 관한 기초연구 수행이 필요하며, 송전선로용 피뢰기 적용효과 분석 알고리즘 개발이 필요하다. 또한 배전선로의 뇌 사고율 예측계산 프로그램 개발도 요구된다.강연욱(姜鍊旭)1966년 10월 5일생. 1988년 충남대학교 전기과 졸업. 1990년 충남대학교 전기과 졸업(석사). 1993년~1995년 한국전력공사 근무. 현 한전전력연구원 전력계통연구소 선임연구원. 송전선로 송전을 목적으로 가공, 지중, 수중 등에 시설된 지지물, 관로, 전선, 애자류, 급유설비, 기초 보호설비 및 기타 부대설비를 말한다.① 송전선로 건설 대부분의 송전선로는 발전소와 변전소 또는 변전소 상호 간을 연결하기 위하여 건설되지만, 부하 증가 등을 고려하여 선로 중간에 분기하여 건설하는 경우가 있다. 이 경우 T분기와 1π분기 방식, 2π분기 방식이 있으나 T분기는 선로 고장 시 고장범위가 확대되어 특별한 경우를 제외하고는 사용하지 않는다.② 송전선로 명칭 부여 송전선로 명칭은 설비의 위치와 기능을 알 수 있고 부르기 쉬우며 기존 설비 및 향후 설비 증가를 고려하여 혼동이 없도록 하기 위하여 선로명칭을 부여한다. 선로 명칭 조합순서는 ‘전압+선로명칭+T/L’을 기본으로 한다. 선로가 2회선 이상인 경우 ‘전압+선로명칭+회선명칭+T/L’, 지중 또는 수중인 경우에는 ‘전압+선로명칭+지중(수중)+T/L’순으로 하고 있다. 신설선로의 경우 발전소, 변전소, 행정구역 또는 인근의 유명명칭을 인용하며 기설선로의 명칭은 분기방법에 따라 부여한다.
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