월간전기



[전기를 보다 안전하고 편리하게 ①] 뇌 현상과 전기 설비의 뇌해 대책

2011-09-22

방전 현상의 일종인 낙뢰는 여름철이면 그 발생 빈도가 급격히 높아진다. 소방방재청이 발표한 자료에 따르면, 2005년부터 2009년까지 최근 5년간 관측한 낙뢰일수는 연 평균 503일이고, 그중 329일(65.5%)이 6~8월에 관측됐다. 낙뢰로 말미암은 피해도 6월을 기점으로 크게 증가해 6~8월에 일어난 낙뢰 피해 건수만도 45건으로 조사됐다. 이는 총 낙뢰 피해 건수 52건 가운데 86.5%를 차지한다. 낙뢰는 전기 설비에도 치명적인 피해를 준다. 아날로그에서 디지털로 시대가 바뀌면서 뇌해 양상도 변화했다. 여기서는 피해 원인인 낙뢰 현상과 뇌해 원인, 대책을 일본의 사례를 통해 설명한다. 뇌해 문제는 오래된 동시에 새로운 문제다. 전력 설비의 뇌해 대책은 그 역사만 해도 1세기이상이 된다. 그럼에도 낙뢰로 말미암은 송전선 지락 시 일어나는 순간 전압 강하가 반도체 공장에 큰피해를 주고, 검은색 다이얼 전화를 사용하던 시대에는 눈에 띄지 않았던 전화 피해가 급증했다. 뇌해양상은 크게 변했으며, 낙뢰로 발생한 피해에 빠르게 대응하도록 대책 확립을 요구하는 목소리가 현재에도 높다. 불규칙한 것이 특징인 뇌 현상 뇌우일수 분포와 낙뢰 위치 표정標定 시스템의 데이터｜일본에서 낙뢰가 많은 지역과 적은 지역을 나누는 지표는 1954년부터 1963년까지 낙뢰 기록을 정리한 연간 뇌우일수雷雨日겤 분포도에 근거해 왔다. 1980년대 미국에서 낙뢰 위치 표정 시스템이 개발된 이후부터 낙뢰 하나하나의 위치와 시각을 정확하게 기록하는 일이 가능해졌다. 일본에서도 각 전력회사에 1980년대부터 1990년대에 걸쳐 이 시스템을 순차적으로 도입함에 따라 홋카이도, 혼슈, 시코쿠, 규슈 등 일본의 4개 큰 섬에서 낙뢰 위치 표정 시스템의 데이터를 얻게 됐다. 2000년대에 이르러 민간의 기상회사에서 오키나와를 포함한 일본 전역을 관측 범위에 넣은 시스템을 운용하기 시작했다. 낙뢰는 대기 중 긴 방전｜낙뢰는, 길 때는 10㎞ 이상이나 되는 최장 거리의 대기 중 방전 현상이다. 일반적으로 방전 현상은 전압을 인가한 개소에서 최단 거리로 나아가는 것이 아니라 약간 갈지자 형태로 나아가며, 낙뢰도 상당히 구부러져 진전한다. 뇌 방전은 대기 상황에 따라 크게 수평 방향으로 진전하는 경우도 있다. 뇌 전류의 특징｜뇌 전류는 파고치波高値, 파두장波頭長, 파미장波尾長으로 나타낸다. 파고치는 전류의 최대치를 뜻한다. 작게는 1000A 정도에서 크게는 30만A 정도까지 있으며 보통 3만A 부근을 중심으로 분포한다. 파두장은 전류가 흐르기 시작해 파고치에 이르기까지 시간을 뜻하며, 1㎲(100만분의 1초)에서 10㎲(10만분의 1초) 정도다. 파고치가 클수록, 파두장이 짧을수록 송전선이나 배전선에 생기는 과전압의 크기는 커지며, 위험한 뇌 전류라 할 수 있다. 한편, 파미장은 낙뢰가 가진 에너지와 관련이 있으며, 파미장이 길수록 피뢰기나 피뢰소자(SPD)를 파손·소손시킬 가능성이 높다. 뇌격이 어디를 향하는가｜뇌격하는 위치는 피해에 큰 영향을 준다. 피뢰침에서 뇌격을 포착하면 안전하게 뇌 전류를 접지로 흘릴 수 있지만, 건물의 벽면을 뇌격하면 벽의 콘크리트가 깨져 떨어진다. 뇌 파라미터와 뇌해 원인｜전력회사는 자기 절연물(애자)로 전선을 지면에서 절연해 수요가까지 전기를 보낸다. 송전선에 낙뢰가 치면 전선과 지면 사이에 고전압이 발생해 애자 위치에서 방전이 일어나고, 이것을 '스파크 오버(섬락)'라고 부른다. 일단 애자의 절연이 파괴되면 낙뢰의 고전압이 소멸한 후에도 낙뢰에 의한 방전 경로를 통해 전력회사에서 보내는 전기가 계속 흐른다. 이때 전력회사는 변전소에서 일단 전기 공급을 멈춘 다음 애자의 방전을 끊고 다시 송전을 개시한다. 낙뢰로 절연이 파괴되고 송전을 멈출 때까지 그 사이에 전력회사에서 보내는 전기가 대지에 흐르면 애자나 전선에 큰 열을 발생시킨다. 송전선이나 배전선의 뇌 피해는 최종적으로 전력회사에서 보내는 전기 에너지로 일어나는 것이 많다. 낙뢰는 절연을 파괴하고 전력회사의 전기를 지면에 흘려 피해를 일으키는 실마리를 만드는 역할을 한다. 낙뢰의 특징에 관련되긴 하나, 뇌 전류의 파고치가 클 때 높은 전압이 발생한다. 또한 파두장이 짧을수록 높은 전압이 발생한다. 한편, 피뢰기가 소손하는 사고는 파두장의 길이에 그리 영향을 받지 않으며, 뇌 전류의 계속 시간(전하량)에 크게 영향을 받는다. 겨울철 낙뢰의 발생과 다발 지역｜동해 연안에는 늦가을부터 겨울에 낙뢰가 빈번하게 발생한다. 이를 겨울철 낙뢰라고 하며, 여름철에 발생하는 낙뢰와는 발생 기구가 다르다. 상대적으로 따뜻한 대마난류가 북상하는 해수면에 시베리아로부터 차가운 북서풍이 불면, 상승 기류에 의해 뇌운이 해상에서 발생해 동해 연안에 뇌운이 상륙한다. 한편, 여름철은 햇볕에 의해 지표면이 급격하게 뜨거워짐에 따라 극심한 상승 기류가 발생하고 뇌운이 성장한다. 간단히 말해 여름철 낙뢰는 내륙성이고, 겨울철 낙뢰는 해양성이다. 낙뢰의 전하 분리는 -10도에서 -20도 층에서 일어난다는 설이 유력하며, 이 설에서 보면 겨울철 동해 연안에 여름철보다 상당히 낮은 층에서 전하 분리가 일어난다. 즉, 겨울철 낙뢰는 여름철에 비해 낮은 장소에서 생긴다. 겨울철 낙뢰가 많이 발생하는 지역으로 일본 아오모리 현에서 시마네 현 부근의 동해 연안을 꼽을 수 있다. 겨울철 낙뢰의 특징｜겨울철 낙뢰의 특징은 다음과 같으며, 여름철 낙뢰와는 크게 다르다. ① 밤낮 구분 없이 하루 온종일 언제든지 발생한다. 여름철에는 대지면이 충분히 데워진 정오가 지난 시점부터 저녁 무렵에 걸쳐 낙뢰가 발생하지만, 일사日射와 직접 관련이 없는 겨울철 낙뢰는 언제든지 발생한다. ② 여름철 낙뢰와 비교해 발생 횟수가 적다(일발一發낙뢰). ③ 여름철에는 보통 뇌운에서 대지 방향으로 아래쪽을 향해 방전하지만 겨울철 낙뢰에서는 방전이 위쪽을 향한다(<그림 1> 참조). ④ 뇌 방전 1회로 흘러나오는(중화됨) 전하량이 비정상적으로 큰 것이 있다. 일반적인 여름철 낙뢰의 30배 이상이나 되는 경우가 있다. ⑤ 정극성 방전이 많아진다. 여름철 뇌 전류의 극성은 90%가 부극성이지만, 겨울철 낙뢰는 30~50%가 정극성이다. 건축물의 낙뢰 피해 콘크리트 건물에 낙뢰가 치면 콘크리트가 맥없이 부서진다(<그림 2> 참조). 이러한 사고를 막으려면 피뢰침으로 낙뢰를 포착하는 것이 중요하다. 한동안은 피뢰침 꼭대기 부분에서 본 각도로 보호 범위를 결정했으나, 국제 지침에 따라 뇌격 거리를 고려한 회전구체법을 이용하게 됐다. 뇌격 거리란 낙뢰가 선행 방전 단계에 뇌운에서 지면으로 가까워질 때 계단(Step) 형태로, 즉 진전했다가 멈추고 다시 진전하는 것을 반복하다가 대상물에 뇌격하기 직전에 선행 방전의 선단 위치와 뇌격한 점 사이의 거리를 말한다. 일반적으로 뇌 전류의 파고치가 작은 낙뢰일수록 뇌격 거리가 좁아지며, 피뢰침으로 포착하는 것이 어렵다. 전력선의 뇌해 대책 송·배전선 뇌해대책의 일반 사항｜낙뢰로 생기는 피해를 줄이기 위한 방책은 다음과 같이 여러 관점에서 생각할 수 있으며, 현장에서는 이들 방법 중 여러 개를 동시에 적용하는 경우가 많다(<그림 3> 참조). ① 절연 파괴 방지 ② 계류(사고 전류) 대책 ③ 정전 구간 한정 ④ 수요가 측 대책 고압 배전선의 뇌해 대책｜배전선의 뇌해에는 세가지 원인이 있다. ① 유도뢰 : 부근에 위치한 나무나 건물 등에 낙뢰가 칠 때 방사되는 전자계의 변화가 원인이 돼 배전선에 전압이 유도되는 것을 말한다. 배전선으로부터 100m 떨어진 지점에 파고치 3만A의 낙뢰가 쳤을 때 약 10~20만V의 전압이 발생한다. 유도뢰의 경우 피뢰기를 200~300m마다 접지하면 대부분 애자의 절연 파괴는 일어나지 않는다. ② 직격뢰 : 배전선 구성물에 직접 낙뢰가 치는 것(<그림 4>참조)을 말하며, 발생하는 뇌 전압은 파고치 3만A의 낙뢰에서 100만V가 넘는다. 피뢰기를 100m마다 배치해도 애자의 절연 파괴를 진압하기 어려우며, 가공지선과 피뢰기를 함께 설비함으로써 효과를 높일 수 있다. 100%에 가까운 효과를 올리려면 전봇대에 피뢰기를 배치하면 된다. ③ 역류뢰 : 산 정상에 위치한 통신 설비, 방송 설비 등의 철탑에 낙뢰가 칠 경우, 거기서 뇌 전류의 일부가 전기를 공급하는 배전선 측에 흘러든다. 그 전류로 일어나는 배전선 측 사고를 역류뢰에 의한 사고라고 한다(<그림 5> 참조). 배전선에 유입하는 뇌 전류가 피뢰기를 통과할 때 겨울철 뇌 전류처럼 계속 시간이 긴 낙뢰에서는 피뢰기가 소손하는 피해가 발생한다. 이때는 피뢰기의 에너지 처리 능력을 높이기보다 가공지선을 가설하는 것이 유효한 대책이 된다. 1조條로 충분한 효과를 얻지 못할 때에는 2조, 3조와 같이 복수複數 조로 가설하는 것이 효과적이다. 순간 전압 강하 문제 송전선에 낙뢰가 쳐 애자나 아크혼이 스파크 오버(방전)하면, 계속해서 지락 상태가 돼 전력회사에서 송전하는 전기가 접지로 흐른다. 이 때문에 계통에 연결된 수요가에서—그 지점으로부터의 거리나 부근 전원의 유무 등에 따라 다르겠지만—얼마간의 전압 저하가 발생한다. 사고 개소에 연결된 변전소에서 차단기를 개방하면 전압은 복구되지만, 그때까지의 시간 동안 수요가에서 전압 저하가 일어나는 것을 '순간 전압 강하'라고 한다. 최근 조사 결과｜최근 조사에서 전압 저하 폭이 20% 이상이 되는 순간 전압 강하의 발생 빈도는 일본에서 약 10~20회/년으로 나타났으며, 미국의 조사에서도 약 20회/년이었다. 순간 전압 강하 해저드 맵 프로그램｜일본의 전력중앙연구소에서는 전력회사에 협조를 구해 송전선 낙뢰 사고에 따른 수요단 전압의 순간 전압 강하 정도를 해석하는 순저 해저드 맵Hazard Map 프로그램을 개발했다. 그 기능은 다음과 같다. ① 기능 1 : 지정된 송전 경로에서 낙뢰 사고가 발생했을 때 계통 각 수요 지점의 전압 저하도를 계산. ② 기능 2 : 각각의 송전 경로에서 낙뢰 사고가 발생했을 때 지정된 수요 지점의 전압 저하도를 계산. ③ 기능 3 : 각각의 송전 경로 사고 발생 확률(회/년)을 바탕으로 각 수요 지점의 전압 저하 영향 정도를 계산. 순간 전압 강하 대책｜순간 전압 강하 대책에는 낙뢰 활동의 접근에 따라 중요 부하를 자가용 발전 설비에 교체하는 방식에서, 최근에는 파워 일렉트로닉스를 이용한 직렬 보상 방식과 병렬 보상 방식이 있다. 직렬 보상 방식과 병렬 보상 방식은 둘 다 순간 전압 강하가 발생했을 때 신속하게 중요 부하에서 상용 전원을 분리하고 축전 장치의 전원으로 교체하는 방식이다. 고속으로 스위치를 하기에 순간 전압 강하의 영향을 거의 입지 않은 채 상용 전원의 복귀를 기다릴 수 있다. 여기서는 어느 정도의 축전 설비를 갖출 것인가를 정하는 것이 중요하다. 고도 정보화 사회에서 뇌해 문제 고도 정보화 사회의 출현이 본격화됨에 따라 뇌해양상이 크게 바뀌었다. 회로의 전자화로 기기의 뇌 서지 내량耐量은 극단적으로 줄어들었으며, 전원, 통신, 안테나 등 회로가 네트워크로 구성되면서 낙뢰의 침입과 통과 경로가 다양해져 낙뢰 피해는 크게 증가했다. 가전 제품의 뇌해 실태｜일본에서는 이십 몇 년 전부터 5년 전까지 과거 3회에 걸쳐 가전제품의 낙뢰피해를 조사했다. 고도 정보화 시대가 되면서 피해양상도 크게 바뀐 것을 확인했다. ① 20년 이상 전에는 텔레비전, 비디오의 뇌해가 많았으나 15년 전부터 전화기·팩스 등 통신기기가 가장 높은 비율을 차지한다. ② 15년 전쯤부터 컴퓨터의 피해가 발생했으며, 최근 조사에서는 전화기·팩스에 이어 두 번째였다. ③ 20년 전과 비교해 최근에 낙뢰 피해가 상당한 증가 추세에 있다. 정보 통신기기의 뇌 서지 대책｜검은색 다이얼 전화를 사용하던 시대에는 다른 회로로 전화기 전원을 공급하는 것이 아니라 오로지 전화선만이 전화기에 접속돼 있었다. 현재 사용 중인 버튼을 누르는 형태의 전화기나 팩스에서는 전화선(통신선)과 전원선 두 개가 연결돼 있으며, 이른바 간단한 네트워크를 구성한다. 뇌 서지는 전화선으로 침입해 전원선으로 빠져나가는, 또는 전원선으로 침입해 전화선으로 빠져나가는 과정에서 전화기를 고장 낸다. 기기가 저전압에서 동작하는 전자화가 낙뢰에 취약해진 원인 중 하나이긴 하나, 네트워크화 역시 낙뢰피해가 증가하는 데 큰 영향을 주고 있다. 전화기·팩스 등 통신기기를 뇌 서지로부터 보호려면 통신선을 광섬유화하는 등 절연화 방법 외에 바이패스 어레스터라고 불리는 전화선(통신선)과 전원선 양쪽에 피뢰(SPD)를 설치하는 방법을 택하기도 한다. 이때 피뢰기를 따로따로 접지하면 접지의 전위 상승으로 서지가 손쉽게 통신기기를 통해 전원선으로 빠져나간다(반대의 경우에도 똑같은 일이 일어남). 이를 예방하기 위해 피뢰기의 접지를 공통으로 함으로써 기기 내부를 통과시키지 않고 뇌 서지를 흘리는 방법을 취한다. * 시대 변천과 함께, 전기 공급의 신뢰성에 대한 요구가 바뀌었다. 그리고 고도 정보화의 전전과 함께, 사용하는 전기기기와 정보 통신기기의 회로도 크게 바뀌었다. 이러한 변화는 뇌해 대책에 큰 영향을 주며, 이에 대한 요구의 목소리도 한층 엄격해졌다. 낙뢰 빈도와 뇌 전류의 성질을 충분히 이해하고 필요한 대책 방법을 적정한 비용 내에서 세우는 것이 중요하다. 뇌해 대책은 상당 부분 경험이 말해주는 경우가 많으며, 또한 현장에서의 대책 조건이 모두 동일하지 않기에 경험이 풍부한 기술자의 조언을 받아들이는 것이 바람직하다. 정리 전화영 기자 < Energy News >