이 2가지가 현재 송전선에서 발생하는 뇌해의 주된 원인이다.
낙뢰에 의한 영향을 줄이기 위한 방책으로는 [그림 3]에서와 같이 여러 가지 관점에서 생각해볼 수가 있으며, 실제 적용 시 이 방법들을 조합하는 경우가 많다. 송전선의 뇌해대책에서 우선적으로 고려해야 할 사항은 낙뢰가 전력선에 직격하는 것을 막는 것이다. 앞서 말한 차폐실패의 사고를 막기 위해서는 중요한 송전선에 가공지선을 2개 내지 3개 설치하는 경우가 많다. 이 대책은 「뇌(雷) 차폐 모델」, 「뇌(雷) 어태치먼트(attachment)」라고 하는 이론적 검토 결과를 토대로 이루어지고 있으며, 이 분야의 연구는 오랜 역사를 지니고 있다. 옛날에는 미타(三田) 이론 및 뇌격거리의 개념을 토대로 한 A-W 이론에서 최근에는 웁살라 대학(Uppsala University)의 한 연구단체 등이 새로운 가설을 내놓는 등, 「낙뢰가 어디로 떨어질까」라고 하는 소박한 의문에 대해서도 연구가 계속되고 있다. 최종적으로는 실제의 낙뢰 관측을 통해 낙뢰양상과 전류파형을 정밀하게 측정하여 많은 이론 및 가설의 진위를 확인할 필요가 있다. 역 플래시오버에 대한 대책은 [그림 3]에서와 같이 다양하게 나타나지만, ‘접지저항의 저감’과 ‘애자장치의 절연레벨 강화’가 주가 되고 있다. 또 근 10여년 사이에 널리 보급된 송전용 피뢰장치는 애자 간에 발생한 과전압을 일정전압으로 억제할 수 있기 때문에 역플래시오버 사고 저감에 유효하다.
송전용 피뢰장치송전용 피뢰장치는 낙뢰에 의한 과전압을 안전하게 지면에 흘려주고, 낙뢰의 전압이 소멸한 후에는 사고전류의 속류(續流)를 스스로 차단하여 원래의 절연상태로 회복시키는 자체 회복 기능을 가지고 있다. 피뢰장치에 큰 전류를 흘려도 피뢰장치의 전압은 그다지 커지지 않고, 이 작용에 의해 과전압으로부터 전력설비를 보호한다. 기존에는 변전소의 기기보호 및 고압배전선의 사고방지대책으로 활용되어 왔지만, 최근 송전선에서도 널리 적용되게 되었다.([그림 4] 참조) 또 경책무형(輕責務型)의 송전용 피뢰장치 및 속류의 소호원리가 다른 아크-블로아웃(불어끄기)형 피뢰장치도 최근 가격의 저렴함 등의 이유로 개발이 활발하다.
순시전압저하의 문제순시전압저하의 발생송전선에 낙뢰하여 애자 및 아크 혼이 플래시오버하게 되면 계통에 연결된 수요가에서는 수전전압이 순간적으로 저하되는 현상이 발생한다. 변전소에서 차단기를 개방하여 사고회선을 분리하면 전압이 회복되지만, 그 전의 수 밀리초에서 수 100밀리초 사이에 수전단 전압이 저하된다. 이를 순시전압저하, 줄여서 ‘순저’라고 부른다. 최근의 조사에 따르면 전압저하폭이 20% 이상인 순저의 발생빈도는 약 10~20회/년으로, 미국의 조사에서도 약 20회/년으로 보고되고 있다. (재)전력중앙연구소에서는 전력회사의 협조을 얻어 송전선 낙뢰사고로 인한 수요가 단전압의 순저 정도를 해석하는 ‘순저 해저드맵 프로그램’을 개발하고 있다.
순시전압저하 대책지금까지의 순시전압저하 대책은 뇌운의 접근에 따라 중요부하를 자가용 발전설비로 전환하는 방식이 사용되고 있었다. 최근에는 파워 일렉트로닉스를 활용해 순저를 검출, 중요부하에서 상용전원을 고속으로 분리하고 축전장치의 전원으로 전환하는 방식이 보급되어 왔다. 이에 따라 고속으로 스위칭함으로써 순저의 영향을 거의 받지 않고 전압의 회복을 기대할 수 있게 되었다. 수요가에서 실시하는 순시전압저하 대책에서는 어느 정도의 축전설비가 필요한지를 결정하는 것이 중요하다.
낙뢰로 인한 송전선의 설비피해
- 낙뢰의 전하량이 미치는 영향 -직격뢰 및 역플래시오버로 인해 발생하는 송전선 사고뿐만 아니라, 낙뢰에 의한 기기 손상 등 송전설비의 피해가 발생하기도 한다. 예를 들면, 낙뢰의 직격을 방지하기 위해 설치되는 가공지선은 전하량이 큰 벼락으로 전선의 소선이 끊기는 등의 피해를 입는 경우가 있다.([그림 5] 참조) 또 앞서 소개한 송전용 피뢰장치 역시 대전류, 대전하량의 통전에 의해 내부의 소자가 망가지는 경우가 있다. 송전선은 장거리에 걸쳐 부설되어 있기 때문에 뇌격에 의한 설비피해 감소와 보수의 경감이 과제가 되고 있다. 소선의 용단대책으로서 전선의 재료 및 모양에 대한 연구를 통해 뇌격에 대한 내성을 향상시킬 수 있다는 사실이 명확해지고 있다. 또 가공지선을 손상시킬만한 큰 전하량을 가진 벼락에만 반응하는 장치를 설치함으로써 낙뢰에 의한 가공지선의 손상 개소를 효율적으로 탐사하는 연구가 이루어지고 있다.
송전선 뇌해대책의 신기술 동향새로운 뇌서지 해석방법의 진전컴퓨터를 사용할 수 없었던 1960년 이전의 송전선 뇌서지 응답특성의 해석은 격자도법이라고 불리는 방법으로 실시되었다. 이 방법은 각 철탑과 가공지선의 접속개소 및 철탑과 접지의 접속개소(철탑기부) 등 불연속점에서의 반사현상을 고려해 마치 열차의 운행을 정하는 다이어그램처럼 손계산과 작도(作圖)로 철탑 각부의 전위상승을 계산하는 것이었다. EMTP(Electro Magnetic Transients Program: 과도 전자현상 해석 프로그램)가 1960년대 후반에 개발되자 송전선을 전기 정수(定數)로 모델링하고, 다양한 구성의 송전선에 대해 뇌전류 파형을 입력함으로써 송전선 각부의 뇌서지를 짧은 시간 내 정확하게 해석할 수 있게 되었다. 또한, 송전선의 아크혼 간 플래시오버 모델을 도입하는 등 고도의 뇌(雷) 퍼포먼스 검토가 가능해졌다. 그러나 EMTP 해석은 전자현상을 전기회로로 치환하여 해석을 실시하기 때문에 다음과 같은 결점이 있다.
(1) 철탑과 같이 복잡한 구조물을 전기회로로 정확하게 표현하기 어렵기 때문에 근사적인 등가회로로 바꿀 필요가 있다.
(2) 뇌방전로의 전류에 의한 송전선의 전위상승에 대한 영향을 고려할 수 없다.
2000년대에 이르자, 계산속도가 비약적으로 향상되어 안테나 이론을 응용한 FDTD(Finite Difference Time Domain)법 등의 수치전자계 계산법이 서지 해석에 적용됨에 따라 위의 문제들이 해결되고 매우 높은 정밀도의 뇌서지 해석이 가능해졌다.
뇌 성상의 해명과 뇌해대책의 고도화
(1) 뇌우 일수분포에서 낙뢰위치 표정 시스템의 데이터 이용으로
지금까지 일본에서는 낙뢰가 많은 지역과 적은 지역을 구분하는 지표로 연간 뇌우 일수 분포도(기상관청 등에서 정리한 1954~1963년 사이의 낙뢰의 기록)가 이용되어 왔다. 1970년대 후반에 들어서자 낙뢰위치 표정 시스템(Lightning Location System: LLS)이 미국에서 개발되어 각 뇌격의 위치 및 시각을 정확하게 기록할 수 있게 되었고, 이에 따라 일본에서도 1980~1990년대에 걸쳐 각 전력회사가 이 시스템을 순차적으로 도입하였다. 현재, LLS는 9개의 전력회사가 각각 독립된 시스템으로 운용하고 있으며, 그 데이터를 집약하여 일본 전국의 낙뢰 빈도를 맵화(지도화)한 데이터도 공표되고 있다.([그림 6] 참조)
(2) 뇌전류 파형 관측에 의한 해석조건의 고도화송전선의 역플래시오버는 파고치가 큰 벼락과 파두장(波頭長)이 짧은 벼락일수록 발생되기 쉽다. 그러나 기존의 해석에서는 파고치와 파두장을 독립적으로 부여하는 등 뇌전류 파형의 파라미터 간 상관관계는 고려되지 않았다. 파고치와 파두장의 관계는 전기학회 기술보고에서도 보고되고 있듯이 파고치가 큰 벼락일수록 파두장이 길어진다는 경향이 밝혀졌다. 앞으로는 이 점을 고려한 전류파형 관측데이터의 수집과 해석연구가 중요한 과제라고 할 수 있다.
(3) 겨울철 낙뢰(동계뢰)에 의한 2회선 사고발생 메커니즘동계뢰에서는 송전선의 2회선에 걸친 사고 비율이 하계뢰(여름철 낙뢰)에 비해 많이 나타나며, 이것이 1970년대 후반 동계뢰 성상 연구에 중요한 계기가 되었다.([그림 7] 참조) 동계 2회선 사고 비율의 증가에 대해 당초 다양한 가설이 세워졌지만, 최근의 연구를 통해 동계뢰에 전류 파고치가 큰 벼락이 많이 포함되어 있는 것이 유력한 원인인 것으로 밝혀졌다.
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